滨海城市深基坑支护方案与设计方法

廖杰

（中铁南方投资集团有限公司，广东深圳 518000）

1 引言

滨海地区的地质、 气象条件复杂， 同时海洋潮汐影响强烈，具有地域特殊性，在此类地区施工深基坑时存在诸多不确定性因素，质量隐患和安全隐患多。 以科学的方法支护深基坑是保障施工安全和质量的重要前提， 因此探明滨海地区自然条件并在此基础上制订安全可靠的深基坑支护方案具有重要意义。

2 滨海地区深基坑工程施工特点

1）支护体系复杂。 滨海地区的地质条件和水文条件特殊，即便同一地区也难以保证地质、水文条件的一致性。 滨海地区土层的富水性、高压缩性、触变性等特征均会影响基坑工程性状，为维持深基坑稳定性而设置的围护结构体系具有复杂性，且极容易由于支护结构设计不合理而影响深基坑的稳定性。

2）环境条件差。 深基坑工程施工具有破坏性，导致周边的应力场以及地下水位发生变化，降低围岩土体的稳定性，可能变形乃至倒塌，且此类问题在滨海地区体现得更为明显[1]。

3）计算理论不完善。 深基坑工程的计算主要涉及土压力和支护结构两方面。 基坑工程施工涉及地质、结构等专业，计算时需考虑的因素多，在此方面的设计计算理论有待完善。 从以往的滨海地区深基坑工程计算来看， 主要以朗肯土压力理论为指导进行计算，或依靠经验取值，计算方法不科学，计算结果可能缺乏有效性。

3 滨海地区深基坑支护方案的选用原则

1）深基坑周边无重要市政设施以及建筑物，地下水位较高且地层含较厚砂层时， 若放坡空间有限则采取土钉墙支护方案，若空间充足则采用坡率法支护。

2）基坑周边存在浅基础建筑物，地下水位较高同时地层中有较厚粉细砂层时， 考虑搅拌桩重力式挡墙或悬臂桩加止水帷幕的支护方案， 此类深基坑施工条件不宜采用降水的方法，否则可能引起周边建筑沉降。

3）深基坑周边的浅层建筑物密集分布时，采用钻孔灌注桩和预应力锚杆支护方案，而考虑到水侵蚀作用，在灌注桩间设置搅拌桩，提升支护效果。

4）施工现场地质条件较差同时基坑较深时，采用地下连续墙加逆作法，保证深基坑支护的有效性以及保护周边环境[2]。

4 工程概况

某拟建建筑位于滨海地区， 建筑基坑周长约300 mm，开挖深度6.40～7.70 m，针对建筑及地下车库进行基坑支护。 基坑东侧、南侧、西侧空间约为6～8 m，北侧为独立基础、框架结构的4 层建筑，本工程建筑外墙与其外墙距离在1 m 以内，空间狭小。 工程充分考虑现场地质、水文等基础条件，采取全面的深基坑支护措施。

5 施工现场地质水文条件

1）地质条件：场地表层为素填土，自下依次为：第四系全新统风成沉积细砂，冲积海积中砂、含粉质黏土粉细砂、粉土，海积中砂、粉土，冲洪积角砾。

2）水文条件：主要含水层为②层细砂、③层中砂，属第四系孔隙潜水，地下水位变幅1.50～2.00 m，稳定水位埋深3.00～3.65 m。

3）地基土参数：从重度、黏聚力、内摩擦角、土钉及锚索极限黏结强度标准值多方面分析各土层的特性，具体如表1 所示。

表1 土层物理力学性质指标

6 滨海地区深基坑支护方案

6.1 支护方案比选

基坑开挖深度6.0～7.5 m，东侧、南侧、西侧施工空间约为6～8 m，北侧紧邻既有建筑物，根据深基坑施工条件，初步提出放坡支护、土钉支护、桩锚垂直支护3 种支护方案。 由于工作面的要求以及基础外扩，施工空间被压缩至4 m 左右，无法提供充足的空间用于放坡； 而桩锚垂直支护方案虽然可以取得良好的支护效果，但造价偏高。 经过对支护效果、成本控制多方面的考虑，建议深基坑东侧、南侧、西侧采用土钉墙支护，北侧紧邻建筑物，施工空间狭窄，采取垂直支护的方法。 根据前述思路，制订深基坑支护方案。

方案一：灌注桩锚支护，对周边环境的影响较小，支护结构稳定。

方案二：SMW 工法， 支护与止水结合， 支护结构稳定可靠，支护采用的型钢在工程施工结束后可回收利用。

方案三：高压旋喷桩内插H 型钢加锚索垂直支护，在施工空间狭窄时具有可行性，支护效果良好，成本较低。

结合施工现场的地质条件、水文条件等，对比分析前述3项方案的优缺点，评估在本工程深基坑支护中的可行性。

方案一：施工效率低，成本高，且灌注桩施工设备得以有效应用必须建立在现场有充足空间的前提下， 而基坑北侧紧邻既有建筑，因此此方案缺乏可行性。

方案二：优势在于仅对北侧做垂直支护即可，深基坑支护工程量较少， 但为满足支护要求而需投入较多的成本用于购置型钢及三轴搅拌桩的施工材料，同时现场电压负荷有限，难以充分满足设备用电需求[3]。

