深厚软土基坑斜抛撑与SMW 工法组合施工安全应用

刘道路 LIU Dao-lu

（上海市政工程设计研究总院集团有限公司，上海 200082）

0 引言

在我国沿海地区、沿河湖地区，分布有大面积海相、河湖相沉积的深厚软土，该类土层大多呈流塑状，不仅强度低，而且承载力小，在此类地区进行深基坑工程施工时，应格外重视基坑支护体系的安全性及稳定性[1-4]。在常规的深厚软土基坑支护设计中，一般以钻孔桩加止水帷幕、钻孔咬合桩、地下连续墙等支护形式最为常见，此类支护具有较好的安全性、稳定性[5-9]。但对于一些开挖深度较浅、施工工期紧张的基坑工程来说，以上支护体系经济性较低、施工周期较长，难以满足现场实际要求，拉森钢板桩具有较短施工工期，虽也经常用于软土基坑中，但其本身刚度较小，不适用于基坑尺寸较大且无法施加水平围檩对撑的基坑工程[10-12]。

SMW 工法桩结构本身刚度大，兼有挡土止水功能，施工便捷，可循环利用，节约成本，绿色环保，在现今施工中得到了广泛应用[13-15]。霍知亮等[16]对SMW 工法桩结构基坑开挖所引起的桩身深层水平位移和坑周地表沉降等进行研究，结果表明SMW 工法桩技术能够减小结构的沉降变形。王禹[17]通过相关工程实际与有限元计算对SMW 工法桩在高水位淤泥地层中的应用进行研究，分析了SMW 工法桩在相似地质条件的适用性，并对有限元模拟计算在基坑工程的应用进行了展望。王金龙等[18]对单轴SMW 工法进行了研究与应用，研究成果极大拓展了传统SMW 技术的适用范围。肖昭然等[19]对砂土形成的SMW 工法桩型钢内力进行现场试验研究，研究成果可推广在砂土地区进行应用。SMW 工法桩同样对于软土地区具有成桩快的优点，对于较大且无法在基坑内支撑水平支撑的，斜抛撑能够快速提供侧向支撑，提高基坑支护整体安全性能[20-25]。

基于上述分析，为了能够快速、安全地完成深厚软土基坑支护施工，以嘉兴市联合污水处理厂提标改造02 标深基坑工程为背景，探讨斜抛撑与SMW 工法组合在深厚软土基坑快速安全施工，分析和总结该围护体系下基坑变形情况和施工中遇到的难题，在保证施工工期和安全前提下，验证该支护方法能够在深厚软土地区基坑快速施工可行性。

1 工程概况

1.1 工程现场环境

嘉兴市清洁排放提标改造工程施工02 标基坑工程，位于嘉兴市海盐县西塘桥街道，嘉兴联合污水处理厂厂区东侧。该工程基坑支护的范围为南北两座生物池及附属用房，基坑长226.1m，宽84.6m，整体呈南北向、矩形状，总面积约19130m2。拟建场地地面较为平坦，场地平整标高为3.50～4.00m，坑底标高为-2.600～-3.750m，基坑深度6.10～7.75m。本基坑工程安全等级为二级，属于超过一定规模的危大工程。

拟建基坑位于污水处理厂预留空地内，周边环境空间极为紧张。基坑北侧为项目部大临驻地；基坑南侧存在鱼塘，距基坑10～15m；基坑东侧为既有寺庙及民房仓库，基坑西侧为一期综合楼及二沉池，基坑周边环境如图1所示。

图1 基坑周边环境

1.2 地质与水文条件

拟建本场地地貌类型为长江三角洲冲积平原，第四系厚度巨大，为河湖相沉积及冲海相沉积。海相地层一般为灰色粘性土，流塑~软塑，性质较差。勘察报告查明，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50.0m 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，场地地层层序与分布埋藏条件分述如表1 所示。

表1 各土层物理力学性质指标

拟建场地地下水主要为孔隙潜水、承压水。场地浅部地下水类型属孔隙潜水，孔隙潜水主要分布在①、②、③、③a 层土中，设防水位可采用常水位标高2.00m。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-4.00m。浅部孔隙潜水对基坑（槽）开挖有一定的影响，微承压水对基坑（槽）开挖有一定的影响。

2 基坑支护设计

2.1 围护体系

基坑上部2.0m 采用1:1 放坡+坡面喷锚（10cm 厚C20混凝土，内配φ6@200×200 双向钢筋），基坑下部围护体系采用SMW 工法施工，内插型钢700×300×13×24，插一跳一，三轴水泥土搅拌桩选用φ850@600，该SMW 工法利用型钢承受水土侧压力，搅拌桩作为止水帷幕，与内插型钢的协调作用有利于加强围护体的整体刚度。型钢与冠梁间隔离材料采用不易压缩的材料。

2.2 支撑体系

受场地限制及结构尺寸影响，基坑无法采用放坡或加水平支撑的支护方式，且每单元结构底板要分中心区域、外侧区域两次浇筑。基坑采用坑内预留土坡结合斜抛撑的内支撑方式，斜抛撑采用φ609×16 钢管支撑，支撑平面间距为4.0~6.0m。工法桩桩顶设置1200×800mm 混凝土（C30）圈梁，主体结构中心区域底板设置混凝土支墩。斜抛撑一侧安装在冠梁上，一侧安装在支墩上支撑受力。同时基坑四个拐角处设置水平钢管支撑，加强基坑稳定性。基坑平面图如图2 所示。

