复杂环境深基坑支护体系选型重要性分析

陈杰

（厦门象屿港湾开发建设有限公司）

0 引言

随着我国经济的高速发展和城市人口密度的不断增加，城市有限土地资源供应越来越紧张，高效开发和利用地底下的空间，是新时代城市规划建设的重要研究、发展方向。开发地底下的空间，兴建地下工程，就涉及深基坑工程，而深基坑工程中基坑支护的选型直接影响工程经济效益、施工进度、施工安全及周边环境的安全。

深基坑支护的目的是为了保护基坑内地下主体结构施工和基坑周边建（构）筑物、地下管线、道路等的安全性，而对深基坑采取的临时性的支撑保护以及有效控制地下水的措施。深基坑支护常见的结构形式有：放坡开挖、土钉墙（复合土钉墙）、拉森钢板桩、排桩、重力式水泥土挡墙、地下连续墙和SMW 工法桩等。基坑支护还应包含地下水控制，地下水控制方法主要有：集水明排、降水、截水和回灌方法或其组合。

深基坑支护在整个项目建设过程占有重要地位，其结构选型和设计的科学与合理性，直接关系到地下结构施工和基坑周边环境的安全，并影响到项目的施工进度和工程造价。

1 工程概况

某学校扩建项目位于校内预留发展用地，扩建建筑面积7447m2，采用桩基础形式。场地内为学校内草坪，原始地貌为冲海积堆积阶地，后期经工程建设（填海造地）回填平整。场地东侧为已建城市道路支路；南侧为城市主道路；西侧为学校已建体育馆；北侧为已建教学楼。基坑开挖深度约5.1～5.6m，基坑底边线周长340m，基坑面积为4200m2。

2 工程水文地质条件

2.1 工程地质条件

本工程位于闽南沿海城市，上部土层为人工填土①（层厚1.20～4.30m）、人工填砂②（2.70～5.80m）、海积淤泥③（0.30～1.90m）；下部为粉质粘土④（1.60～6.40m）、中砂⑤（0.40～5.20m）、全风化花岗岩⑥（0.90 ～6.40m）、砂土状强风化花岗岩⑦（1.40 ～19.90m）：碎块状强风化花岗岩⑧（0.95～5.10m）。

2.2 水文地质条件

本场地红线范围内未见地表水系，地下水位埋深3.90～4.70m 之间，地下稳定水位埋深3.7～4.60m 之间，稳定水位标高为1.95～2.78m，根据该地区的水文地质资料，本项目场地地下水位年变化幅度大约在2.002～3.00m 之间，近3～5 年内最高地下水位标高约为4.00m，历史最高地下水位约为5m。淤泥③、粉质粘土④为微透水层，为相对隔水层；填砂②、中砂⑤层属强透水层，为主要含水层，富水性好；其余各岩土层均为弱透水层，富水性较差。

3 基坑支护设计

3.1 深基坑支护结构的设计原则及计算方法

深基坑支护结构设计主要以破坏后果严重程度，将支护结构划分为三个安全等级。对于支护结构破坏、土体失稳或过大变形，对基坑周边环境及地下室结构施工影响很严重的安全等级定性为一级，破坏结果与影响一般的安全等级定性为二级，破坏结果与影响不严重的安全等级定性为三级。深基坑支护结构一般采用承载力极限状态与正常使用极限状态进行设计与验算。目前主要采用有限元法进行深基坑支护结构设计计算，这种方法可以有效的计入施工过程各种因素的影响，并在确保深基坑支护结构安全稳定的情况下，将支护结构最大限度进行优化，让整改深基坑支护结构更加合理与经济。

3.2 深基坑工程支护结构体系选型

鉴于基坑四周均有建（构）筑物，环境较复杂，结合基坑大小、开挖深度，工程地质、水文地质条件，施工设备、技术条件和季节气候等综合条件，以及支护结构体系施工造价等因素，经过比选、优化，最终选定SMW 工法桩+局部内支撑支护方案，具体比选方案如下：

⑴放坡开挖：优势是造价低，施工便捷、进度快；劣势是开挖土方量较大，稳定性和安全性差；适用于场地开阔，土层较好，周围无建（构）筑物、地下管线等，安全等级三级的基坑，一般放坡高度≤5m。本项目场地、土层、周围环境、基坑深度均不满足，不选用。

⑵土钉墙：优势是造价低，施工便捷、稳定可靠；劣势是土质要求高，工期紧需投入较多设备；适用于非软土土质，安全等级二、三级的基坑，基坑潜在滑动、场内有建（构）筑物和重要地下管线不适用；本项目场内四周有建（构）筑物不满足，不选用。

