邻近建筑物和城市道路的基坑支护设计分析

刘 璐，曹 阳

（1：吉林省建筑科学研究设计院，吉林 长春 130011；2：敦化市建筑工程质量监督站，吉林 敦化 133700）

0 引言

随着我国经济的发展，基础建设项目增多，城市商业区建筑越来越密集，新建建筑多设有地下室，地下室部分也越来越深。在城市中心商业区，新建的许多建筑基坑都无法避免地紧邻周边既有建筑或城市主干路。这对基坑支护设计的考验越来越大，既要保证基坑安全，也要保证周边既有建筑和道路的安全，还要尽量节约成本，降低预算[1]。

当前深基坑支护形式的计算方式主要以英国学者朗肯1857 年提出的朗肯土压力理论模型来计算基坑内外侧土压力；利用极限平衡理论计算支护结构的内力和位移；采用1915 年瑞典彼得森提出的瑞典条分法来计算整体稳定性[2]。

1 研究项目基本概况

该研究项目位于吉林省延吉市某商业中心，基坑周长320 m，地势变化小，场地平坦，以自然地面起算的支护深度为10 m。周围邻近市政主干路（距基坑边缘最短距离4.23 m）和既有建筑（距基坑边缘最短距离5.41 m），主要采用排桩加锚索支护形式，局部采用双排桩支护形式。

1.1 地层及参数

据工程地质勘探资料显示，该段地层上部主要为中砂和圆砾，中砂厚度为2.3 m～3.5 m，承载力特征值为180 kPa；圆砾厚度为2.0 m～3.2 m；下部为强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩；局部夹层中存在强风化细砂岩和中风化细砂岩。

1.2 地下水条件

项目场地地下潜水水位埋深2.0 m～3.8 m，高程为170.37 m～172.17 m。水位随季节浮动，年变幅约为2.0 m，勘探时处于枯水期，水位属于一年中较低水平。地下水渗透系数: 中砂k=20.0 m/d、圆砾k=100 m/d。

1.3 承载力参数

各层岩土地基承载力特征值见表1。

表1 各层岩土地基承载力特征值 kPa

2 深基坑支护的常见形式

基坑支护设计从确定支护结构的形式开始，在分析支护结构可行性时，其主要因素有：基坑开挖深度；地层参数；地下水情况；基坑周边环境复杂程度、破坏造成的影响程度；基坑所处位置是否允许足够空间；项目所在场地是否允许支护结构施工的工艺；施工工期要求；预算要求等。目前在北方地区常见的基坑支护形式主要有以下几种。

2.1 放坡

由于放坡需要合理的坡比，边坡上口线往往距离基坑底部有一定距离，要求基坑周边有充足的空间。另外，放坡支护的水平位移较大，容易导致周边既有建筑、道路或管网出现变形，因此对变形控制严格的基坑不可采用放坡支护。但是这种支护方式工程预算最低。一般来说，施工现场满足放坡条件的三级基坑工程可采用放坡方式，由于放坡支护形式的施工大部分来自土石方的清运，所以操作简单，效率较高。并且放坡这种形式经常作为其他支护形式的补充，多用于基坑上半部分，可卸载部分土压力，配合其他支护形式协同支护。

2.2 水泥土墙

水泥土墙是指利用工程机械将土和水泥浆搅拌在一起，形成一道由其混合物组成的墙体，以此作为抵挡土压力和基坑外地下水的结构。此方式就地取材，施工过程中全部采用机械化，效率较高，可以一次解决需要抵挡土和水两个问题，省去了降水井的施工步骤，有利于节约成本、缩短工期，被广泛采用于二级、三级基坑的支护当中[3]。

2.3 钢板桩支护

钢板桩一般是指拉森钢板桩，是采用固定截面、定制长度、可以相互咬合的厚钢板材料。在支护施工时，采用振动锤击的方式锤入土体，彼此间相互咬合，形成密闭空间，既能抵挡土压力，也能抵挡地下水，并且钢板桩在基坑回填后可以回收再利用，具有经济性和高效性。