图2 基坑平面布置图

坑内预留土坡宽度为9m，放坡比例为1:2.5，对边坡采用80mm 厚C20 混凝土护坡，内配φ6@200×200 双向钢筋。典型断面内支撑剖面如图3 所示。

图3 基坑平面布置图

2.3 支撑体系受力分析

依据工程现场建立力学分析模型如图4 所示。

图4 基坑计算力学模型

计算支护结构变形内力包络图如图5 所示。

图5 基坑计算力学模型

3 基坑施工工艺

3.1 施工流程

基坑工程施工前应先进行清表，查明基坑范围内浅层障碍物的种类、分布及深度，提前做好准备；同时查明场地内外综合管线分布情况，将埋设在基坑范围内的管线及时移走。

基坑工程施工应按如下顺序进行：

①首先将场地整平，开挖至放坡平台标高（冠梁顶标高），依次施做SMW 工法桩、三轴搅拌桩坑底加固及混凝土冠梁；

②其次待冠梁达到设计强度后，由南向北、分块分层盆式开挖至设计底标高，施做中心区域底板和支墩；

③然后待支墩达到设计强度后，施做钢管斜抛撑。架好斜抛撑后挖除坑内预留土坡，施做剩余外侧底板及底板传力带；

④最后拆除斜撑及底板支墩，施做池壁和顶板。待壁板达到设计强度，并满足结构其他要求后，进行基坑回填、拔除型钢。

3.2 施工关键技术

①水泥搅拌桩的水泥掺量和水泥土搅拌的均匀程度是控制水泥搅拌桩质量的关键，应严格控制水泥掺入量和搅拌头的提升及下沉速度。

②土方开挖应分区、分层。每层不超过2m（硬土中），淤泥和填土等软土中不超过1.0m。分区按照生物池单元分区。

③机械开挖至设计底标高以上300mm 时，应人工开挖到底。

④开挖至设计底标高后，应及时施做混凝土垫层封底，基底暴露时间不应超过24h。

⑤施工时应在中心区域底板和支墩混凝土强度达到80%后加装斜支撑。

⑥在安装完斜抛撑、施加预应力前，严禁开挖坑内预留土坡。

3.3 实施效果

为验证斜抛撑与SMW 工法组合在深厚软土基坑中应用的效果，通过对支护结构的变形位移、斜抛撑轴力、周边构筑物的沉降变形情况等进行实时监测，以及时掌握基坑开挖时支护结构和周围环境变形情况。通过对这些监测数据的整理和分析，总结斜抛撑与SMW 工法组合在深厚软土层中的应用变化规律。

综合考虑基坑监测点位置，选取基坑角部（CX8）、基坑中部（CX7，CX10）具有代表性的3 个深层水平位移监测点进行数据统计分析（监测点位置如图1 所示），该两点基坑开挖深度均为6.75m。由图3（横坐标为位移值（mm），纵坐标为深度（m））可知，各工况下基坑角部围护桩体变形曲线呈“P”形，最大水平位移发生在坑底标高上约1.0~2.0m的范围内。桩体整体变形量较小，φ609 钢管水平角撑对围护桩的约束作用明显。

基坑中部工法桩桩体水平变形量较大。土方开挖时，在安装斜抛撑前，位移最大处发生在桩体顶部，且随着土体开挖，桩体变形持续发展。在支墩达到设计强度并安装完斜抛撑后，桩体变形立即收敛。斜抛撑的架设对围护桩体的变形约束作用明显。

该围护体系最大水平移变形（150.80mm）发生在CX10，而另一个基坑长边水平位移监测点CX7 监测到的最大水平位移仅为63.50mm。原因在于基坑西侧为嘉兴市联合污水处理厂内部道路，厂内的重型运输车辆在该内部道路上通行频繁。重型车辆通行带来的动荷载对基坑围护结构的变形有较大的影响。在采取重载车辆绕行、增加临时土块堆载、加快底板施工速度等措施后，基坑西侧围护结构的变形趋于稳定。（图6）

图6 基坑计算力学模型

根据轴力监测数据显示基坑斜抛撑轴力，在坑内预留土坡开挖至坑底标高后，斜抛撑轴力值达到峰值，之后在峰值处小范围波动。由于斜抛撑轴力受环境温度影响因素较大，施工时要考虑温度的影响，斜抛撑尽量在温度低的时候架设，以保证达到预期的预应力值。

根据监测数据显示，基坑周边沉降变形主要发生在土方开挖期间及开挖后7d 内。基坑角部有水平钢管支撑处地表沉降量一般在25~50mm，基坑中部斜抛撑支撑处地表沉降量一般在40～90mm，基坑西侧临近联合污水处理厂内部道路处有多处沉降数据超出报警值。在混凝土底板浇筑完成、安装斜抛撑后，基坑周边地表沉降逐步趋于稳定。

4 结论

①斜抛撑与SMW 工法组合具有安全、经济、绿色环保、施工效率高的特点，在深厚软土基坑施工中可以发挥较为理想的作用。围护桩体整体变形量较小，斜抛撑的架设对围护桩体变形有明显的约束作用。

②针对斜抛撑的安装，采用“地面拼装成型、整体吊装焊接”的施工工艺，选择一天之中温度最低的时段进行安装，减少温度因素的影响，控制预应力值达到预期。

③在斜抛撑安装之前，严格控制基坑周边的荷载以控制基坑变形，尽量避免出现超限堆载及重型车辆动荷载。如出现基坑变形较大情况，可以采用边坡土袋堆载、加快施工速度等措施。

④斜抛撑与SMW 工法组合的施工质量将直接影响围护结构的支护效果。因此，必须在设计方案、施工质量方面严格把关，进一步学习探索、深入研究，才能确保支护结构的顺利施工并提高施工效率，真正体现斜抛撑与SMW工法组合的优势和价值。