双排桩加斜撑支护基坑开挖的优化与实践

高小平，刘金龙

（1.安徽省城建基础工程有限公司，安徽 合肥230001；2.合肥学院城市建设与交通学院，安徽 合肥230601）

随着地下空间施工技术的快速发展，基坑的开挖深度与面积越来越大，特别是城市基坑周边环境复杂，既有建（构）筑物与基坑边缘较近，基坑支护的设计与施工面临较大的安全技术挑战[1，2]。

当基坑平面面积较大时，常用的内支撑体系往往因造价过高、影响施工空间而不作为首选使用。双排桩因具有侧移刚度大、不影响基坑开挖、工艺简单等优点，逐渐在基坑支护中得到应用[3-6]。若基坑条件复杂，双排桩还可与斜撑联合使用。

文章结合合肥市某基坑工程，对双排桩加斜撑的支护基坑方案进行了描述，基于施工困难提出了优化设计方案，达到了安全施工的目的，为类似工程建设提供相关经验。

1 工程概况

合肥市某基坑围护面积约22000 m2，开挖深度约14.0～18.9m。基坑工程周边环境复杂，北侧为高层住宅距离基坑最近20m；西侧北部为采用条形基础的砖混结构，距离基坑最近处仅3 m；西侧中部为9层框架结构建筑，距离基坑最近约11 m；西侧南部为2～4层砖混结构，距离基坑最近处仅3 m；南侧与东侧为城市主干道。基坑安全等级为一级。

该场地内地基土自上而下分布为：

①层杂填土，上部为矿渣、碎砖、碎石建筑垃圾，下部以褐色粘性土为主，层厚0.60～4.00m。实测标贯击数为2～13击，平均击数为7.5击。

②层粘土，褐、褐黄色，硬塑，含少量氧化铁、高岭土及铁锰结核，个别孔上部有粉质粘土薄层，断面光滑且有油脂光泽,无摇振反应,干强度高,韧性高。该层场地普遍分布，层厚3.60～12.0m。

③层全风化泥质砂岩，棕红色，局部青灰色，含石英、云母，泥质胶结，胶结较差，原岩已全部风化成泥状，手可捏碎，失水易开裂，浸水易软化，钻进进尺快。该层场地普遍分布，层厚0.60～3.80m。

④层强风化泥质砂岩，棕红色，碎块～柱状，含石英、云母，局部含钙质结核，泥质胶结，夹中风化砂质泥岩、泥质砂岩碎块，失水易开裂，浸水易软化。该层层厚0.70～4.00m。

⑤层中风化泥质砂岩，棕红色，短柱状为主，少量碎块、长柱状，含石英、云母，泥质胶结，胶结较好，局部夹青灰色砂岩、棕红色泥质砂岩薄层，裂隙较发育，裂隙面浸染铁氧化物，敲击易断，失水易开裂，浸水易软化，取芯率60～85%。极软岩，较破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级。该层部分钻孔未钻穿，揭露最大层厚16.90m。

由于基坑西侧南部周边环境复杂且开挖深度较大，对变形要求较高，该段采用φ1000@1800旋挖灌注双排桩+预留土坡+两道钢管斜撑的支护方式，如图1所示。双排桩间距3.3 m，支护桩混凝土等级为C30；竖向钢管斜撑采用φ609×16，间距7.2 m，斜撑钢材采用Q345级钢。预留土坡坡顶宽5m、坡底11.3m，过渡平台宽1m。

该段支护的施工顺序：双排桩早已施工完成，基坑逐渐下挖，开挖至预留土坡位置，喷混凝土护坡。先浇筑基坑中部已开挖至底的部分筏板基础，在筏板基础及第一道腰梁的牛腿之间架设第一道钢支撑斜撑，然后开挖第一级预留土坡，再在筏板基础及第二道腰梁的牛腿之间架设第二道钢支撑斜撑，然后开挖第二级预留土坡，浇筑基坑周边筏板基础，后续再进行主体结构施工。

图1 基坑西侧南部原始设计方案

2 支护的优化设计

施工过程中，严格按照设计图纸进行各项基坑开挖施工步骤。图2是基坑西侧南部按原始设计方案架设第一道钢支撑斜撑后的实景图。

图2 第一道斜撑施工后实景图

后续施工中发现存在下列问题。

2.1 预留土坡自身不稳定

预留土坡多处出现裂缝，并多次局部滑塌，其自身稳定性较差，原因如下。

①坡度过陡

预留边坡的第一级边坡属于硬塑粘性土层，根据《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013）第14.2.1条，在坡高小于5m的情况下的其坡率允许值为1∶1.00～1∶1.25；第二级边坡在中风化岩层中，根据规范第14.2.2条，在坡高小于8m的情况下的坡率允许值为1∶0.5～1∶0.75。而设计资料中该预留平台的坡率为1:0.5，坡度比规范要求更陡，导致预留土坡的稳定性难以得到有效保障。

