SMW双排桩基坑支护设计及应用

陈 达

（广东省建科建筑设计院有限公司 广州510010）

0 引言

随着城市发展的进程，现代工程中的深基坑开挖深度越来越深，周边环境越来越复杂，需要处理的地质条件也越来越困难，对工程施工中基坑支护的要求也就越来越高。双排桩支护结构是20 世纪90 年代前后出现的一种刚性结构，因其横向刚度大，施工作业面小，在处理基坑周边环境及软弱土所带来的侧向位移控制问题上具有很大的优势。同时SMW 工法桩的侧向刚度相对较小，而SMW 工法桩集合止水和结构支护的作用，在软弱地层或透水土层的基坑支护中得到了广泛应用。结合SMW 工法桩和双排桩支护两者各自优点的组合进行支护设计，是一个值得研究及应用的方向。目前国内学者对双排桩支护已有大量的研究及应用，周裕利等人［1］通过对实际工程中双排桩结构的应用进行了算例分析，论证了双排桩对于基坑位移的有效控制；朱庆科［2］在考虑冠梁平面外实际刚度下，提出了双排桩支护结构的理论计算方法，并且通过三维数值模拟研究了双排桩支护结构在空间效应下的受力和变形特性；荣玲［3］通过采用室内模型试验，探究了不等长双排桩支护结构的受力特性及布置合理性；周燕锋［4］在某项目上创新应用长短SMW 桩+预应力扩孔锚索的支护方案，通过SMW 长桩与短桩之间的协调作用，实现了基坑支护的安全性与经济性的统一。但在目前的相应规范和法规当中，双排桩支护结构的设计方法尚未完全成熟，而在实际应用当中已有相当案例，同时也有一些SMW 工法与双排桩结合的应用实例［5-7］。本文从一个SMW 双排桩基坑支护实际工程中探讨关于SMW 双排桩支护设计和应用中需要考虑的问题。

1 工程应用实例及设计探讨

1.1 工程概况

广州某酒店群项目场地位于广州市花都区花城街，项目地下室为1 层，基坑总面积约为1.12 万m2，支护周长约为527 m，开挖深度约为4.50～6.76 m。

基坑南侧和北侧场地空间较小，项目南侧与另一待建工程直接相邻，北侧与正在新建的规划道路相邻，并且需要保留车辆行驶路线，项目对场地空间的使用要求较高。基坑平面如图1所示。

图1 基坑支护平面Fig.1 The Plan of Foundation Pit Support

新建规划道路靠近基坑边存在同步施工的给水管，给水管的存在对基坑北侧支护变形控制提出较高要求。同时经钻探揭露，本工程地基土揭示为人工填土、耕植土、冲洪积层粉质粘土、细砂、中砂、粗砂等，残积层粉质粘土，下伏基岩为石炭系灰岩、炭质灰岩、炭质泥岩、构造角砾灰岩、硅化灰岩。特别是基坑支护深度范围内粗砂层较厚，土层如图2 所示。粗砂土层按《建筑基坑支护技术规程:JGJ 120-2012》要求进行水土分算，基坑支护承受的主动土压力较大，同时深厚透水土层的存在对基坑支护工程的止水效果提出较高的要求。

1.2 设计方案

本基坑支护工程北侧采用SMW 双排桩支护型式，东、西侧采用放坡挂网喷混凝土支护型式，南侧采用灌注排桩支护型式。受邻近道路管线与深厚透水土层地质条件的影响，基坑北部区域采用单排桩支护无法满足基坑变形和内力的要求，同时锚索施工对工期的影响较大，本基坑工程北侧区域对控制支护位移及支护施工工期有高要求，同时基坑深度不大，因此双排桩支护是本基坑工程北侧区域合适的支护型式选择。同时考虑本基坑支护工程基坑深度范围内存在深厚透水土层，为确保基坑支护工程的止水效果，止水桩宜采用大直径三轴搅拌桩。因此结合大直径止水桩与双排桩支护结构采用SMW 双排桩支护是较为经济及适用的支护型式，支护示意如图2所示。

