基于基坑支护技术在市政结构设计与施工中的应用研究

武安仪，杨锦飞

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430000）

0 引言

深基坑工程是与城市道路、地下建筑等相关工程密切相关且较为复杂的基础工程。在实际的基坑支护过程中，由于施工现场地质条件特殊、基坑周边环境复杂等因素，其所选用的支护技术各不相同，结构设计也存在较大差异，下文便对市政工程中常用的深基坑支护技术进行探讨说明。

1 市政工程中常用深基坑支护技术

1.1 基坑注浆

注浆法是基坑工程施工中的重要手段，其原理主要是利用压送设备将水泥等化学浆液灌入基坑土体进行渗透、胶凝，达到对基坑土体加固和防渗的目的。在进行深基坑工程施工中使用注浆技术时要注意以下几点：①注浆压力：主要是根据地层压力进行确定，一般以地层中砂层的水平位移达到1.2~1.5m/s 即可。②注浆方式：在实际施工中主要是采用水泥、水玻璃等化学浆液进行灌浆，其中在注入水泥或其他材料后应注意对其进行及时排出或者是排空；在基坑加固施工中还要注意其喷射方向应与土体性质相适应，不能偏离设计图纸的要求，否则可能会造成基坑不稳定甚至出现坍塌现象。③注浆顺序：首先将注浆管从基坑中引出并按照设计要求逐个注浆，注意保持湿润状态，并应注意其浆液不要长时间喷射导致浆液凝固失去黏结力。④注浆量：主要是根据地下水土体压力进行确定，当采用水泥与混凝土共同灌注或采用水灰比过大时需要及时加入清水或其他水泥材料加以调节黏度。通常情况下注浆量应该与注浆管数量相适应而不能与注浆管长度相匹配[1]。

1.2 锚索（杆）支护

在深基坑工程中，锚索支护是指通过设置锚杆来进行围护结构中受力与传递荷载的一种加固方式。根据其所能承受的荷载来划分，可以分为抗拉承载力和抗剪切承载力两大类。而在深基坑工程施工过程中锚索支护又分为单锚索、双锚索和多锚索等各种类型。对于一类锚索而言，由于施工现场具有一定条件限制，所以其施工过程中主要是通过锚杆进行围护结构，以防止地下水超挖或地下管线渗漏等情况发生，进而减小基坑施工破坏现象发生概率。对于另一类锚索而言，由于其所能承受的力较大且具有一定伸长性，因此在进行支护结构锚固时需要严格控制锚索位置及数量。通常情况下支护结构锚索安装高度应不小于基础水平面高度的1.5 倍，另外对于不同规格型号的锚索，也需遵循相应原则进行锚固处理。

1.3 钻孔灌注排桩支护

排桩围护体是利用常规的各种桩体并排连续起来形成的地下挡土结构，一般适用于开挖深度不大于20m 的深基坑。钻孔灌注桩是在市政工程深基坑中使用最广泛的一种支护桩型，一般由混凝土灌注、锚杆或高压旋喷桩等多种形式组成。在市政工程中常用的混凝土灌注桩主要有4 种形式：①旋挖钻床灌注桩；②冲击式灌注桩；③桩侧挤、灌浆孔灌注桩；④水射流钻孔灌注桩。其具有施工工艺较为简单直接，施工成本可控，平面布置灵活的特点。与锚拉法及注浆法相比，其对周围环境影响较小，对周围土层沉降控制较为严格，安全性能更高。此外通过灌注桩还能够有效避免传统桩基础施工中因基础不牢固、坍塌导致基坑开挖不能顺利进行等问题出现，从而进一步提升了市政工程深基坑工程支护的施工质量与效率。

2 深基坑支护技术在市政工程中的应用

基于上述市政工程中的常用支护技术，本文以某市政工程为例，从结构设计与关键施工技术两方面说明深基坑支护技术的具体应用方法[2]。

2.1 工程概况

该市政工程为某市重点工程，基坑面积约1.5 万m2，基坑周长为537m，基坑最小深度为11m，最大深度为13m。该建筑顶板标高为2.45m。该基坑三侧环绕驳岸，其最西侧存在湖泊，北侧为公园，地面标高为5.5~6.6m，东侧为路堤，路面标高为7.5m，南侧为堤挡墙，标高为7.4m。

其地质条件根据土质类别可分为5 层，土层力学性质如表1 所示。其中第一层为杂填土，整体呈现黑色粉质，局部为水泥地坪，掺杂着大量砖瓦，厚度在20~620cm，此层力学强度较低，在施工场地内分布较为广泛。第二层为粉土，局部掺杂着粉砂，呈现灰黄色，厚度在3~9m，在场地内普遍分布。主要矿物成分有长石以及云母。第三层为粉砂夹粉土，整体呈现灰黄色，厚度在7~12m，普遍分布。第四层为粉土夹粉砂，整体呈现灰色，层厚2~5m。第五层为粉质黏土，层厚在3~6m，中压缩性，分布较少。此外，根据相关勘察资料，该工程所在区域平均水位为5m，历史最高为5.5m，常年处于4.9m 左右，变化幅度较小，未发现不良水文条件。总体而言，虽然该工程地质水文情况较为复杂，但不存在不良地质作用，具有较强的稳定性[3]。

