复杂环境下基坑复合支护案例分析

(1.河南省第一建筑工程集团有限责任公司，郑州 450014;2.郑州大学土木工程学院，郑州 450001； 3.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，郑州 450052)

随着城市化进程中对老城区的综合改造，出现越来越多复杂环境条件下的深基坑工程。单一支护形式在处理复杂环境下的深基坑工程很难同时满足使用要求和经济效益，复合支护形式成为解决这一难题的有效手段。针对郑州地区基坑工程中遇到的既有电力隧道、防空洞以及旧桩基复杂环境下，通过对工程所处地理环境、工程地质条件、基坑工程施工条件、周边建筑安全等方面的综合分析，采用桩锚/土钉复合支护结构方案进行处理。工程监测结果表明所采用方案能较好地解决基坑工程遇到既有电力隧道、防空洞以及旧桩基时的复杂环境条件下基坑支护的问题。

1 研究背景

随着城市迅速发展，城市楼房管线密集度越来越高，深基坑周边环境越来越复杂。在复杂的环境条件下，对深基坑的支护施工也相应地提出了更高的技术要求。基坑支护不仅要满足施工地下结构时的安全，同时也要保证周边环境的正常使用[1]。采用单一支护形式来处理复杂环境下的深基坑工程很难同时满足使用要求和经济效益，近年来复合支护形式快速发展，成为解决这一难题的有效手段。

近年来学者们对基坑复合支护结构的适用性以及经济效益等进行了大量的研究和分析，并得出了很多有益的结论。王文忠[2]在长春市某深基坑工程中采用土钉+桩锚支护结构，通过不同支护形式的综合应用，取得良好的安全、经济效果。陈一也等[3]通过实际应用得出土钉+桩锚联合支护体系较纯桩锚支护体系能够节约材料，缩短工期。胡瑞等[4]通过现场监测和试验得出联合支护体系是处理复杂条件下基坑支护问题的安全、经济、有效方法。杨帆[5]采用数值模拟和现场监测的方法研究了桩锚支护结构的工作性能。陈帅强[6]通过实测桩体钢筋内力，对不同工况下桩锚支护桩的受力特性及变化规律进行研究。黄睿[7]采用钢管灌注桩+锚索支护体系，安全、快速、经济地完成重庆某地铁深基坑工程的支护任务。许厚材[8]采用放坡、桩锚支护、复合土钉联合支护技术，顺利完成北京某深基坑支护工程。Poh等[9]通过工程监测分析得出：增加支撑的道数或锚杆的根数能够很好地控制支护结构的变形，而加大支挡结构刚度和嵌入深度对减小支护结构位移作用较小。Long[10]通过监测资料分析，研究了支撑结构刚度、基坑开挖深度和坑底抗隆起稳定系数等因素对基坑变形的影响。Wong等[11]通过工程监测试验分析，研究了深基坑的开挖速度和深度、支护桩的刚度、土体抗剪强度指标等因素对基坑支护桩水平位移的影响。郭院成等[12]通过对桩锚与复合土钉联合支护结构的研究，得出通过合理设计联合支护结构，可以有效减少锚杆预应力，降低桩锚结构支护桩的嵌入深度。郑云刚等[13]通过现场试验，得出上部土钉+下部桩锚联合支护较纯桩锚结构能够减少土压力，同时能够减少支护桩的长度和工程造价。杨海亭[14]通过复杂环境条件下的基坑支护设计实例分析，提出不同的支护方法要根据其自身特点运用于不同场合，才能使整个工程设计更安全、经济。易丽丽等[15]针对土钉墙在岩土工程应用中存在的问题作了详细讨论，认为应对复合土钉墙方面展开研究。

综上所述，复合支护技术在城市深基坑支护工程施工中是一种有效的方法。由于其发挥了各种支护方法的优点，对基坑的变形、稳定性、施工的经济性具有综合的优势。因此，作为综合性的基坑支护施工技术，桩锚复合支护技术在我国的深基坑支护施工中，取得了良好的社会、经济和环境效益[16]。但是，目前关于复合支护的协同工作机理及变形特点的研究尚不充分，本文将通过工程案例进行分析研究。

