前撑式注浆钢管斜撑体系在基坑工程中的应用分析

郑先元，张 志

（昆山开发区建设工程质量安全监督站，江苏昆山215300）

0 引 言

近年来，随着施工技术的发展，不同结构型式的围护体系不断涌现，且各有其特点和局限性，因而，根据工程的实际情况对围护结构体系进行合理选型优化设计可取得最佳效益。注浆钢管斜撑支撑体系是一种新型的基坑围护结构类型。该技术使用钢构件代替传统钢筋混凝土支撑，更有别于传统抛撑概念与工艺，可广泛适用于挖深12m以内的基坑［1］，该技术在上海某住宅小区项目已得到了成功应用［2］。该支护型式有如下优点：①钢管注浆桩可提供支撑反力，类似于斜抛撑的作用；②可实现直立式开挖，支撑干扰范围小，挖土方便，施工速度快；③钢管注浆桩施工便捷，成本较低；④注浆钢管桩作为斜向内抛支撑不出红线；⑤必要时可考虑二次回收。

由于目前该体系知识产权为某岩土工程公司独立拥有，因此本文主要结合该支撑体系在苏南某地深基坑项目中的具体应用，简要介绍工程有关情况，并从安全性、施工便利性、经济性及工期等多角度比较该体系与传统支撑体系的差别，为工程建设人员提供一种参考视角（实际应用涉及知识产权的有关事宜，请咨询产权拥有者）。

1 工程概况

苏南地区某住宅三期项目由5栋34层超高层住宅、2栋23～26层高层住宅、1栋7层住宅、1栋2～4层办公配套商业、1栋4层幼儿园及一层地下室和二层纯地下车库组成。建筑物采用桩筏基础。地下车库基坑开挖面积约为18000m2，基坑周长约为632.4m，基坑开挖深度5.35～8.15m。

本工程基坑东侧为已建成小区，地下室基坑边线距离用地红线最近距离约6.08m。基坑南侧为已建成小区，基坑边线距离小区约75.6m，基坑边线距离用地红线最近距离约28.98m。基坑西侧为太湖路，围墙即为用地红线，距离基坑边线最近距离约10.22m。基坑北侧是千岛湖路。红线内分布有市政管线，即雨水井，供水管，污水井，距离基坑边线最近距离分别为6.87～14.96m。基坑周边环境如图1所示。

图1 基坑周边环境图

2 工程地质及水文地质条件

根据勘察报告，拟建场地属冲、湖积平原地层组合，场地地势较为平坦。对本工程基坑围护设计、施工影响较大的土层情况如表1所示。拟建场地基坑开挖影响深度范围内以黏性土为主。

表1 基坑影响范围内土层情况

基坑开挖过程中需考虑的地下水类型主要为潜水和微承压水。本场地的潜水主要赋存于浅部的填土层、②层及③层土中；潜水常年平均地下水埋深一般为0.5～0.7m。⑤1-1层和⑥层及粉土、砂层赋存有承压水，此类土层在场地分布不稳定，局部缺失，现场实测得⑤1-1层微承压水头埋深为2.59m（绝对标高-0.29），经验算局部深坑承压水安全系数不满足要求，需减压降水。

3 基坑围护方案的选型比较

基坑支护结构是系统工程，围护结构的设计不仅关系到基坑开挖及周边建（构）筑物的安全，而且直接影响着土方开挖以及地下室结构施工等成本，即要做到受力合理、施工方便、节省工期。

本基坑工程分为一层和二层地下室区域，开挖深度不一，基坑周边环境条件多变。根据基坑特点结合建设开发顺序，基坑围护方案设计思路基本可分为两种。第一种方案，将地下一层区域与地下二层区域分割后独立考虑，先深后浅，地下二层深坑区域采用内支撑模式，地下一层浅坑区域采用重力坝或放坡等支护方式。第二种方案，充分考虑基坑各部位挖深及基坑周边空间条件，采取互不干扰、灵活多变的多种支护方式，从而尽可能规避采用对撑这一对施工影响较大的支护型式。

