环形内支撑在软土地区深基坑中的应用

陈永进

（福建省水文地质工程地质勘察研究院，福建漳州 363000）

随着城市土地资源紧张日益加剧，面临着场地空间有限、周边环境复杂的窘境，为了提升地下空间的使用率，城区两层地下室已成为标配，开发大型地下空间已成为一种必然[1]。本文以福建漳州某深基坑工程为例，通过该基坑支护面临的技术问题、设计方案比选、基坑支护结构设计与施工效果评价分析等方面，探讨环形内支撑在软土地区深基坑的适用性，为类似工程起到参考作用。

1 工程概况

1.1 项目概况

工程位于漳州市水仙大街北侧，场地北侧、东侧、西侧为已建住宅楼，住宅楼均为老旧建筑，地基基础为浅基，基坑顶放坡线与已建住宅相距约2.96m，南侧距水仙大街红线2.70m，北侧距已建住宅约4.20m，东侧距已有道路7.20m（其中还需有一条4.00m 宽的施工道路），本基坑周边环境较复杂。

本项目建筑总面积约18565.10m2，其中地上建筑面积约11558.00m2，地下室为二层地下室，地下室建筑面积约为7007.1m2，±0.000 等于绝对标高6.90m，底板底相对高程为-8.45m，基坑开挖深度为7.75m，本项目周边环境图详见图1。

图1 基坑周边环境图

1.2 地质概况

在基坑开挖影响范围内，本场地各岩土层的分层如下：

①杂填土：黄褐色，稍密，稍湿，主要以粘性土、碎石、建筑垃圾回填为主，均匀性差，回填年限约20年，基本成自重固结，力学强度低，工程性能差。分布于整个场地，厚度为1.70～3.10m。

②耕土：灰褐、黄褐色，稍密，稍湿—饱和。主要由粘性土和植物根茎组成，密实度及均匀性差，基本完成自重固结，力学强度低，工程性能差。分布于整个场地，层顶埋深1.70～3.10m，层厚0.50～1.20m，层顶标高为3.78～5.50m。

③淤泥：灰色、深灰等色，流—软塑，饱和。以粉粒及粘粒为主，富含腐殖质和贝壳碎片，具腥臭味。干强度中等，韧性中等，切面光滑，稍有光泽，摇震反应无。该层属高压缩性土，力学强度低，工程性能差。分布于整个场地，层顶埋深2.40～3.90m，层厚1.30～5.00m，层顶标高为2.66～4.60m。

④中砂：浅灰、灰色，以稍密—中密为主，饱和。成份以石英质中砂颗粒为主，其次为细砂，含量约为13%，磨圆度较好，颗粒分选性较差。泥质含量约20%，该层力学强度较高，工程性能较好。分布于整个场地，层顶埋深5.10～8.60m，层厚1.00～5.50m，层顶标高为-1.62～1.82m。

⑤粘土：浅黄色，可塑状态，饱和，以粘粒、粉粒为主，局部含砂量较高，呈互层状，无摇振反应，干强度、韧性中等，冲积形成，该层力学强度较高，工程性能较好。分布于整个场地，层顶埋深5.10～8.60m，层厚1.00～5.50m，层顶标高为-4.22～-1.33m。

⑥砾砂：浅黄、浅灰色，砾石约占35%，粒径一般10～30mm，个别在50mm 以上，次圆状，砾石约占25%，余为各粒径砂及少量粘性土，呈饱和，总体呈中密状态—密实，局部夹卵石，该层力学强度高，工程性能好。分布于整个场地，层顶埋深为12.30～14.60m，厚度为3.80～8.10m，层顶标高为-7.80～-5.38m。

⑦全风化花岗岩：褐黄、浅黄色，主要由石英、长石及云母等矿物组成，风化完全，原岩组织结构已基本破坏，已基本风化呈土状，用镐可挖，干钻可钻进，风化裂隙、节理发育，散体状结构，属极软岩、极破碎，岩体基本质量等级为V 类，总体自上而下风化减弱，与下伏层呈渐变关系，无存在软弱夹层、洞穴等，该层力学强度高，工程性能好。分布于整个场地，层顶埋深为17.70～21.50m，厚度为1.90～7.10m，层顶标高为-14.70～-10.63m。