2.4 排桩支护

用于基坑支护的排桩一般分为人工挖孔桩、灌注桩、预制混凝土桩、钢板桩，其可作为保证基坑开挖后周边土体稳定性的一种支护形式。按照桩身埋置方式和支撑形式可分为支锚式、悬臂式两种方式，并且通过钢筋混凝土冠梁在桩顶连接排桩桩头，或在桩身位置用钢腰梁连接桩身，进一步增加稳定性和完整性。

2.5 土钉墙支护结构

土钉墙是一种在土体中加入钢筋的支护结构，俗称加筋土，是指利用穿过基坑潜在滑裂面的钢筋，来加固滑裂面抗滑强度，从而达到对滑动土体增加强度的效果。在土钉施工完毕后，应在基坑侧壁采用喷射混凝土以保护坡面，并在其中设置泄水孔。否则在雨季到来时，雨水倒灌入土，会导致滑裂土体的总应力大幅增加，严重时会导致基坑失稳。土钉墙支护结构施工相对简单，成本较低，在二级、三级基坑中效果非常好。这种支护结构一般要求基坑周边土体自稳性较好。

2.6 地下连续墙

地下连续墙是指埋于地下的钢筋混凝土墙，在基坑开挖之前应沿着基坑边线打造挡土墙，随着基坑开挖，整个墙面逐渐暴露出来，其可以抵挡基坑外的土压力和地下水，是一举两得的支护形式，但由于其采用大量的钢筋混凝土，造价非常昂贵，因此只有在地下土层参数非常差时才会考虑。

2.7 支撑式支护结构

支撑式支护一般分为钢支撑和钢筋混凝土支撑两种，其整体性好，安全系数高，能够较好地限制支护结构的位移，适用条件广泛，一般用于较深的基坑。但是内支撑结构中施工工作空间狭小不利于主体结构施工和土方搬运。且其造价相对较高。一般在主体结构施工过程中，会涉及拆撑和换撑工况，导致基坑施工工期较长。

3 深基坑设计方案

3.1 工程概况

3.1.1 基坑尺寸

该研究项目地下室共计2 层，周长约300 m，开挖深度达到10 m。

3.1.2 环境条件

场地周边存在既有建筑物，基坑三条边临近市政道路，基坑四周存在地下管线，环境较复杂。要求基坑水平变形控制在2 cm 以内。

3.1.3 基坑支护结构安全等级的确定

该研究项目基坑支护结构失效、土体过大变形对基坑周边环境或主体结构施工安全的影响严重。依据《建筑基坑支护技术规程》JGJ 120—2012，基坑支护结构安全等级为一级[4]。

3.2 支护方案拟选

从基坑支护结构类型及其优缺点中可以看出，对于容易产生较大变形的土钉墙、水泥土墙支护形式不能满足安全等级要求。放坡支护形式没有足够的空间，因此将此三项排除。

综合考虑基坑开挖、周边环境、地层情况、施工工艺，该基坑支护方案可采用以下4 种支护方式：①内支撑；②地下连续墙；③双排桩；④桩锚支护结构。可根据其优缺点选择最合理的支护结构。