2 工程概况

工程位于郑州市区，基坑底长×宽=152.7 m×115.2 m，自然地面标高为-1.4 m，基坑深度为12.3 m，局部为13.46 m。基坑的北面为5栋商住楼；东面为规划的道路；南面为棉纺西路，基坑开挖上边线距棉纺西路人行道北边约为8.5 m；西面有2栋旧建筑物，其中一栋为3层砖混结构建筑，距基坑开挖上边线为2.55 m，另一栋为7层砖混结构建筑，距基坑开挖上边线为1.35 m。基坑周边环境详见图1。

在深基坑的南部边坡，设计支护桩的南侧，存在与深基坑边坡基本平行的、东西通长的城市主电力隧道。电力隧道为砖墙砌筑，隧道的墙壁厚度为370 mm，隧道的北部侧墙距离设计支护桩3.1 m，隧道的内部净宽度为1.5 m，隧道的内部高度为2.6 m，隧道的底板标高为-5.5 m，距离支护桩顶部以下1.2 m；在城市主电力隧道与设计的支护桩之间存在东西走向的防空洞，防空洞为砖墙砌筑，洞壁厚度为370 mm，防空洞内净高度为2.5 m，防空洞的洞顶标高为-8.5 m。在深基坑的南部边坡，设计支护桩的南侧，电力隧道的北侧，有与设计支护桩部分交接的一排东西方向分布、桩间距为7.5 m的老桩基。电力隧道、防空洞和支护桩三者的位置关系见图2(a)，电力隧道与支护桩的现场位置见图2(b)，老桩基与支护桩立面图见图3(a)，老桩基与支护桩位置实体图见图3(b)。

图2电力隧道、支护桩等立面图与实体图
Fig.2Elevationviewandphotoofelectrictunnelandsupportpiles

3 施工问题及处理方案

在该深基坑的南部边坡，设计支护桩以下4.5 m处遇到防空洞，且防空洞的走向不是一条直线，没有规律性，支护桩与防空洞的平面位置关系见图4。支护桩与防空洞相对位置共5种情形，其中情形3和情形5支护桩向下，不穿越防空洞；其他3种情形，支护桩需要穿越防空洞。

对于支护桩垂直向下穿越防空洞的情况，主要问题是在防空洞高度范围内，桩身的支模方式。初步处理方案分别为土袋堆砌桩模、砖砌桩模和钢护筒桩模。土袋堆砌桩模造价低、施工快，但堆放的土袋在支护桩混凝土浇筑时易被挤跑，从而造成个别支护桩出现断桩现象;砖砌桩模易施工、施工慢，工人需下洞长时间作业，其心理压力大，工程造价为2 000元/个;钢护筒桩模易施工，工人无需下洞作业，工程造价为1 500元/个。综合对比分析上述3个方案，最终选择钢护筒桩模方案。

该工程中采用钢护筒桩模，钢护筒的长度为3.5 m，出防空洞的上顶和下底各500 mm，钢板厚度为3 mm，内径为900 mm，接缝焊接严密。钢护筒在防空洞范围内作为桩身混凝土的侧模，然后进行钢筋混凝土支护桩的混凝土浇筑。处理后现场实图如图5所示。

对于基坑南部平行于深基坑边坡的防空洞，支护桩施工完成后，基坑开挖前分段开挖的过程中，在南边边坡防空洞170 m范围内，按照30～40 m长度分隔为若干小的单元。对防空洞分段砌墙分隔开，分段填充水泥土，用Φ50 mm的钢管注浆，注浆压力为2 MPa，钢管沿防空洞顶部布设。防空洞填充和基坑开挖支护同步进行。

对于基坑东西部垂直于深基坑边坡的防空洞，为了防止防空洞与市政管网连接，造成市政污水和雨水倒灌基坑，采取在洞口2 m处砌筑500 mm砖墙，M7.5水泥砂浆砌筑，中间喷射1 m厚C20混凝土，洞口砌筑500 mm砖墙。在距洞底200 mm高处，设置直径D=50 mm的溢流管，发现有水时，及时对接水管将水排出。防空洞封堵示意图见图6。

