排桩内支撑复合支护体系在深大基坑中的应用

刘玉华

中煤地质集团有限公司，上海 200000

深大基坑支护体系由单一支护方式转换为复合支护体系，在复合支护体系设计过程中，基坑的安全性及造价的经济性尤为重要，在保证基坑开挖安全的基础上，需提高施工效率及工程造价的经济性。文章以苏南某地区某深基坑的复合支护体系的设计分析与施工为例，探讨了排桩内支撑复合支护体系在工程中的应用。

1 拟建工程概况

拟建工程由主楼（25F）、裙房（5F）及纯地下车库组成，整体设三层地下室。建筑设计相对于黄海标高5.5m，现状地面黄海标高约5.1m。纯地库开挖深度约15.9m（基础垫层底建筑标高为-16.3m），主楼部位开挖深度约16.9m（基础垫层底建筑标高为-17.3m）。

该项目基坑开挖面积约12000m2，周长约470m。基坑开挖底标高及挖深如表1所示。

表1 基坑开挖深度及标高一览表 单位：m

拟建工程场地北侧为一期已建地库及内部道路，南侧为一期已建建筑，东侧为消防通道，西侧为一期已建建筑，东北角为既有办公建筑。需要保护的对象主要为道路管线及周边相邻的建筑物，如图1所示。

图1 基坑周边环境图

2 基坑周边荷载条件

根据基坑周边环境条件，结合土方车辆、商品混凝土罐车、装载机和反铲挖机等常用机械的等效荷载，以及钢筋、砂、碎石等建筑材料堆放的等效荷载并考虑消防车荷载，综合考虑确定西侧、北侧和东侧外侧荷载条件均为20kPa满布均布超载+15kPa局部均布超载，基坑南侧荷载条件为20kPa满布均布超载+10kPa局部均布超载。

3 地质条件

3.1 场地地形地貌

拟建场地整体地势平坦，局部略有起伏。

3.2 工程地质

3.3 水文地质概况

场地地下水类型为上层滞水和承压水。上层滞水主要埋藏于①层填土中，该含水层水位在不同时段是有变化的，由大气降水、生活、生产用水等补给，以蒸发、渗流等方式排泄。

岩土勘察期间（2019年9—10月）测得该层水位埋深为地下0.8～1.8m，平均标高约3.8m，水位及水量随季节变化，变化幅度约1.0m。

由土质条件结合地区经验，①层填土渗透系数可取1.0m/d。第Ⅰ承压水Ⅰa（④1、⑤1、⑤2层土）勘察期间实测水位标高为2.7m，近3～5年最高为3.0m，最低为-2.0m，年平均主要补给来源为长江、滆湖、上层滞水越流，以人工排泄为主，渗透系数为0.7m/d。Ⅰb1（⑥4a层土）勘察期间实测水位标高为-0.66m，与长江水、Ⅰa承压水呈补、径、排关系，渗透系数为0.4m/d。Ⅰb2（⑧1层土）勘察期间实测水位标高为-0.74m，渗透系数为0.5m/d。

3.4 工程地质参数

综合考虑该基坑的周边环境和地质条件的复杂程度、基坑深度等因素，确定该基坑支护结构的安全等级为一级，基坑重要性系数γ0为1.1。

将朗肯土压力计算理论作为土侧向压力设计计算的依据，则主动土压力系数ka的计算公式如下：

式中：φ为内摩擦角，°。

深圳港水上“巴士”航线的经济性由上述3个指标构成的成本价值量来决定，通过与其他路径经济性的比较，分析深圳港水上“巴士”的优劣势.

被动土压力系数kp的计算公式如下：

各工程地质支护设计参数如表2所示。

表2 基坑支护设计参数一览表

4 基坑支护设计方案

4.1 该基坑工程的特点及难点

（1）周边环境及场地地质条件复杂。基坑开挖深度影响范围内的土层由上及下主要为①层杂填土、③1层粉质黏土、④1层黏质粉土夹粉质黏土、⑤1层砂质粉土、⑤2层砂质粉土、⑥2层粉质黏土、⑥3层黏土、⑥4层粉质黏土。其中①层杂填土工程性质差，开挖后自稳性差，易坍塌。④1层黏质粉土夹粉质黏土为软塑～可塑。⑤1层黏质粉土、⑤2层砂质粉土富含地下水，透水性较大，极易造成流砂管涌等不良地质现象。基坑周边环境复杂，道路管线众多，距离周边建构筑物较近，基坑开挖卸荷后，破坏原有地应力平衡，极易造成基坑侧壁及周边地表变形过大，从而危及周边建构筑物及道路的安全和正常使用。

