SMW工法桩基坑围护体系中钢支撑对降低基坑变形风险的作用分析

朱初

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

1 工程概况

嘉兴市联合污水处理厂清洁排放提标改造02 标工程位于浙江省嘉兴市海盐县嘉兴市联合污水处理厂区东侧新征用地范围内，本工程±0.000 m 相当于1985 国家高程+5.00 m，整平后地坪标高3.50～4.00 m。 本工程结构安全等级二级，地基基础设计等级，主体结构抗震设防类别为乙类，按7 级采取抗震措施。 地基处理采用预应力混凝土竹节桩基础。

本工程基坑为超限基坑，基坑支护周长621.4 m，场地平整标高3.50～4.00 m（绝对标高，下同），坑底标高为-2.600～3.750 m，基坑深度6.10～7.75 m，开挖土方约11 万m3。 基坑设计等级为二级，基坑工程安全等级和重要性系数为1.0。 基坑支护结构安全保证期为1 年。 施工安全等级一级。

2 工程与水文地质条件

2.1 工程地质条件

拟建本场地地貌类型为长江三角洲冲积平原， 地貌类型单一。 本场地现状为厂房、水泥地，勘察施工条件一般，实测场地孔口标高范围2.54～5.76 m，平均孔口标高4.12 m。

勘察查明，在勘探所达深度范围内，根据土层的岩性特征、成因年代、物理力学性质、埋藏条件将场地地下50.0 m深度范围内地基土共划分为5 个工程地质层组， 细分为12 个亚层。

2.2 水文地质条件

据县防汛办资料 （高程1985 国家基准）： 河道常水位1.02 m，20 年一遇洪水位2.82 m，50 年一遇洪水位3.04 m，历史最高洪水位3.05 m。本次勘探深度内揭露的地下水主要为孔隙潜水、承压水。 孔隙潜水主要分布在①、②、③、③a 层土中，承压水主要赋存于⑥2 层、⑥3a 和⑥3 层土中富水性一般。 根据区域水位地质资料承压水位标高约为-4.00 m。浅部孔隙潜水对基坑开挖有一定的影响，微承压水对基坑开挖有一定的影响。

2.3 周边环境条件

2.3.1 临近建（构）筑物概况

本工程基坑位于污水厂东北角预留建设空地内， 临近建（构）筑物主要是位于西北角污水厂综合楼和二沉池以及东侧的寺庙。

2.3.2 临近道路概况

本工程基坑位于污水厂东北角预留建设空地内， 北侧为市政道路，最短直线距离80 m，东侧为新建市政道路，最短直线距离70 m，其他方向为厂区内部道路。

3 基坑围护设计及施工部署

基坑支护采用喷射混凝土护坡+SMW 工法桩+ 水泥搅拌桩坑底裙边加固+ 一道竖（水平）向钢管斜（角）撑的支护体系。 基坑根据变形缝和施工缝设置位置，分为10 个挖土区块。基坑土方开挖遵循“开槽支护，先撑后挖，分层开挖，严禁超挖”的原则，盆式土方开挖。 每一分区域开挖至围护结构底边，预留三角土，中间区域垫层做到随挖随浇。 当机械开挖至垫层底标高上部300 mm 时，应人工挖土修整至设计基坑底标高。

4 钢支撑对基坑围护体系影响

4.1 钢支撑概述

基坑围护体系由支护结构体系和支撑体系两部分组成，而支撑体系又有混凝土支撑和钢管（或型钢）支撑两种形式。钢支撑架设和拆除速度快，安装后能立即发挥支撑作用，能有效减小由于时间效应而增加的基坑位移， 且不需要等待可直接开挖下部土方。支撑材料可以重复循环使用，对于基坑工程造价和工期有严格要求的工程具有显著优势， 适用于开挖多维度一般、平面形状规则、狭长形的基坑工程[1]。因此结合实际情况，本工程采用水平钢支撑和斜钢支撑组合的支撑体系。

钢支撑可以直接平衡两端围护墙上所受的水土压力、结构简单、受力明确、加工转场容易、韧性好、安全性高、能有效地控制基坑变形。 适用于各种土层和深基坑工程，特别适用于复杂土质及各种软弱土地区基坑面积大、开挖深度深的情况。本工程基坑钢支撑为水平撑和斜撑的组合形式， 对保证基坑稳定非常重要[2]。

基坑围护结构外侧的土压力在开挖后， 通过钢支撑来平衡，使基坑周边土体达到静力平衡，用钢支撑与围护结构共同组成结构体系来维持基坑的安全稳定。 钢支撑在基坑支护中的技术应用，关系到施工的顺利推进，如何做好钢支撑是本工程的重要环节。

4.2 基坑开挖后变形经过情况说明

本工程7#区块基坑围护工程按施工方案施工并在围护结构强度达到设计要求后，开始进行此区块土方开挖施工。 开挖过程严格按照施工方案进行，经过3 d 施工开挖至设计基底并按照设计要求坑内预留1∶2.5 土坡，当日14 点左右，基坑开始有较大变化，西侧、南侧便道均有不同程度的开裂、变形[3]。

根据监测数据显示，开挖至设计基底前，监测数据十分稳定，7 号（南侧）、8 号（西侧）深层位移监测点累计变化3.68 mm、4.58 mm。开挖至设计基底当日位移突然变大，7 号点新增位移137 mm，累计位移140.70 mm；8 号点新增位移43 mm，累计位移46.87 mm；超过基坑监测报警值数据。

