润达云创中心房建项目深基坑支护设计与施工技术

赵忠芳

（中铁十八局集团北京工程有限公司 北京 100162）

1 工程概况

润达云创中心房建项目地处河北省三河市燕郊镇，详细位置位于河北省三河市燕郊高新区，海油大街南侧，环卫东路东侧，该项目建设单位为三河市润达房地产开发有限公司，项目的所有房建设计图纸由北京维拓时代建筑设计股份有限公司完成，施工单位为中铁十八局集团北京工程有限公司。

润达云创中心房建项目为办公楼房高层结构，建筑面积：136014.31 m²，施工总工期730天，楼房的抗震设防为场地地震基本烈度8.5度，设计基本加速度值为0．30 g，设计地震分组为第二组。高层的地下部分共2层，为车库、非机动车库和储藏室，地上结构最高为24层。云创中心房建项目的地基采用CFG桩复合地基，基础采用钢筋混凝土筏板基础，地下两层结构为框架结构，地上的主体结构采用框架-剪力墙结构。

项目水文地质情况：地下水位在现自然地面下20.30 m～23.6 m，地下水类型属潜水，由大气降水和地表径流补给，水位年变化幅度在1.5 m左右。根据资料记载，该区域历史最高水位按现自然地表下23.0 m左右考虑。抗浮设防水位绝对标高104.0 m。水化学类型为HCO32-—Ca2+型。由于地下水埋藏较深，因此可不考虑地下水对基础施工的影响。地表以下土层为素填土和粉质黏土。2

基坑支护方案设计

润达云创中心房建项目地下空间部分有2层，根据施工需要，基坑的开挖基坑深度最深处达到了6.6 m，超过了5 m，需要对基坑进行支护设计，同时最边上的基坑临近既有二层住宅（二层为轻质彩钢结构），因此建筑基坑的开挖风险很高。此外，由于该项目位于燕郊地区，紧邻北京市行政副中心通州区，因此对绿色文明施工要求非常高，基坑支护方案还需要考虑环保的要求，施工难度增加，需要设计科学合理的基坑支护和施工方案。

2.1 支护方案选择[1]～[7]

由于该基坑深度较大，最深处为6.6 m，属于深基坑范畴，同时由于基坑边缘临近住宅建筑，基坑边缘距离临近建筑的条形基础距离只有3 m多，因此，基坑的支护如果不够会引起周边的地基沉降，从而导致临近基坑的住宅主体结构发生开裂、甚至垮塌的风险，这就要求支护结构的刚度足够大，在水平土压力和房屋结构重量引起的水平土压力联合作用下，支护主体结构的水平变形值尽可能的小，从而达到降低基坑周边的地表沉降量，保护坑边建筑安全的效果。

基于以上实际情况，该深基坑的支护结构可以采用刚度比较大的钢筋混凝土防护桩支护方案，在房建基坑支护施工中，钢筋混凝土防护桩方案经常采用，但是钢筋混凝土防护桩最后无法取出，永久埋于地下，不符合环保施工的初衷，同时由于基坑面积较大，需要大量的钢筋混凝土桩基础，造价也比较高，经过估算，材料和施工费用接近100万元，不符合经济效益的原则。

大直径钢管桩在房建基坑支护中较少采用，如果采用大直径钢管桩作为支护的主体结构，与钢筋混凝土防护桩相比，其刚度虽然会略小一些，但是可以在钢管内壁采用较密的双拼型钢作为水平腰梁结合锚索结构，从而减少钢管桩的计算跨度，达到减小钢管桩水平变形，防止基坑周边地表产生较大沉降的效果。此外，大直径钢管桩还可以回收再利用，可以大大降低工程造价，具有可观的经济效益，而且该房建位置的土层为素填土和粉质黏土，同时经过地质勘查，土质均匀，没有其他孤石、建筑垃圾等杂物夹杂其中，这样的地质条件也非常适合钢管桩的打入和拔除作业。在工期方面，与现浇的钢筋混凝土灌注桩施工相比，打入钢管桩作业的施工工期也会大大缩短。

根据以上分析，采用大直径钢管桩作为支护结构具有良好的经济效益和社会效益，最终决定采用大直径钢管桩作为支护结构主体，同时结合水平的双拼槽钢+锚索的基坑支护方案。

2.2 支护方案设计

经过试算，最终采用直径600 mm壁厚10 mm的钢管桩作为支护结构主体，钢管桩的中心距采用900 mm，在钢管桩的内壁采用双拼36 a槽钢作为水平腰梁，采用梅花型布置的三根预应力钢筋锚索深入土体，以保证基坑中间不设内支撑，保证施工作业的空间。腰梁布置2层，分别距离坑底2 m，5 m。每根锚索采用3根直径15.2 mm的1860级别钢绞线、其设计强度1260 MPa，锚索的水平间距2.5 m、向下倾角为50度，锚索自由长度6 m，锚固长度10m。基坑支护锚索布置如图1所示。

图1 基坑支护锚索布置（单位：m）

3 支护方案计算

3.1 计算工况

钢管主要主要承受的荷载为桩侧土、水压力，由于没有地下水，因此只计算土压力即可。计算工况根据施工过程确定，当钢管桩全部打设完成以后，就可以在钢管桩围起的中间区域开挖基坑了，采用挖掘机开挖，当挖掘到距离地面1.9 m时，施工第一层腰梁（双拼槽钢），并按照2.5 m的间距进锚索的打孔作业，植入锚索并在锚索根部压浆锚固，然后通过锚具对锚索施加预应力；然后继续开挖到距离地面4.9 m时，同样的工序进行第二层腰梁和锚索的施工；最后继续开挖到基坑底部即可。因此需要计算以上主要工况下的钢管桩的受力情况。