方案三： 高压旋喷桩内插H 型钢加锚索垂直支护方案的结构布置紧凑，可适应空间狭窄的施工环境，同时H 型钢的应用能够提高支护结构的抗弯性能，施工效率高，成本较之于方案一、方案二更低。

基于前述分析，认为方案三最为可行，即基坑北侧用型钢桩桩锚支护，东侧、南侧、西侧用管井降水，北侧用高压旋喷止水帷幕止水。

6.2 专家评审

在确定深基坑支护方案后，组织专家评审，结合实地勘探结果，探讨深基坑支护方案的可行性。 经过专家评审后，提出如下意见：（1）北侧桩锚支护时，设H 型钢作为挡土桩；（2）北侧采用止水帷幕施工方法， 以突破空间狭窄而无法修筑降水井的施工难点，并减弱对相邻建筑的影响，避免既有建筑的独立基础出现不均匀沉降；（3）深基坑支护施工中，应做好阳角的锚索施工作业。

6.3 选取最终的支护方案

6.3.1 支护参数

深基坑北侧紧邻既有建筑物，空间有限，采用高压旋喷内插H 型钢桩锚支护方案，设置的是桩径650 mm、桩长14.5 m的高压旋喷桩，桩体搭接150 mm，桩内以0.5 m 的水平间距依次设置长度为14.5 m 的Q235 的HW250×250 型钢。竖向锚索直径150 mm，入射角15°，水平间距1.5 m，共设置3 道，锚索腰梁采用18b 槽钢，混凝土强度等级为C30。 高压旋喷桩的施工参数根据现场试验结果而定，每米的水泥用量为350 kg[4]。

根据专家评审意见， 深基坑施工时需注意北侧阳角锚索施工问题，出于质量考虑，以锚索对拉的方法施工此部位，锚索采用2～3 束直径15.2 mm 的钢绞线，高压旋喷内插H 型钢。

6.3.2 基坑止水与降水

深基坑北侧属于重点止水区域， 采用高压旋喷桩止水帷幕，设4 处观测井，用于观测现场止水效果。 观测井可兼作回灌井使用，基坑开挖引起建筑物沉降时可回灌。 止水帷幕向北延伸至既有建筑止水帷幕并连接，提升降水效果，减小基坑施工对既有建筑产生的不良影响。

7 深基坑支护数值分析

深基坑北侧存在填土、细砂、中砂、粉砂等土层，将此部位作为重点支护对象，进行支护数值分析。 根据土层特性，采用Hardingsoil 本构模型。 网格由三角形单元组成，网格划分方式如图1 所示。

图1 数值模拟网格划分示意图

桩身水平位移最大值为39.2 mm， 第二道锚索轴力最大，达到193.8 kN，第一道、第三道锚索的轴力分别为140.1 kN、174.25 kN。 基坑外地表沉降考虑开挖至1.8 m、3.8 m、5.8 m、7.7 m 4 种工况，其中地表最大沉降为38.3 mm，对应部位为距离基坑内壁15 m 处。

8 滨海城市深基坑支护设计方案研究分析

1）基坑北侧建筑外墙与既有建筑外墙的距离＜1m，施工空间有限， 需要考虑基坑施工有效性以及对既有建筑的防护要求，为此采用高压旋喷桩内插H 型钢桩锚的支护方法，能够在有限的空间内完成支护作业，顺利进行基坑施工活动，北侧建筑未受到基坑施工的影响。

2）由于场地地下水丰富，地下水控制方案为：北侧采用高压旋喷止水帷幕，其余各侧采用管井降水。 为确保北侧锚索顺利施工，成孔时采用套管跟进工艺，减少支护风险。

3）现场空间有限，常规支护方法缺乏可行性，精简支护结构至关重要， 而本次设计的深基坑支护结构无须占用过多的空间，支护结构形式合理。

4）充分考虑基坑北侧阳角的锚索施工，参考专家评审意见进行深入优化。

9 结论

基于本文的分析内容，得出如下结论。

1）案例工程深基坑北侧施工空间有限，支护方案采用的是高压旋喷桩内插H 型钢， 在狭窄的空间内建设质量可靠的支护结构。

2）深基坑北侧止水帷幕向北延伸后连接既有建筑的截水挡墙， 共同止水， 利用完整的止水帷幕保障既有建筑的稳定性。 监测结果显示，既有建筑的沉降小，深基坑支护效果良好。

3）经过数值模拟分析后，调节搅拌桩长度以及优化型钢型号，保证了深基坑支护结构的有效性，降低了支护成本。