根据建设单位、 设计单位、 监理单位和施工单位多方论证，检查施工质量控制资料，结合基坑监测数据，表明基坑围护工程施工质量符合设计和规范要求，达到开挖标准，开挖后基坑产生位移变形但仍处于可控范围内， 因此综合各方意见后一致同意继续按照原方案施工，但必须加快施工进度，尽早在底板浇筑完成后安装基坑钢支撑。 最终在钢斜撑完成后，基坑不再继续变形，并在后续施工中始终保持稳定直至回填。

4.3 基坑变形监测数据分析

从开挖至钢支撑安装完成，总持续时间30 d，后续观察15 d，根据总共45 d 的监测数据整理绘制曲线见图1。

图1 45 d 基坑变形日变化量曲线

图2 基坑施工过程变形高风险时期示意图

根据基坑监测实测数据以及图1 日变化量曲线可知：

1）第1 天土方开挖开始，基坑保持稳定，监测数值正常，至第4 天开挖至基底当日即发现监测数据变化明显达到报警值，在整个观察期内日变形量最大值发生在开挖至基底当日。

2）在开挖至基底日变形达到最大值后，至第23 天混凝土浇筑完成前，每日变形量并不稳定，有时会出现负偏离，但总体处于可控范围，并且变形量值趋于收窄。

3） 从第31 天开始， 在钢支撑安装完成后的15 d 观察期内，监测数据基本保持稳定，无明显变化。

通过总结7#区块的施工经验， 项目部重新调整和组织施工，在后续底板施工中有效控制了基坑变形。 同时总共8 个区块累计的数据充分验证了在SMW 工法桩+ 钢支撑的基坑围护体系中：（1）在土方开挖后至钢支撑安装前的这段时期可称之为基坑直接暴露风险期，如图3 所示。 本工程8 个区块的施工过程中的基坑变形报警全部发生在这一时期。 （2）基坑钢支撑是关键环节，安装后整个基坑围护工程才算完整，钢支撑安装完成后可以将基坑变形控制在可接受范围内。

4.4 基坑变形应对措施

通过本项目8 个区块基坑开挖和底板施工的实际工程验证了基坑钢支撑作为基坑围护工程的最后一个环节， 对基坑施工提供安全保证， 防止变形位移具有至关重要的作用。 在SMW 工法桩+钢支撑的基坑围护体系中，在土方开挖后至钢支撑安装前的这段时期， 由于实际上整个围护体系缺少最后一个关键环节，在此期间基坑直接暴露并缺少钢支撑保护，因此存在较大变形风险。 为了把风险降至最低， 可采取多种措施，包括但不限于：

1）合理策划分段开挖施工，可有效缩短暴露时间；

2）合理组织施工，缩短土方开挖至钢支撑安装的施工时间；

3）增加坑内预留土坡可提供更大支撑，但会增加后续开挖时间和成本以及施工难度；

4）从设计角度增加水平支撑，但此方法受到基坑规模限制并增加成本；

5）根据现场条件严格控制基坑周边静载荷，必要时应该采取卸载措施；

6）重型车辆通行带来的动荷载对基坑围护体系变形影响显著。 在基坑钢支撑安装前严格禁止基坑周边重载车辆通行。在基坑变形高风险施工阶段。 分段开挖施工的情况下必须合理组织土方车辆出土路线， 混凝土泵车站车位置以及混凝土搅拌车的进出路线， 避免重载车辆通过已开挖但未安装钢支撑的区域。 如果由于场地限制，设备限制等原因无法避免，则不具备分块施工条件。

4.5 应对措施效果比较

项目部根据场地条件采取了多项降低变形风险的措施，包括严格禁止重载车辆通行； 周边材料堆场距离符合设计要求，安全距离不足的材料转场；缩短土方开挖至钢支撑安装的时间。 通过选取本项目另一块代表性8#区块（地质条件类似，监测点位置类似，周边条件类似）的基坑监测数据与7#区块的数据进行对比， 日最大变形量降低45%， 累计变形量降低25%，说明各项措施卓有成效。

5 结论

1）水平和斜钢支撑组成的基坑钢支撑体系按照设计要求安装完成后，对桩体变形约束作业明显，基坑变形在可控范围内，总体保持稳定，基本消除基坑变形风险。

2）基坑围护工程完成达到设计和规范要求后开始土方开挖，至钢支撑安装完成前，这一阶段基坑变形风险最大，所有监测数值报警都发生在这一阶段。 因此，必须合理编制施工组织设计和专项方案，尽可能缩短这一阶段的施工时间，缩短基坑未安装钢支撑的暴露时间，从而降低基坑变形风险。

6 结语

基坑支护围护体系作为临时性结构，如投资过大会产生浪费，但支护结构不够安全又势必造成工程事故，因此，如何选取安全合适的支护结构并实现有效的施工过程管理已成为参建各方共同关注的问题。 SMW 工法桩基坑支护围护体系施工具有止水性高、造价低、污染小和对周边环境影响小等优点，近来被广泛应用于基坑工程。 但与灌注桩及地下连续墙支护体系相比，该体系刚度较低，发生变形相对较大。 因此，SMW 工法桩配合钢支撑的基坑支护体系对施工过程中的组织、管理和施工质量要求高，需要充分考虑各因素对基坑变形的影响。

钢支撑作为支护体系的重要组成部分，在保持基坑稳定，减小施工过程中基坑变形起到关键作用。 本文以实际采集数据为基础，做出客观分析并提供相关建议，完善SMW 工法桩配合钢支撑支护体系的施工组织和管理， 对工程实践具有实际意义。