3.1 可行方案一

第一种方案为地下二层区域采用钻孔灌注桩结合三轴深搅桩止水帷幕+两层钢筋混凝土支撑，地下一层区域采用重力式水泥土挡墙，如图2所示。两层地下室区域方案具体参数如下：围护桩采用φ800@1000钻孔灌注桩，有效桩长18.5m，采用φ850@1200三轴搅拌桩止水，有效桩长15.5m，坑内被动区采用水泥土暗墩加固。立柱桩采用φ800钻孔灌注桩有效桩长20.00m。钢筋混凝土圈梁截面尺寸为1200mm×800mm，钢筋混凝土围檩截面尺寸为1300mm×800mm。采用角撑加对撑形式，第一、二层钢筋混凝土支撑截面尺寸分别为800mm×800mm，900mm×800mm。

3.2 可行方案二

第二种方案为地下一层区域仍采用重力式水泥土挡墙，北侧及南侧地下一层区域可考虑先行卸土至开挖深度，其与地下二层区域之间高差显著减少，采用重力式水泥土挡墙处理；东西两侧纯两层地下室挖深约8.0m，且东侧距离红线较近，需采用支撑方式。方案二采用SMW工法门架+前撑式注浆钢管斜撑的围护形式，如图3所示，方案具体参数如下：

图2 基坑支护方案 1

基坑东西两侧（挖深8.05m）围护结构采用双排SMW工法桩门架，φ850@1200三轴搅拌桩内插700×300H型钢，门架前后排距6.0m/4.0m，有效桩长均为19.2m，前排为型钢隔一插一，后排型钢隔二插一，前后排桩压顶梁截面尺寸分别为1400mm×800mm，1200mm×800mm，通过400mm厚钢筋混凝土面板使前后排围护桩连成整体。支撑结构前撑式注浆钢管桩采用φ377×10mm规格，有效桩长为27m，确保桩端进入坑底以下不少于5m，水平倾角为45°；单根水泥用量不少于6t，最终注浆压力不小于1.5～2.0MPa，注浆完成后钢管内填满20～40mm级配的碎石，并用水泥浆液灌满，水泥强度等级P.O42.5。

图3 基坑支护方案 2 及监测点布置

3.3 方案比选

通过从安全性、施工便利性、经济性及工期等多角度比较上述两种围护方式。

3.3.1 安全性

两种方案都能确保围护结构体系安全可靠。

3.3.2 施工便利性及节材降耗方面

方案一中，灌注桩施工过程中会产生大量泥浆，泥浆需要外运并特殊处置，混凝土支撑系统需要较长时间养护方可进行下一层土方开挖，流水作业较难实现，且内支撑交错纵横严重影响挖土效率。方案二中前撑式注浆钢管支撑的使用可使基坑各边相互独立，支护形式的选择更为灵活，使整体方案大为优化。注浆钢管支撑与围护桩一起施工，基本同步施工完成，后续土方施工可实现坑内大面积土方整体开挖，且其拆撑速度快并可穿插进行。

从绿色施工角度看，方案一灌注桩施工过程中的泥浆如处置不当会产生环境污染，此外，后期必须耗费较长时间和精力进行内部支撑梁的破解拆除工作，同时产生大量的建筑垃圾并需外运处理，钢材仅作为废品处理，材料基本无可回收部分；方案二则没有上述问题，不仅SMW工法桩中H型钢可回收，钢管斜撑亦可部分回收，节材且环保。

3.3.3 造价

造价测算结果详见表2。由测算结果可见，方案二造价比方案一造价节省约100万元（造价节省约6.2%），造价上面略胜一筹。

表2 两种支护方案经济性比较

3.3.4 工期

工期测算结果详见表2。方案一由于内部支撑梁施工及养护周期较长，后续土方开挖作业的难度相对较大，加之后期的支撑梁拆除作业等，工期总体不占优势；而方案二则由于上述施工的便捷性，拆撑作业工作量少，工期优势突出，总工期节省显著，较方案一可缩短工期约45天。