表1 该工程土层力学性质

2.2 结构设计

针对此工程深基坑支护结构方面，需要遵循合理的设计原则，结合各类支护方案的优缺点进行合理选择。

2.2.1 结构设计原则

深基坑支护结构需要因地制宜，以其安全性能为首要目标，对地质土层的力学性质以及周边环境进行综合考量分析，选择出最为合理的支护结构。为此，该工程在选择支护结构时，应当遵循4 种原则：①支护结构自身的刚度与强度符合标准，能够满足地基对承载力的需求，不发生倾覆、滑移现象，确保基坑安全稳定，并不会对周围建筑造成不利影响。②需要考虑此支护结构的耐久性，并将其作为永久性结构看待。③对工程的实际地貌条件以及荷载条件进行分析，并对工程造价进行综合考量，确定支护形式。④确保支护方案符合相关规范中的要求。

2.2.2 方案比选

当前我国建筑业发展迅速，深基坑支护技术也逐渐完善，近些年新技术、新工法层出不穷，各项技术均有其自身独特的适用范围。因此，本文分析各项技术的优缺点，结合实际地质情况，选择支护技术。上文所述3项技术的优缺点如下。

（1）基坑灌浆技术，此项技术的优点是施工过程中噪声较小，可大幅度缩短工期，有着较强的整体性以及防水性能，处理范围较广。缺点是其施工难度较高，对于施工连续性有一定要求，对于深度较大、面积较大的基坑经济性较差。

（2）锚索支护，此项技术的施工速度较快，工期可控，对场地无特殊要求，有着较强的经济性。其缺点是对地质要求较高，不适用于地质环境较为复杂的基坑工程。

（3）钻孔灌注桩，此项技术对周围环境影响较小，在软土区域仍然可以使用，且其支护结构强度大，基坑安全性高。但是此技术的止水能力较差，需要额外增加止水帷幕措施。

该工程基坑面积为1.5 万m2，周长为538m，深度在11m 左右。虽然无不良水文地质条件，但其地质情况较为复杂，土层力学性能一般。考虑到工程造价与周边环境因素，该基坑工程适宜采用钻孔灌注桩作为支护结构，并采用三轴水泥搅拌桩制作止水帷幕，在标高3.5m 以及1.8m 处设置排桩结构的混凝土水平内支撑。

2.3 关键施工技术

该市政工程的深基坑支护关键施工技术分为3 部分，分别为止水帷幕、支护结构、基坑开挖，具体如下。

2.3.1 止水帷幕

止水帷幕部分选择三轴水泥搅拌桩，其桩径为850mm，搭接250mm，总桩数为455 幅，有效桩长为18m。搅拌桩采用P.O 42.5R 级普通硅酸盐水泥，掺加量在20%左右，水灰比为1.5。其中搅拌桩的施工工艺与流程如图1 所示。

图1 止水帷幕搅拌桩的施工工艺流程

具体施工方法如下。首先是测量定位，开挖沟槽与桩机调直，施工人员需要使用全站仪对成桩范围进行测量，在桩周围均匀撒上白线，做好标识。并根据放样位置的平行方向挖掘工作槽，以桩墙宽度为准确定沟槽宽度。若遇到障碍物，可采用镐头机进行破除。根据桩位放置桩机，将机架垂直度控制在0.3%以下，误差控制在50mm 以下。以此确保桩基的垂直度。其次是拌制水泥浆液，将其水灰比控制为1.5，停滞时间控制在2h以内。再进行混合注入，将注浆压力控制在0.5MPa~2MPa，流量控制在150~200L/min，在搅拌桩两侧使用双钻头注浆，中间钻头进行喷漆。每延米桩体水泥用量为0.554t，用水量为0.8t。最后，如果搅拌桩间隔时间超过了24h，极易出现冷缝，可使用高压旋喷桩对其封堵，每个冷缝至少需要3 根旋喷桩。此外，在施工中需要严格控制搅拌钻机的提升速度以及下放速度，其下沉速度不能超过0.8m/min，上升速度不能超过100cm/min，具体如图2 所示，图中①为下沉速度，图中②为在桩底部分应当以50cm/min 的速度进行搅拌，③代表其提升速度，④代表进入下一段施工。

图2 搅拌桩下沉、提升速度

2.3.2 支护结构

经过平面布置及简要计算，初步拟定该工程支护桩长度为23m，24m，桩径为800mm，支护桩及钢筋混凝土水平撑混凝土强度标准为C30，灌注桩间距为10000mm。其中三轴水泥搅拌桩桩径为850mm，间距为600mm，桩间搭接250mm 布置，与钻孔灌注桩的净距离为100mm，在支护桩外形成止水帷幕[4]。

该工程钻孔灌注桩的施工方法如下。其采用回转钻机进行钻孔，并使用孔口吊筋法分段吊放对钢筋笼进行焊接，最后采用导管法进行混凝土灌装成桩[5]。具体工艺如图3 所示。该部分质量要求与检验标准如表2所示。

图3 支护结构施工方法

表2 支护结构质量检验标准

3 结语

综上所述，本文首先列举了一些市政工程中常用的深基坑支护技术，并以某市政工程为例，从结构设计、方案比选与关键施工技术等角度简要说明了相关支护技术的应用方法。