⑶重力式水泥土挡墙：优势是造价低，施工较方便、进度较快；劣势是稳定性和安全性较差；适用于淤泥质土，基坑深度≤7m，安全等级二、三级的基坑；本项目土层地质不满足，不选用。

⑷拉伸钢板桩：优势是二次利用率高，造价较低，施工方便，工期短；劣势是挡水性较差，悬臂抗弯能力较弱，开挖后变形较大；适用于悬臂支护＜4m，安全等级二、三级的基坑，悬臂支护≥4m 需设置内支撑，下部嵌固端需进入稳定土层，否则容易倾覆；本项目基坑深度、挡水性及四周环境均不满足，不选用。

⑸排桩：优势是稳定性和安全性好，变形小，设备简单，施工技术成熟；劣势是造价高，工期长；适用于较差土层，悬臂排桩高度≤6m，一般用于多层地下室深基坑，并采取锚索或内支撑控制变形，安全等级一、二级的基坑；虽然条件都满足，但是造价高，经济性较差，不选用。

⑹地下连续墙：优势刚度大，止水效果好，最强支护结构形式；劣势是造价较高，工期长，施工工艺和设备复杂，施工技术要求高；适用于条件差和复杂的地质，基坑深度大，周边环境要求较高，安全等级一、二级的基坑，一般悬臂高度≤6m。因为工期长，造价高，不选用。

⑺SMW 工法桩：优势是施工噪声小，安全性和稳定性好，防水与支护相结合，H 型钢可回收降低造价；劣势是较深的基坑需配合多道锚索或内支撑；适用于软土和地下水较丰富场地，安全等级一、二级的基坑。凡是适合应用水泥土搅拌桩的场合都可使用，沿海区域或地下室丰富的区域使用较多。因为本项目土质、水位、周围环境等均适用，且H 型钢可回收，造价相对排桩和连续墙较低，所以选用。

在完成基坑支撑结构选型后，为避免出现施工预算超过概算，进一步降低工程造价，充分利用场内条件和土力学性能等条件，对SMW 工法桩支护结构进行细化组合方案比选，具体如表1。

表1 SMW 工法桩支护结构组合形式比选

3.3 基坑支护结构体系设计

经过比选，本基坑采用SMW 工法桩+局部内支撑+局部悬臂+局部冠梁顶放坡组合支护体系。基坑内采用三轴搅拌桩作为止水帷幕，基坑内采用疏干井结算集水明排进行降排水。

⑴基坑北侧和西侧邻近已建教学楼和体育馆，采用φ850@600 三轴搅拌桩密插（局部跳插） 长12 米HN700×300×13×24 型钢，在场地标高﹣1.00m 处设置1200×700 钢筋混凝土冠梁，配合钢筋混凝土内支撑。详见图1。

图1 支护结构剖面图

⑵基坑东侧邻近支路，采用φ850@600 三轴搅拌桩密插长15 米HN700×300×13×24 型钢，在场地标高﹣1.00m 处设置1200×600 钢筋混凝土冠梁。冠梁顶至用地红线内采用坡率1:1 放坡。详见图2。

图2 支护结构剖面图

⑶基坑南侧距离城市干道之间有6.0m 宽城市绿化用地，采用φ850@600 三轴搅拌桩调插长15 米HN700×300×13×24 型钢，在场地标高﹣2.00m 处设置1200×600 钢筋混凝土冠梁。冠梁顶至用地红线2.0m设置放坡平台，红线外城市绿化用地2.5m 内采用坡率1:1 放坡。详见图3。

图3 支护结构剖面图

4 结束语

综上所述，可以得到以下结论：

⑴深基坑支护结构选型和设计不仅要考虑其支护结构的安全性，还要测算工程造价和施工工期等各方面的综合经济效益。一个安全系数高、高性价比的基坑支护结构体系，要因地制宜，根据项目施工现场的实际情况，选用合理的支护结构形式，做到安全性、经济性、适用性三方面统筹兼顾。

⑵城市地下空间开发日益发展，基坑支护设计日益复杂，单一一种支护方案已很难满足复杂基坑的设计，应全面考虑地质条件、周边环境和性价比等，选用多种支护方案进行组合性支护结构设计，达到设计优化、技术可靠和造价经济的目的。

⑶SMW 工法桩+局部内支撑组合支护体系，既可作为支护体系，可挡土又可兼做止水帷幕，SMW 工法构造简单，施工速度快，又可大幅缩短工期，对于滨海地区基坑可适用性强。