在确保围护结构和施工安全的前提下，工期得到合理压缩，对于降低施工单位的综合成本、加速开发企业的资金回笼进而减少银行贷款利息压力，综合效益巨大。

综合上述因素，经比选，本工程围护体系最终选择方案二。该支护方案已成功实践，方案二中主要围护体系SMW工法门架+前撑式注浆钢管斜撑典型剖面及现场施工实体如图4～图5所示。

图4 前撑式注浆钢管支撑典型剖面图

图5 前撑式注浆钢管支撑

4 基坑围护结构的监测

基坑工程问题具有综合性和复杂性，理论计算结果和实测结果存在一定差异；此外前撑式注浆钢管支护体系为新颖支护技术，在该地区为首次使用。综上为确保工程安全，对基坑实施监测是必需的［3］。监测点布置如图3所示。本文以基坑西侧中部最具有代表性的W53沉降位移监测点和CX13深层位移监测点为例进行解读，监测结果如图6～图8所示。具体分析如下：施工工况为，2017年11月2日C8号楼（紧邻上述两监测点）开始开挖，11月26～27日C8号楼南北两侧地库相继开始挖土，12月10日垫层相继施工，12月25日地库及C8号楼底板相继完成。施工期间，最大沉降变形速率出现在12月6日，如图6、图7所示，沉降速率为6.21mm/d，水平变形速率为2.8mm/d，沉降速率超过4mm/d，但持续时间仅为1d，未触及报警线；12月25日以后基坑变形即已稳定，累计沉降量15.6mm，坑顶水平位移累计值为28.54mm，均小于报警值30mm。基坑施工工况与图6～图7监测结果吻合度很高，即在大面积开挖至坑底时变形速率达到峰值，后由于支护体系发挥作用，变形速率显著变小，但变形持续发展，直至底板及底板换撑构件施工完成，变形趋于稳定，累计变形达到峰值，所以基坑开挖至设计标高为基坑工程高风险工况之一，此时应做好统筹协调，及时封闭底板。

图6 W 53 地面沉降变形观测结果曲线图

图7 W53 地表水平位移观测结果曲线图

根据CX13深层位移监测结果，如图8所示，基坑开挖到设计标高时（2017年12月中下旬）累计最大水平位移值为14.74mm，测点深度为4m，小于报警值30mm。但由于本案处于厚软土地层，淤泥质土具有蠕变特性，如图8中2018年以后监测数据显示深层位移并未收敛，因此在基坑开挖至设计标高后支撑点以下深层水平变形仍会继续发展，应引起重视。

图8 CX13 深层水平位移观测结果曲线图

5 结 论

本工程施工过程中各监测指标均在设计控制范围内，未出现险情，实践证明SMW工法门架+前撑式注浆钢管支撑应用于本工程是成功的。从本工程的实践可得出以下几点结论。

1）建设工程为一系统工程，建设开发的顺序对支护方案的选型有重大影响，统筹考虑，多角度多方案的优化比选有利于提高工程经济效益、社会效益。

2）前撑式注浆钢管支撑体系较常规内撑方案在节约工程造价、节省工期、施工便捷性方面有明显的优势。此项技术为专利技术，后续如大规模推广运用相信会有一定的议价空间，节约工程造价方面优势会更明显。

3）基坑挖土的顺序和方法对支护结构稳定和安全有重要影响。必须根据设计工况及实际情况完善施工方案并切实落实，如有变化应及时进行相应调整。

4）信息化施工是地下工程重要一环，基坑工程的复杂性和理论依据的经验性决定了监测是必须的，这是修正设计、指导施工、确保基坑工程安全与稳定的关键措施之一。基坑工程更好的开展离不开理论计算结果的指导，同时，实际监测数据能够验证设计方案的合理性，也可作为对理论设计的结果补充。

5）淤泥、淤泥质软土具有蠕变特性，底板完成后深层水平位移仍会继续发展，应引起重视注意监测，具备条件后尽快完成坑壁回填。