②土体遇水强度急剧降低

由于预留平台的位置正好处于全、强风化层段，该层土的物理性质非常特殊，遇水、遇风极易失稳，遇水后强度急剧降低，粘聚力与内摩擦角减小。通常，干燥状态下砂岩的抗压强度为7.14～30.53 MPa，而饱和状态下砂岩的抗压强度降低为1.35～18.21MPa，软化系数0.12～0.80[7]。

本基坑工程底部的全风化、强风化、中风化泥质砂岩，胶结物多为钙质、泥质或铁质，浸水时间较长后手捏易碎，甚至自行崩解。而在施工期间内不可避免的遇到雨水天气，虽然积极抽水且边坡喷混凝土护面保护，但仍有部分雨水渗入土层内部，甚至某一段时间内土体被水浸泡，导致土体强度大大减小，诱发预留土坡失稳。

2.2 施工空间有限，难以架设第二道斜撑

根据设计要求，设置第二道斜撑的腰梁位于第一道斜撑的腰梁以下4m。安装第二道斜撑时的预留土坡高度为4m、水平宽度小于6m，挖土机难以进入该狭窄空间开展挖土工作，如图3所示。

图3 第一道斜撑下方施工空间局限性示意图

若要保证挖土机的正常作业空间，只有第二次开挖的预留土在离桩边4m范围内需向下挖6m，在离桩边4m以外部分需再向下挖1m，才能保证挖机的正常工作。而该工况设计中并未考虑。

若要严格执行原设计要求，只能先挖出一个60型小挖机所能正常工作的最小工作面，让小挖机进入内部翻土。经估算：小挖机尺寸及工作时最小回转半径约为3530，需在原来竖向高度4m的基础上多挖约2m，使得竖向高度保持在6m左右，水平宽度将能够达到10m左右，才可保证小挖机的正常翻土。但仍存在施工空间有限、挖机可能触碰第一道斜撑的危险性。

图4 优化后的支护方案

鉴于设置两道斜撑导致施工困难，经与设计方沟通，把原有的双排桩+预留土坡+两道钢管斜撑的支护方式优化变更为：双排桩+预留土坡+一道钢管斜撑+一道锚杆，如图4所示。

3 优化前后对比分析

现基于有限元方法对比分析原始设计与优化变更后的基坑变形特征。根据地勘报告，从上至下各土层可分为杂填土、硬塑性黏土、全风化砂岩、强风化砂岩、中风化砂岩，采用小应变土体硬化（HS-Small）本构模型对各土层进行模拟，主要计算参数见下表。

土体计算参数

围护桩按照抗弯刚度相等原则等效为地下连续墙，采用板单元进行模拟，钢支撑采用锚杆单元进行模拟。采用15节点的三角形单元进行网格剖分，如图5所示。模型底部两个方向均约束，为固定边界条件；侧面水平方向约束，竖向自由无约束。

图5 有限元计算模型

计算得到了基坑开挖至底部后土体的变形趋势，如图6所示。基坑围护桩的水平位移如图7所示。可见，采用两道斜撑的设计方案时，基坑的水平位移更小，最大水平位移发生在距地面5m的深度处；变更设计采用一道斜撑+一道锚杆后，基坑的水平位移相对变大，最大水平位移发生在距地面11m的深度处，最大水平位移为29.1mm，小于设计要求的30mm。

进一步得到了变更前后的基坑潜在滑裂面位置，如图8所示。可见，变更前后的潜在滑裂面位置基本相同，均为透过双排桩底部的近似圆弧形滑裂面。两者的安全系数基本相等，安全系数大于2.0，说明：

图6 基坑开挖至底后维护桩的变形趋势

图7 基坑围护桩水平位移分布

①双排桩结构强度较高，具有较大的抗滑承载力，滑裂面难以横穿双排桩桩身(桩身被剪切破坏)，滑裂面只能从双排桩底部穿过；

②双排桩维护结构具有较大的抗滑稳定性，基坑的稳定性自动能够满足，基坑由变形控制。

实际施工按照变更优化后的方案（图4）开展，基坑开挖至底后的现场图如图9所示。监控量测各项指标均在规范允许范围内，说明优化方案是合理可靠的。该基坑工程已安全竣工，后续主体工程也已安全完成施工。

可见，原设计中“双排桩+两道钢管斜撑”的支护方式是偏保守的，造成施工空间有限难以实施；而优化后“双排桩+一道钢管斜撑+一道锚杆”的支护方案是安全可靠的，且兼顾了施工的方便性与可行性。该案例可为类似工程提供经验参考。

图8 基坑开挖至底潜在滑裂面位置

4 结语

本文以合肥市某基坑工程为例，介绍了双排桩支护设计的优化过程。原设计中“双排桩+两道钢管斜撑”的支护方式是偏保守的，造成施工空间有限难以实施；而优化后“双排桩+一道钢管斜撑+一道锚杆”的支护方案是安全可靠的，且兼顾了施工的方便性与可行性。变更前后的潜在滑裂面位置基本相同，均为透过双排桩底部的近似圆弧形滑裂面，两者的安全系数基本相等，基坑由变形控制。变更后的基坑水平位移相对增大，但仍在规范允许范围内，后续施工表明该变更方案是合理可靠的。

图9 根据优化方案基坑开挖至底实景图