在深基坑的南部边坡，设计支护桩的南侧，电缆隧道的北侧，有与设计支护桩互相交接的一排东西方向分布的老桩基。受老桩基桩底部的混凝土扩大头的影响，支护桩施工暂停，这是前期得到的此处为独立基础的错误信息误导所致。经查阅相对准确的地基资料后，绘制了老桩基和支护桩平面位置关系(图3)。

初步处理方案分别为支护桩移位方案、老桩基扩大头破除方案和修改支护桩长方案。对于支护桩移位方案，由于用地红线和外侧电缆隧道的限制，支护桩不能向外侧移动；向基坑内侧移动，则建设单位无法接受。对于老桩基扩大头破除方案，需工人下到支护桩孔内作业，风险较大，作业效率底，无法估计工期拖延情况。对于修改支护桩桩长方案，原设计采用的是桩锚支护方案，原设计的桩长为17.5 m，嵌固深度为8 m。由于老桩基的影响，按照老桩基扩大头的标高进行支护桩的设计，设计桩长变为11.5 m，嵌入深度也由8 m变成2 m。在老桩基影响范围内，设计支护形式由桩锚支护改变为土钉/预应力复合土钉墙的形式。

4 支护方案设计

本文主要针对同时存在电力隧道、防空洞和老桩基的深基坑南部边坡的支护方案进行分析。电力隧道、防空洞和老桩基共同影响范围内采用复合土钉支护，电力隧道和防空洞共同影响范围内的支护结构采用桩锚/土钉复合支护。

在深基坑的南部边坡，存在电力隧道和防空洞，该区段支护结构设计主要受电力隧道和防空洞影响。基坑上部采用土钉墙设计，为了不影响到电力隧道，土钉长度以不碰到电力隧道为标准进行设置；对于已有防空洞，施工中采用水泥土进行回填，计算时防空洞部分按照水泥土考虑，设计方案采用桩锚/土钉复合支护结构。

在自然地坪到设计支护桩顶之间，高度2.8 m范围内，采用3排土钉支护，距地面深度分别为0.8，1.5，2.2 m。土钉长度2.5 m，水平间距1.5 m。下部采用桩锚支护，桩体采用C30混凝土现浇灌注桩，桩长为17.5 m，嵌固深度为8 m，桩径为900 mm，桩间距为1.5 m。基坑设计土层参数见表1，锚杆和土钉参数见表2，支护结构详图见图7。图7中斜坡位置①—③表示3排土钉，④—⑤表示2排锚杆。

注：D48×3表示外径48 mm、壁厚3 mm的钢管；4S15.2表示4根直径15.2 mm的钢绞线

对防空洞进行水泥土填充后，水泥土强度大于周围土体强度，在验算时，偏安全考虑，不计入防空洞水泥土填充的作用。同时为了充分保证电力隧道存在对基坑的影响，进行验算时，不考虑土钉墙部分的贡献。

整体稳定验算采用瑞典条分法进行，土体按照总应力状态计算，条分法中的土条宽度为0.50 m。根据计算结果，整体稳定安全系数Ks=1.523，满足规范要求。

根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)计算得到最小的抗倾覆安全系数Ks=1.983≥1.200，满足要求。

在深基坑的南部边坡的老桩基附近，电力隧道、防空洞和老桩基同时对支护结构设计产生影响。基坑上部采用土钉墙设计，为了不影响到电力隧道，土钉长度以不碰到电力隧道为标准进行设置。由于老桩基的存在，支护桩的深度受到限制，支护桩桩长为11.5 m，下部采用预应力土钉。

在自然地坪到设计支护桩顶之间，高度2.8 m范围内，采用3排土钉支护，钉长度为2.5 m，水平间距为1.5 m，竖向间距为0.7 m。支护桩采用钢筋混凝土桩，桩径为900 mm，桩间距为1.5 m。桩身混凝土强度C30。基坑设计土层参数见表1，支护结构详图见图8，图8中①—⑩为土钉(其中⑦—⑩为预应力土钉)，土钉的详细参数见表3。