2 主要基坑支护技术问题

（1）拟建场地位于水仙大街以北，其余各侧为已建老旧居民楼，除东侧距已有道路7.20m（其中还需有一条4.00m 宽的施工道路），各侧基坑边坡顶边线均受已建成的道路及居民楼限制，而地下室开挖深度较深，基坑如出现较大变形将严重影响到已建老旧居民楼、周边道路及埋设于道路下管线的安全。

（2）本项目的地质条件较差，存在深厚的软弱土层及渗透性强的砂层，且基底下不透水粘土层厚度不均，部分基底下粘土层缺失，基坑开挖以后将产生较大位移，这对基坑设计和之后的施工增加不少难度。

3 基坑支护设计方案

3.1 设计方案比选

针对基坑支护技术问题，最常采用支护形式有排桩+止水帷幕、地下连续墙、SMW工法桩等结合内支撑的方式：

（1）排桩+止水帷幕：根据地层情况，钻孔灌注桩可采用长螺旋压灌灌注桩，属于不挤土桩，对周围环境影响较小，可通过桩径调整合理的侧向刚度；止水帷幕可根据开挖深度、经济性及止水效果选择三轴搅拌桩、高压旋喷桩、水泥土搅拌桩等。本基坑距离已建老旧建筑和道路较近，且基坑开挖深度较深，采用防渗性效果较好的三轴搅拌桩进行止水,适用于深度在15m范围以内的基坑。

（2）SMW 工法桩：采用三轴搅拌桩内插型钢，刚度相对钢筋混凝土较小，对控制变形位移不利，适用于饱和粘性土地区开挖深度7m以内的基坑（若土体强度较好，开挖深度10～11m 以内的基坑亦可考虑此方案）[2]，不适合周边环境对位移要求严格的基坑，因此本项目不适用。

（3）地下连续墙：侧向刚度大，同时具备挡土止水效果，工艺成熟，适合基坑深大和周边环境变形要求高的基坑。但其工艺复杂且造价高，如果该地连墙能同时作为地下室外墙则会比较合理，因此本项目不适用。

综上所述，该项目采用钻孔灌孔桩+止水帷幕结合内支撑的支护形式较为合理。具体的基坑支护平面布置图详见图1。

3.2 排桩选型

排桩有灌注桩、管桩，因本基坑较深，桩身弯矩要求较大，且周边环境对变形要求严格，优先采用未挤土钻孔灌注桩，本项目采用长螺旋压灌灌注桩，该工艺未挤土，成桩速度快,质量能得到保证。钻孔灌注桩桩径0.9m,桩间距1.4m,桩长13.0～14.2m。

3.3 三轴水泥搅拌桩止水挡土帷幕

基坑外侧有流塑状态的淤泥和中砂且基坑较深，止水帷幕采用三轴搅拌桩止水效果最好，同时止水帷幕能起到挡土的效果。三轴搅拌桩桩间距0.60m，桩径为0.85m，搭接0.25m，基坑支护典型剖面图如图2 所示。其中三轴搅拌桩进入淤泥层下粘土层不小于1.5m，三轴水泥搅拌桩的水泥掺量为不小于360kg/m3。

3.4 环形内支撑布置

内支撑分为钢筋混凝土支撑和钢结构支撑两种。钢结构支撑安装速度快，拆除方便，传力路线明确，但作为角撑等斜向受力构件时效果较差；钢筋混凝土支撑通过选择合理的截面尺寸，调整支撑刚度，刚度较好，控制变形效果较好，但安装拆除比较复杂。本项目周边环境为老旧居民楼，且距离较近，为控制好变形，内支撑采用钢筋混凝土支撑。场地整体放坡1.5m，冠梁与内支撑层同一水平层，根据基坑深度考虑，只需设置一道内支撑层即可满足要求。冠梁尺寸0.8m×1.2m，环梁尺寸0.8m×1.5m，联系梁尺寸0.8m×0.8m，混凝土强度等级均为C30。内支撑平面布置图详见图3。图中所示环形梁直径为58.5m，共布置16 根立柱桩。其中立柱为角钢钢格构柱,立柱埋设于已提前打设的桩径0.9m的长螺旋钻孔桩内。