（2）基坑开挖面积大、深度深、阳角多，时空效应显著。该工程基坑开挖面积约12000m2，基坑开挖深度约15.9～16.9m，属深大基坑，基坑开挖施工周期长。深基坑工程实施过程中受到基坑开挖、施工动载及大气降雨等许多不确定因素的影响，基坑时空效应显著。另外，该工程基坑平面阳角多，尤其是基坑西侧连续大、小阳角，其受力不利于基坑支护。

（3）深厚粉土层，止降水难度高。该工程地表以下5～19m为深厚粉土层，透水性较大，地下室施工期间长期大面积降水，易造成周边地表大面积下沉。基坑底部为砂质粉土（基坑开挖后仅剩约2m厚），降水漏斗影响范围小，尤其是主楼部位的坑中坑，底部砂质粉土基本挖穿。侧壁为软～可塑状粉质黏土及砂质粉土，易产生蠕变从而导致滑动变形和管涌失稳。因此，地下水的控制须综合考虑安全、工期、造价等因素，地下水的控制措施是该工程的关键点。

4.2 该基坑工程总体方案选型

根据类似基坑工程的设计、施工经验和技术水平，适用于该基坑工程的总体方案有顺作法和逆作法两种。

（1）顺作法。顺作法是基坑工程的传统开挖施工方法，施工工艺成熟，支护结构体系与主体结构相对独立，相比逆作法，其设计、施工均比较便捷。由于传统工艺对施工单位的管理和技术水平的要求相对较低，施工单位的选择面较广。另外，顺作法相对于逆作法而言，其基坑支护结构的设计与主体设计关联性较低，受主体设计进度的制约小。目前绝大部分基坑均采用此种围护方式。但是，随着城市用地不断紧缩、施工场地的局促以及开挖深度的不断增加等情况的出现，顺作法明显体现出其不足和问题：①对于深、大、复杂基坑，需设置和拆除大量的临时支撑；②支撑体系拆除时围护墙会发生二次变形，拆撑爆破及拆撑后废弃的混凝土碎块会对环境产生不利影响；③对于三层及三层以上地下室结构的深基坑，采用顺作法进行地下结构施工的工期较长；④在一些繁华区域，几乎用足地下红线，施工场地狭小，不利于施工的开展。

（2）逆作法。逆作法和顺作法施工顺序相反，在支护结构、工程桩及竖向支承柱完成后，直接施工地下结构的顶板或者开挖一定深度后再进行地下结构顶板的施工，再依次逐层向下进行各层的挖土，并交错逐层进行各层楼板的施工。逆作法采用支护结构与主体结构相结合，其主要优点如下：一是楼板刚度大于常规顺作法的临时支撑，基坑开挖的安全度得到提高，且一般而言基坑的变形较小，因而对基坑周边环境的影响较小；二是可实现地上地下结构同时施工，因此可缩短工程的总工期，地面楼板施工完成后，可为施工提供作业空间，因此可解决施工场地狭小的问题；三是采用支护结构与主体结构相结合，可以节省常规顺作法中大量临时支撑的设置和拆除，有利于降低能耗、节约资源。当然，逆作法也存在不足，主要表现在以下五个方面：①逆作法为国内一种比较新型的工法，技术难度相对较高，对施工单位的管理、协调、技术水平及该方面施工经验的要求比较高，因此业主对施工单位的选择面较小；②逆作法是主体结构与支护结构全面结合的一种设计方法，基坑支护设计与主体结构设计的关联度极高，因此对主体结构设计提出的要求也很高，基坑支护设计进度受主体结构设计进度制约的程度较高；③由于逆作法大量挖土是在梁板结构封闭后的空间内进行，并且基坑中还分布一定数量的竖向支承立柱及降水用井点管，使挖土难度增大，挖土效率远较顺作法施工挖土效率低；④基于超高层塔楼竖向承重结构的重要性，一般不适合采用逆作法，这是因为根据逆作法自身工艺特点，地下部分的主体承重结构待基础底板完成之后往上顺作施工，在地下各层水平结构位置均有施工缝，而且梁底下剪力墙、柱混凝土浇筑的密实性不及顺作法的常规施工工艺；⑤地下连续墙作为主体结构墙体，墙体接头易渗漏，根据周边地区相关经验，逆作法一般适用于三层及三层以上地下室、基坑开挖面积达20000m2以上、周边紧邻地铁、隧道、历史建筑、重要的自来水总管和煤气总管等需要重点保护的对象。该工程基坑开挖面积约12000m2，设置三层地下室，且基坑周边无轨道交通等重要的建构筑物需要保护，因此不适用于逆作法支护。