采用《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)推荐方法计算得出抗滑安全系数1.528gt;1.300，抗倾覆安全系数6.021gt;1.600，满足要求。

5 监测分析

该项目监测时间从2012年6月18日到2013年4月14号。根据本工程实际情况，设置竖向位移和水平位移观测基准点各3个，编号分别为BM1—BM3和K1—K3；坡顶竖向位移和水平位移观测点按照15～20 m一个，共设置19个，编号为S1—S19；深层水平位移观测点设置6个，编号分别为CX1—CX6；建筑沉降观测点共12个，编号分别为J1—J12，具体布置详见图9。上部土钉下部桩锚复合支护结构监测位置为S7—S9，复合土钉支护结构监测位置为S10—S16。

图10为桩锚/土钉复合支护坡顶水平位移和竖向位移。由图10(a)可发现桩锚/土钉复合支护坡顶水平最大位移为21 mm左右，满足规范要求。由图10(b)可知，桩锚土钉复合支护坡顶最大竖向位移为8 mm左右，满足规范要求。

Fig.10Horizontalandverticaldisplacementsofslopecrestinthecaseofpileanchorandsoil-nailingcompositesupport

图11为复合土钉支护坡顶水平位移和竖向位移。由图11(a)可发现复合土钉支护坡顶水平最大位移为20 mm左右，满足规范要求。由图11(b)可知，复合土钉支护坡顶最大竖向位移为7 mm左右，满足规范要求。

图12为基坑周边建筑物竖向位移，可发现基坑周边建筑物累计沉降最大值为6.92 mm，达到报警值的23%，满足规范要求。

围护结构深层水平位移监测数据(CX3测点)如图13所示，可知围护结构深层水平最大位移为8.4 mm左右，其整体位移最大值、以及变化速率均未达到报警值，满足规范要求。

6 结论

本文通过对存在防空洞、电力隧道以及老桩基复杂环境下的基坑支护方案进行分析，并结合基坑监测数据，对比分析得出如下结论：

(1) 通过对同时存在防空洞、电力隧道和旧桩基采用桩锚土钉复合支护结构的基坑进行处理，认为所采用的方案能够满足复杂环境下基坑支护的特殊要求，具有较好的适用性。

(2)通过对深基坑的坡顶水平位移、临近建筑物沉降观测、深基坑深层土体水平位移监测，其最大变形均在限值范围内，未引起较大沉降和变形。证明采用的支护形式安全、可靠、经济、高效、实用。

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Case Analysis of Pile-anchor and Soil-nailing Composite Support in Complex Environment

(1.Henan No.1 Construction Engineering Group Co., Ltd., Zhengzhou 450014, China; 2.School of Civil Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China; 3.Henan Provincial Transport Planning Design Institute Co., Ltd., Zhengzhou 450052, China)

An increasing number of deep foundation pit project in complex conditions has emerged with the comprehensive transformation of old urban area in the process of urbanization. Deep foundation pit projects with single sup-port could not easily meet the requirements of usage and economic benefit simultaneously, which, however, can be effectively addressed by composite support. In this research, a foundation pit project encountering existing power

tunnel, air-raid shelter and old pile foundation in Zhengzhou city was taken as a case study of composite support form. Through analysis on geographical environment, engineering geological conditions, construction condition, and construction safety, a composite support plan integrating pile anchor and soil nailing structure is adopted. Monitoring results show that the composite support plan could well solve the problems posed by complex environment.

pile-anchor; soil-nailing; complex environment; composite support; monitoring and analysis

张志强(1977-)，男，河南巩义人，高级工程师，硕士，主要从事基坑支护工程方面的工作， (电话)13015529622(电子信箱)984125887@qq.com。

杜浩鸣(1992-)，男，河南通许人，助理工程师，硕士，研究方向为岩土工程，(电话)15617658897(电子信箱)duhaoming2010@163.com。