图3 内支撑乎面布置图

4 基坑结构设计计算

本基坑支护结构设计分为剖面单元计算和支撑系统的整体验算。

4.1 剖面单元计算

支护剖面的计算：结构计算、截面计算、抗倾覆验算、整体稳定性验算、抗隆起验算，因有的剖面坑底就是砂层，抗突涌不用验算。

具体工况如下：

工况1：开挖土方至冠梁底标高（2.3m处）；

工况2：设置支撑系统；

工况3：开挖土方至基坑坑底标高（7.75m处）；

工况4：底板施工并设置地下室底板与围护桩间传力带；

工况5：地下一层顶板施工,并设置顶板与围护桩间传力带；

工况6：回填至支撑底并拆除内支撑。

剖面计算是按平面应变问题进行内力与变形的计算，采用深基坑支护结构软F-(SPW7.0版)计算，岩土体基坑支护计算参数表见表1。

表1 岩土体基坑支护计算参数表

地下室开挖完毕后，计算结果内力位移包络图见图4，内力取值表见表2。

表2 内力取值表

图4 内力位移包络图

从图4 内力位移包络图得知桩最大位移在内侧坑底往上的位置,桩负弯矩在最大位移处。弯矩图和剪力图中两条曲线分别为弹性支点法和经典土压力方法得出的计算结果，均能满足要求。

4.2 内支撑系统整体验算

内支撑系统整体验算采用三维空间整体分析方法，通过深基坑7.0软件支护布置导入之前各个剖面单元计算结果，经过网线布置、内撑布置，最终通过深基坑三维整体计算，见图5内支撑整体验算图，满足各个工况下桩体水平位移在30mm 以内，且冠梁、支撑梁截面尺寸和配筋均能满足计算结果要求。

图5 内支撑整体验算图

5 施工效果评价分析

本工程自2020 年3 月24 日开始施工围护桩，共施工围护桩180 根3425m，立柱桩15 根230m。为了保护三轴搅拌桩止水帷幕效果，等围护桩先行一段时间后，再重新平整场地分段施工∅850mm三轴搅拌桩，共施工430根5160m，施工过程顺利，施工进度按计划进行。长螺旋钻机及三轴搅拌桩机退场并进行清理场地后，即进行第一层土方开挖（开挖至冠梁底），至2020 年9 月26日内支撑梁施工完毕，开始分层开挖土方，至2021年3月16日基坑土方回填完成。历经近一年的基坑监测，冠梁顶部最大累计水平位移量22mm，基坑顶最大累计沉降量18mm，均未超出预警指标；各个监测点的支撑轴力都未超过（60%～70%）的构件承载能力设计值。从第三方监测结果可知，基坑在开挖及使用阶段，变形稳定，未出现险情。详见图6基坑支护效果全貌图。

图6 基坑支护效果全貌图

6 结语

（1）老城区中对于周边环境复杂，且地质条件不好的软土地层中的深基坑，应选用刚度较大，控制变形为主的支护，本项目采用排桩+钢筋混凝土内支撑支护形式满足要求。

（2）本项目采用圆环内支撑受力结构体系为空间体系,能够较好的发挥拱的受力特点,将基坑四周产生的土压力通过联系梁和环梁大部分转化为轴压力,有效地利用混凝土材料良好的抗压特性，同时大大减少了土方的开挖和运输的难度[3]。

（3）对于存在深厚的淤泥层及透水性较强的砂层（承压水），基坑四周的防渗尤为重要，选用三轴搅拌桩止水帷幕效果好，是基坑支护设计成功的关键。

（4）本项目存在深厚透水性强砂层，有中砂、砾砂，为承压水。坑底以下存在厚薄不均的粘土层，且基坑场地内有部分坑底以下粘土层缺失，止水帷幕虽有部分进入粘土层，但并未完全隔绝坑内与坑外的水力联系，基坑开挖及地下室施工过程中，坑内管井降水应持续进行，保持坑外与坑内水位的动态平衡。降水过程应及时监测坑外地下水位，坑外水位如下降超过预警值，应及时调整坑内降水量，并采用应急方案补充坑外水源，以免水位下降过多，引起软土层沉降，进而引发周边房子沉降。