双排桩支护结构在原水泵站深基坑施工中的应用

薛智瑶

上海建工七建集团有限公司 上海 200050

双排桩作为一种新型支护结构属于悬臂类支护结构的一种，但与单排悬臂支护结构相比，其具有较大的侧向刚度，可以有效控制基坑的侧向变形，桩身内力分布均匀合理，无需设置内支撑，可节约工期。因此，在深基坑工程中，特别是在对基坑变形有严格要求的工程中，双排桩支护越来越受到工程技术人员的青睐[1]。

双排桩支护体系包括前排桩、后排桩及连接前、后排桩的连梁，其作用机制主要是通过连梁发挥空间组合桩的整体刚度和空间效应，并与桩土协同工作，支挡开挖引起的不平衡土压力，达到保持坑侧稳定、控制变形、保证施工和相邻环境安全的目的[2]。

以某大型原水泵站基坑工程为例，综合分析双排桩支护结构在工程设计、施工和监测中的应用情况，得到了双排桩支护结构设计及施工的一些有益结论，供类似工程参考。

1 工程概况

某原水泵站为原水输送工程中途增压泵站，上游原水需经过调节池进行减压缓流处理后才进入泵房下部结构，经过泵房增压后输送至下游。调节池基坑为浅基坑，开挖深度为3.4 m，增压泵房下部为深基坑，采用双排桩支护结构，最大开挖深度为9.8 m，增压泵房基坑和调节池基坑通过泵房内部斜向底板进行不同标高衔接（图1）。

图1 调节池和增压泵房基坑相对关系

2 工程地质

基坑开挖深度影响范围内各土层如下：①层素填土、②层粉质黏土、③1层淤泥质粉质黏土、③3层黏土层、⑥1-1粉质黏土层、⑥2-1砂质粉土层、⑥4-1粉质黏土层、⑥4-2粉质黏土层。

3 基坑围护设计

3.1 围护结构选型

根据基坑周边环境和水文地质条件，综合工程地区施工经验，本工程深基坑可采用的围护结构形式有带内支撑的SMW工法桩、带内支撑的灌注桩、带内支撑的地下连续墙等，也可采用带放坡的双排灌注桩形式[3-5]。

3.1.1 带内支撑的围护形式

该方法的优点为能够充分利用混凝土支撑结构的抗压性能，支撑与围护结构能够形成整体，有效地控制围护结构变形；缺点为现场制作和养护时间较长，占用大量工期，需要换撑且支撑拆除工程量大，支撑与结构存在交界面，影响结构施工。

3.1.2 双排灌注桩结合放坡

该方法的优点为围护结构依靠前后排桩和压顶结构组成独立支撑体系，依靠自身结构稳定性发挥挡土作用，不依赖内部支撑，节省了支撑制作、养护和拆除的时间，且围护结构和主体结构相互独立，不存在交界面，互不影响，对工期极为有利；缺点为由于不设置内部支撑，故围护结构变形比有内支撑的围护体系大[6-8]。

考虑泵站工程基坑周边环境空旷、时间进度较紧的特点，且靠近调节池侧开挖深度较浅，从调节池和泵房的平面和竖向布置、围护结构的经济性和施工工期综合考虑，最终采用双排灌注桩结合放坡作为基坑围护形式。

3.2 围护结构设计

泵站工程基坑平面尺寸约为58 m×58 m，北、东、南三面基坑开挖深度9.8 m，采用放坡＋双排灌注桩；西侧基坑开挖深度4.8m，采用放坡＋重力式挡墙。围护采用双排φ1 000 mm灌注桩，前排桩间距1 150 mm，桩长19.3 m，后排桩间距1 725 mm，桩长17.3 m，前后排桩净间距2 m，桩顶连梁宽度4.2 m，高度0.7 m。桩间采用φ850 mm@600 mm双轴水泥土搅拌桩止水帷幕，深度插至⑥2-1承压水层下1 m。为了减小悬臂变形，基坑底部沿前排桩施作宽度4.2 m的φ700 mm@500 mm双轴水泥土搅拌桩，加固厚度4 m（图2）。

图2 双排桩支护结构主剖面

3.3 围护结构计算

泵站工程基坑围护安全等级为二级，基坑环境保护等级为三级。基坑侧向土压力按照郎金主动土压力公式，采用水土分算。基坑采用同济启明星双排桩结构设计计算软件以平面刚架结构模型进行计算，采用岩土工程有限元软件PLAXIS进行有限元分析。

3.3.1 变形计算

按照DBJ 08-61—2010《基坑工程设计规程》中的基坑变形设计控制指标，经计算，围护结构最大侧移42.4 mm＜0.7%基坑深度=67.9 mm，满足基坑变形要求。