SMW双排桩采用直径850 mm的三轴搅拌桩，搅拌桩间距为600 mm，搅拌桩内插型钢HW700×300，型钢采用插一跳一的布置方式，型钢中心间距为1.2 m；前后排桩中心距为4.2 m，前后排桩顶部采用1.2 m×0.6 m的冠梁，型钢顶高出冠梁顶500 mm，方便后期基坑支护工程竣工后拔出型钢，并对型钢进行回收重复利用。

图2 基坑支护剖面示意图Fig.2 The Profile of Foundation Pit Support

为有效控制SMW 双排桩支护的位移，增强SMW双排桩桩顶的水平刚度，前后桩顶冠梁间的连系构件采用0.6 m 厚的混凝土盖板。SMW 双排桩桩顶冠梁间连接大样如图3所示。

图3 冠梁配筋俯视及剖面Fig.3 The Top View and Profile of Crown Beam Reinforcement

1.3 SMW双排桩支护设计探讨

SMW 双排桩支护设计应用实例已有较多，但仍未形成一套成熟的设计指导方法。以本基坑设计工程为例，对SMW双排桩支护设计方法进行探讨。

⑴SMW 双排桩前后桩顶宜选择较大水平刚度的连接方式。当基坑周边环境对地下水位变化较为敏感，搅拌桩桩身范围内大部分为砂（粉）性土等透水性较强的土层时，若型钢水泥土搅拌桩变形较大，搅拌桩桩身易产生裂缝、造成渗漏，后果较为严重。文献［3］研究了双排桩桩土间对双排桩整体刚度的影响，提出桩间土体土质条件差、强度低，双排桩“门式框架结构”整体刚度大的优势将大为减弱的结论。而在软弱土层中采用SMW 双排桩，桩间土强度低，双排桩整体刚度取决于前后桩顶冠梁之间的连接方式。因此，前后桩顶冠梁之间宜采用盖板连接提高SMW双排桩桩顶水平刚度，可有效减小SMW 双排桩桩顶变形位移。同时控制型钢变形量，也有利于基坑支护工程完成后型钢的回收，型钢得以重新利用。

⑵采用受弯刚度等效的方法，将SMW 工法双排桩直径等效成混凝土双排桩直径进行设计。以本工程实例为例，为方便软件计算，将HW700×300 型钢等刚度折算为圆形混凝土桩，等效刚度公式如式⑴所示。

Ec×π D4/64=EsIx⑴

其中，型钢弹性模量Es=2.06×105N/mm2，截面惯性矩Ix=1.735 45×109mm4；C30混凝土弹性模量Ec=3.0×104N/mm2，混凝土等效直径为D。按照抗弯刚度相等原则，计算得：D=700 mm。

采用等效混凝土双排桩直径在软件中根据现有规范对双排桩进行内力计算，可得前后排桩的弯矩如图4所示，根据文献［8］等可知前、后排桩弯矩不等，前排桩弯矩比后排桩弯矩大。因此后排桩可适当选取比前排型钢桩抗弯刚度小的型钢。

图4 前后排桩弯矩Fig.4 The Bending Moment of the Front and Rear Pile

⑶深厚软弱地层或深厚透水土层的基坑支护设计需要重点考虑基坑的变形及止水问题。其中，在软弱地层应用SMW 双排桩应优先重点考虑基坑变形问题，SMW 双排桩可通过采用加密型钢间距、增大型钢尺寸或加强前后排桩桩间盖板等方式来增加支护型式的刚度，从而控制基坑的变形问题；在深度透水层应用SMW双排桩应优先重点考虑基坑止水效果问题，SMW 双排桩可通过采用不同直径的搅拌桩来适应因基坑深度增加导致的基坑止水难度，也可以在满足刚度及强度要求下，不改变内插型钢的长度及尺寸，仅通过增加搅拌桩的长度来满足基坑止水的要求。