遵循“安全、经济、便于施工”的原则，结合类似项目工程经验，该工程适合使用设计理论成熟、施工经验丰富且经济性较好的顺作法支护方案。

4.3 基坑支护体系选型

根据相关经验及工程地质参数，遵循“安全可靠、技术先进、经济合理、方便施工”的原则，综合考虑该基坑工程地质条件、周边环境条件及基坑开挖深度、面积等因素，在对各种围护结构进行比较分析的基础上，该工程支护方案拟选择排桩+内支撑结构；止水方案拟选择双层止水帷幕，降水方案采用管井+轻型井点+盲沟。

（1）围护体系选型。适合此类开挖深度的围护结构有钻孔灌注桩排桩或地下连续墙。①钻孔灌注排桩：钻孔灌注桩的优点是工艺成熟、质量可靠、施工速度快且造价经济，缺点是与地下连续墙相比，其抗弯刚度和整体性相对较弱，当基坑开挖深度较深、周边环境要求严格时，其变形较地下连续墙大，对周边环境保护不利。②地下连续墙：对于开挖深度较深的淤泥质软土地区的深基坑工程，地下连续墙被认为是最佳的挡土结构之一。地下连续墙具有刚度大、整体性好、有利于保护周边环境的优点，但其造价、施工难度要高于钻孔灌注桩且墙体接头易渗漏。根据该工程的实际条件、周边环境情况、开挖深度及土层性质，采用钻孔灌注桩排桩作为围护结构体，能够保证安全且兼顾经济，故采用钻孔灌注桩排桩，桩径为1400mm，并在基坑阳角处设计补强排桩。

（2）水平支撑体系选型。从基坑开挖深度及换撑的角度考虑，可采用2道或3道内支撑。从节省工期、方便施工的角度考虑，拟采用2道内支撑，同时增大灌注桩直径以控制变形，减轻对周边环境的影响。2道内支撑比3道内支撑节约工期约90～100d，同时支护造价上亦有所节省。由于该工程基坑开挖深度较深，为了保证工程安全，该工程拟采用2道钢筋混凝土内支撑，平面布置采用角撑+对撑的形式；主支撑截面尺寸为800mm×900mm及1000mm×900mm；支撑下立柱桩采用灌注桩内插钢格构柱；灌注桩桩径为900mm，钢格构柱型号为4L180mm×18mm型；格构柱插入灌注桩深度3m以上。

（3）止水帷幕选型。该工程坑底以下存在约2～3m厚的粉土层，止水帷幕压力较大，若止水帷幕失效造成流土流砂，后果不堪设想。鉴于该工程止水的重要性，该工程采取三轴深搅拌桩（Ф850@1200mm）+围护桩间高压旋喷（Ф700@1200mm）两道止水帷幕，亦可减小坑内长期大面积降水对周边环境的影响，坑内钻孔桩间采用挂网喷浆，防止桩间土流失。该工程东半部坑底以下存在⑥4a砂质粉土层，该层存在承压水，可能会导致坑底突涌，需加深止水帷幕形成闭合式止水帷幕，可减少坑内长期大面积降水对周边环境的影响。

（4）降水方案选型。该工程降水方案选择管井+轻型井点+盲沟降水；在基坑底部设置40口管井；坑中坑部位设置14套轻型井点降水系统。坑内降水本着按需降水的原则，严禁过量降水。在基坑外沿布置回灌井，在周边地面沉降没有异常的情况下，兼做监测井。当周边地面沉降异常时，回灌井能够及时回灌地下水，减少地面沉降。

5 基坑施工顺序

（1）平整场地→灌注桩施工→深搅桩→高压旋喷桩、立柱桩及管井施工。

（2）基坑开挖至第一层支撑圈梁底→施工第一层圈梁、支撑、栈桥梁、刚架梁、栈桥板、拉结板→基坑分层开挖至第二层支撑围檩底标高→施工第二层支撑及围檩→基坑开挖至设计标高→浇筑混凝土垫层至支护桩边。

（3）主体结构施工至负三层顶板→拆除第二层混凝土支撑→主体结构施工至负二层顶板→拆除第一层混凝土支撑。

6 基坑开挖过程监测

基坑开挖及地下结构施工期间沉降观测及外围建筑变形观测结果显示，监测点的沉降值和位移值，均小于报警值。基坑施工结束后，周边建筑及管线设施均未受到影响。

7 结束语

综上所述，排桩内支撑复合体系在深大基坑支护安全可靠，施工周期短，效率高，并经济较为适中。支护体系与连续墙相比，可节约25%的工期及30%的工程造价。该工程的成功说明复合支护体系在相同的工程地质条件下具有明显的技术经济优势。