1）内支撑结构

优点：支撑式支护结构可以适合多种形状的基坑，整体稳定性较好，安全系数高，成型后结构水平位移小，适用于开挖较大、较深基坑。

缺点：内支撑杆件会影响基坑出土和内部主体结构施工，有时还会涉及拆撑和换撑的步骤，造成工期延长的后果，而且造价很高，最终拆除的混凝土支撑也很难回收利用。

2）地下连续墙

优点：整体性好，成型后结构水平位移小，可以在土层参数很差的条件下起到稳固土体的作用，可挡土、挡水，一举两得。施工速度较快。

缺点：施工工艺中不可避免地产生大量泥浆，污染环境。造价高。

3）双排桩支护

优点：结构原理和适用性等同于单排桩支护，但其在土压力方向具有更大的挡土截面，在位移控制上效果更好。

缺点：造价高。

4）锚拉排桩支护结构

优点：整体刚度大，能够有效限制变形，环境污染小，施工简单，基坑内部空间充裕，方便施工，土石方开挖、清运较为方便。整体造价较低[5]。

缺点：基坑周边有地铁盾构项目时不可采用，锚索会导致盾构机刀盘损坏。

以上4 种方案，结合研究项目的具体情况，从安全性、施工工艺、成本预算、工期要求等方面综合分析，该基坑最终确定采用双排桩加桩锚支护结构两种支护形式。

3.3 设计依据

考虑基坑周边既有建筑及施工便道的重载车辆，荷载平均按40 kPa 计入。

场地地层参数取值见表2。

表2 场地地层参数

4 具体支护方案及计算模型

采用北京理正深基坑软件(F-SPW7.0)进行模型计算。由于本研究项目基坑支护设计根据的基坑形状、周边环境、土层参数、高程等不同，采用了两种不同的支护结构，在基坑的不同位置应用相应的结构形式，其中1-1 剖面采用桩锚支护，2-2 剖面采用双排桩支护形式。具体方案如下。

1-1 剖面：此段为桩锚支护，基坑深度10 m，排桩桩顶标为地表下1 m，钻孔灌注桩桩径800 mm，间距1 200 mm，有效桩长12 m，桩体混凝土强度为C30。共设置3 道锚索，锚索水平间距2.4 m，预加力150 kN。

2-2 剖面：此段为双排桩支护，基坑深度10 m，排桩桩顶标高位于地表，钻孔灌注桩桩径800 mm，间距1 200 mm，有效桩长16 m，桩体混凝土强度为C30。

此方案采用顶部稍作放坡处理，下部采用桩锚支护的形式进行支护，平衡周边荷载，合理坡比放坡，可缩短支护排桩的桩长，减少混凝土和钢筋用量，并合理设置锚索，可减少支护结构外侧的土压力及地表荷载传递的压力，缩小基坑支护结构的位移，在保证相同安全系数下，减小锚索长度。

5 支护结构的内力及变形分析

本文选择了桩锚支护结构（1-1）和双排桩（2-2）两种支护形式，具体计算情况如下。

1-1 剖面：开挖到底工况位移为14.84 mm、支护结构弯矩最大值86.67 kN，剪力最大值78.44 kN。①计算方法：瑞典条分法；②应力状态：有效应力法；③条分法中的土条宽度:1.00 m；④整体稳定安全系数Ks=2.926>1.35,满足规范要求；⑤抗倾覆稳定性验算：最小安全系数Kt=25.316>1.250，满足规范抗倾覆要求；⑥最小安全系数Kov=4.613>1.250，满足规范要求；⑦开挖到底工况最大水平位移为14.86 mm，符合要求（见图1）。

图1 1-1 剖面整体稳定验算简图（m）

2-2 剖面：开挖到底工况位移为14.67 mm、支护结构弯矩最大值243.37 kN，剪力最大值96.08 kN。①计算方法：瑞典条分法；②应力状态：有效应力法；③条分法中的土条宽度:1.00 m；④整体稳定安全系数Ks=3.082>1.350，满足规范要求；⑤抗倾覆稳定性验算：抗倾覆稳定性系数KQ=4.488>1.250，满足规范要求；⑥开挖到底工况最大水平位移为14.67 mm，符合要求（见图2）。

图2 2-2 剖面整体稳定验算简图（m）

6 结论

深基坑的支护较为复杂，涉及基坑支护结构的稳定问题，也涉及周边建筑物、道路、管线的安全问题，项目所在场地的环境也要考虑在内。本工程实践证明，采用双排桩加桩锚支护结构加固方式的基坑支护，成本较低，施工效率高，对周围建筑物、市政道路及管线影响小，可应用于城市中心位置的基坑工程。