3.2 计算模型

由于钢管桩时离散结构，因此只需要按照单元法计算最深位置的钢管桩受力即可，计算采用目前通用的理正深基坑软件进行计算，其单元法的计算模型为单根入土一定深度的钢管，钢管内侧（坑内一侧）受土层的约束，按照弹性支撑模拟（土弹簧）作为边界条件，土弹簧的的刚度根据土层的内摩擦角和粘聚力自动计算；基坑外侧的土压力作为荷载施加在钢管桩上，土压力荷载按照库伦土压力公式计算，荷载值与土层的容重、摩擦角和粘聚力等参数有关，输入各土层的相应参数后，理正软件可自动计算土压力荷载。

临近的建筑为距离坑边5 m位置的房屋（一层为砖混结构，第二层为轻质彩钢。），其基础为条形基础（宽度0.5 m），基础底面距离地面0.5m，条形基础基底按照均布荷载考虑，两层建筑的条基荷载集度为130 kPa，计算时考虑垂直于基坑周边条基荷载，在理正深基坑计算时该荷载按照附加荷载直接施加，距离坑边5 m，深度0.5 m，长度6 m。该荷载只需要在软件中输入上述参数，软件可自行计算。

3.3 计算结果

根据3.1部分的计算工况，采用3.2部分的计算模型，软件计算得到了受力最不利钢管桩各个工况的计算结果，因为篇幅所限，这里只给出了钢管桩的弯矩、剪力和水平位移的包络图，即所有工况条件下的最大值其计算结果如图2所示。

图2 单根钢管桩计算结果包络图

从图2可以看出，单根钢管桩的最大弯矩为Mmax=73.67 kN.m，按照极限状态法，需要考虑1.25的荷载分项系数，根据单根钢管桩（φ600×10 mm）的截面模量W为2689.18 cm3，经过计算钢管桩的最大弯曲正应力σmax=1.25 Mmax/W=73.67×1.25×106/（2689.18×103）=34.2 MPa，远小于钢材的抗弯设计强度215 MPa，且安全储备量较大。钢管桩的最大剪力Qmax=39.92 kN，根据钢管桩的截面积A=185.4 cm2，则最大剪应力（圆环形截面）τmax=1.25×2Qmax/A=1.25×2×39.92×103/（185.4 ×102）=5.4 MPa，亦远小于钢材的抗剪设计值125 MPa。因此钢管桩的抗弯抗剪均满足要求。

刚度方面，从图2可以看出钢管桩的最大水平位移为5.04 mm，参照现行的建筑基坑支护技术规程（JGJ 120-2012）的条文说明，按照一类基坑 标准，其水平位移应小于基坑深度的千分之二，显然对于该基坑深度6.6 m而言，5.04 mm＜0.002×6600=13.2 mm，因此基坑支护钢管的刚度满足要求。

此外，为了保证基坑周边5 m位置处房屋不发生危险，需要得到临近房屋条形基础位置的沉降数值，计算得到的基坑周边沉降情况如图3所示。

图3 基坑周边沉降数值

从图3可以看出，距离基坑5 m位置的房屋条基的沉降数值为1.9 mm（三角形法、指数法、抛物线法计算结果的平均值），小于风险控制值2 mm，基坑的开挖能够保证住宅基础的安全。

此外为了保证基坑的支护结构稳定，需要进行稳定计算，采用瑞典分条法计算，分条土宽度采用0.4 m，计算得到滑动圆弧的半径为13.013 m，圆弧的中心坐标为X=3.255 m，Y=8.420，计算得到的滑动面整体稳定安全系数K s=1.5 5＞1.30,满足规范要求。滑动稳定计算结果如图4所示。

图4 基坑支护滑动稳定计算结果

4 基坑施工方案

基坑施工流程按照3.1部分的工况分析分层开挖，开挖到相应腰梁位置并超挖30 cm，施工腰梁和锚索结构，为了满足环保的要求，在基坑施工中采取了一系列措施，主要措是以下两个方面：（1）降噪方面。在钢管桩打入时，采用了结合震动打入的施工方式，最大程度降低噪音；在基坑开挖施工中，采用小型的迷你挖掘机，大大降低噪音；在施工时间安排方面，噪音大的施工作业（打桩、拔桩、基坑开挖等）安排在白天，尽量避免在午休、深夜进行。（2）抑制扬尘方面。基坑施工中的为了减小扬尘，采用了多个水炮车不间断喷水、喷雾，尽最大可能减少施工灰尘，同时在围挡上方设置一圈喷雾装置，形成一水雾幕墙，可以有效抑制扬尘向周边扩散。

5 结论

燕郊润达云创中心房建项目临近北京，环保要求严格，房建基坑深度达到了6.6 m，且临近既有的房屋建筑，基坑施工的施工风险很大。经过比选最终初步确定了大直径钢管桩的结合锚索的基坑支护方案，施工完成后钢管桩可拔出再利用，不仅环保而且降低了造价。

在考虑邻近基坑建筑物荷载的情况下，对支护钢管桩结构进行了各项检算，计算结果表明所有检算项目均满足要求，且支护结构周边的地表沉降较小，临近基坑的房屋基础处的地表沉降量也满足要求。此外，针对环保问题，制定了降噪和抑制扬尘的施工措施。这些可为相似基坑工程支护的设计和施工提供借鉴。