⑷深厚软弱地层或深厚透水土层采用SMW 双排桩支护，该类地质条件下支护的抗倾覆稳定性和整体稳定性为支护设计桩长的决定性因素，也是在该类地质条件下支护设计需要重点考虑设计安全度的部分。根据文献［3，9］可知，适当增加后排桩桩长，可以有效增加支护结构的整体稳定性安全度；而适当增加前排桩桩长，可以有效增加支护结构的抗倾覆稳定性。因此对于软弱地层或深厚透水土层采用SMW 双排桩支护，在类似淤泥之类的软弱地层中，支护整体稳定性为支护的首要控制因素，软弱地层双排桩宜适当增加后排桩桩长提高支护整体稳定性；而在类似砂（粉）性土等的深厚透水土层中，支护后排桩承受的主动土压力相对前排桩承受的被动土动力大得多，深厚透水土层中双排桩宜适当增加前排桩桩长，以提高支护抗倾覆稳定性。

⑸支护设计的水平计算位移与实际的监测水平位移数值对比。由图5、图6可知，支护设计的水平计算位移最大值出现在桩顶处，最大值约为12.3 mm，最大值位移的方向为向基坑内；而实际的支护监测水平位移最大值仅为0.8 mm。可以推断的是SMW 双排桩支护的水平刚度较大，双排桩间盖板提供的水平刚度比设计计算考虑的支护水平刚度（1.37 MN/m）要大得多。

图5 前后桩计算水平位移Fig.5 The Calculation of Horizontal Displacement of the Front and Rear Pile

图6 监测数据成果Fig.6 The Results of Monitoring Data

⑹SMW 双排桩支护型式的特点决定了其在基坑支护应用上的优势及限制。经济性和环保节能方面，H 型钢在地下室施工完成后可以回收利用，避免遗留在地下形成永久障碍物，是一种绿色工法，同时也能降低工程造价。支护刚度调整方面，H 型钢可以通过跳插、密插等方式调整支护整体刚度，可适应基坑局部区域刚度变化的要求。对周边环境影响及要求方面，SMW 双排桩无须开槽或钻孔，减少对邻近土体的扰动，降低对邻近地面、道路、建筑物、地下设施的危害，同时其前后桩间盖板的上部也能考虑施工车辆的通行，可增加工程场地的施工操作空间。基坑工程工期方面，SMW 双排桩与地下连续墙、灌注排桩等支护型式相比，工艺简单、成桩速度快，工期可大大缩短。土层适用性方面，SMW 双排桩支护可适用于软土、黏土和较密实的砂性土等，但对于卵石、强风化岩层等地层则很难施工SMW 双排桩。基坑深度和变形控制方面，SMW 双排桩支护型式相对于单桩SMW 支护型式的刚度要大，但相对于灌注双排桩支护型式、地下连续墙支护型式的刚度仍较小，在基坑深度超过15 m 或周边环境要求控制位移较严时，SMW 双排桩支护型式已不适用或需要采取其它增强支护刚度的措施。

2 结论及建议

本文通过SMW 双排桩基坑支护在实际工程中的应用，探讨了关于该支护型式设计中一些需要考虑的问题，得到如下结论及建议：

⑴根据该SMW双排桩基坑支护实际工程的监测报告，本项目SMW双排桩基坑支护区域最大正向水平位移为0.8 mm，基坑支护水平位移得到有效的控制。

⑵在场地空间及工期限制的情况下，在深厚软弱地层或深厚透水土层中基坑支护可优先采用SMW双排桩支护型式，且双排桩前后桩顶宜采用水平刚度较大的盖板连接。

⑶SMW 双排桩可按照抗弯刚度相等原则，采用等效混凝土桩径的方法进行设计。双排桩前后排桩弯矩不等，前排桩弯矩比后排桩弯矩大。因此后排桩可适当选取比前排型钢桩抗弯刚度小的型钢。

⑷深厚软弱地层或深厚透水土层采用SMW 双排桩支护，软弱地层中双排桩支护宜适当增加后排桩桩长提高支护整体稳定性，深厚透水土层中双排桩支护宜适当增加前排桩桩长提高支护抗倾覆稳定性。