3.3.2 稳定性及抗倾覆验算

基坑施工期间地面超载按20 kN/m2计，经计算，泵站基坑抗倾覆安全系数为1.23，设计要求安全系数1.20，满足抗倾覆要求（图3）。

图3 抗倾覆计算模型

3.3.3 有限元分析

为了更好地了解基坑变形性状和受力特点，采用岩土工程有限元软件PLAXIS做了进一步的分析。土力学基本参数根据地勘报告选用，土体本构模型采用能反映土体变形的非线性弹塑性模型——硬化土体模型（Hardening soil model），其中割线模量根据工程地区反分析计算的相关经验选取，其他参数根据本构关系公式计算得到。灌注桩、连板采用线弹性模型的梁单元。考虑结构与土层的界面强度及刚度弱化，在结构单元与土层之间设置接触面。

墙体最大水平位移为56 mm，稍大于启明星计算值42.4 mm，但满足环境安全等级三级基坑最大变形值67.9 mm的要求。基坑最大弯矩值小于启明星计算值，按启明星计算结果配筋。

根据计算结果，坑外土体最大沉降值为36 mm，基坑4倍开挖深度处沉降约为10 mm，满足环境等级三级基坑变形保护要求。

4 基坑围护施工

泵站工程基坑围护施工涉及钻孔灌注桩支护结构施工、两轴搅拌桩土体加固施工、三轴搅拌桩止水帷幕施工、围护压顶连梁施工，所采用的工艺均较为成熟，但由于双排桩前后排桩间距较小（仅为2 m），故需考虑钻孔灌注桩和三轴搅拌桩施工的相互影响。先施工三轴搅拌桩再施工钻孔灌注桩，需要保证足够的时间间隔，否则由于三轴搅拌桩扰动钻孔灌注桩附近土体，可能导致成孔出现问题，影响钻孔灌注桩施工质量。先施工钻孔灌注桩再施工三轴搅拌桩，需考虑钻孔灌注桩桩孔回填问题，否则三轴机械无法施工。综合考虑本工程实际情况，采取先施工钻孔灌注桩后施工三轴桩的技术措施，为保证围护桩安全且考虑桩机工效，三轴搅拌桩落后钻孔灌注桩一周时间开始施工。

4.1 钻孔灌注桩施工

根据地层地质特点、桩径和桩深，采用GPS-15型正循环回转钻进成孔、导管法水下灌注混凝土成桩的施工工艺。由于围护桩桩间间距较小，在相邻刚灌注完混凝土的邻桩旁成孔施工时，安全距离不得小于4倍桩径，或时间间隔不应少于36 h。

为保证成孔安全，桩基施工时采用前后排桩M形跳打的方式。考虑围护桩的垂直度对围护结构的强度影响较大，桩的垂直度需要重点控制，钻进过程中应时刻检查钻机工作平台水平度并经常使用铅垂检查钻架垂直度，以保证围护桩成孔垂直度偏差小于1/150。

4.2 三轴止水帷幕施工

本工程选用φ850 mm@600 mm三轴水泥土桩作为止水帷幕。三轴桩入土深度20.3 m，插入坑底以下13.2 m以满足坑内深井降水的要求。三轴水泥搅拌桩施工按跳槽式双孔全套复搅式连接施工，以保证止水效果。三轴水泥搅拌桩的水泥掺量为20%，28 d无侧限抗压强度≥0.8 MPa。桩身垂直度不应大于1/200，桩位偏差不大于50 mm。三轴搅拌桩下沉速度不大于1 m/min，提升速度不大于2 m/min。

5 监测结果分析

本工程基坑土方分3皮开挖，基坑监测结果中的3条折线分别代表每皮土方开挖后基坑监测点的最大变形量（图4、图5）。根据监测数据可知，最大位移发生在桩顶部位，且基坑最大位移发生在CX4点位置，最大变形量为43.6 mm，启明星最大位移计算值为42.4 mm，PLAXIS有限元分析最大位移值为56 mm。实际监测最大位移值稍大于启明星计算值，远小于有限元分析计算值。

图5 基坑监测结果

基坑支护结构设计中，支护结构上土压力的正确估算是设计合理与否的前提条件，虽然已有多种土压力计算模式，但支护结构形式的改变使得实际土压力分布趋于复杂。对于顶部设置冠梁的双排桩支护结构，每排桩上均将受到一定的土压力值，而它们之间的作用关系、应力状态及其量值大小是值得关注的重要问题。

6 结语

背景工程是整个原水输送工程的核心，直接制约整个系统工程能否按时通水，且工程量极大，工期极为紧张。若采用普通单排悬臂桩支护结构，按照本工程基坑开挖深度，需要设置2道混凝土内支撑，2道内支撑施工和拆除需要占用至少45 d工期。采用双排桩支护结构无需设置内支撑，能够节约大量工期，最终保证工程顺利竣工。双排桩支护结构加三轴止水帷幕的组合效果较好，基坑围护变形量可控，止水效果可靠，类似工程可以参考借鉴。