深厚軟土基坑斜拋撐與SMW 工法組合施工安全應用

劉道路 LIU Dao-lu

（上海市政工程設計研究總院集團有限公司，上海 200082）

0 引言

在我國沿海地區、沿河湖地區，分布有大面積海相、河湖相沉積的深厚軟土，該類土層大多呈流塑狀，不僅強度低，而且承載力小，在此類地區進行深基坑工程施工時，應格外重視基坑支護體系的安全性及穩定性[1-4]。在常規的深厚軟土基坑支護設計中，一般以鉆孔樁加止水帷幕、鉆孔咬合樁、地下連續墻等支護形式最為常見，此類支護具有較好的安全性、穩定性[5-9]。但對于一些開挖深度較淺、施工工期緊張的基坑工程來說，以上支護體系經濟性較低、施工周期較長，難以滿足現場實際要求，拉森鋼板樁具有較短施工工期，雖也經常用于軟土基坑中，但其本身剛度較小，不適用于基坑尺寸較大且無法施加水平圍檁對撐的基坑工程[10-12]。

SMW 工法樁結構本身剛度大，兼有擋土止水功能，施工便捷，可循環利用，節約成本，綠色環保，在現今施工中得到了廣泛應用[13-15]。霍知亮等[16]對SMW 工法樁結構基坑開挖所引起的樁身深層水平位移和坑周地表沉降等進行研究，結果表明SMW 工法樁技術能夠減小結構的沉降變形。王禹[17]通過相關工程實際與有限元計算對SMW 工法樁在高水位淤泥地層中的應用進行研究，分析了SMW 工法樁在相似地質條件的適用性，并對有限元模擬計算在基坑工程的應用進行了展望。王金龍等[18]對單軸SMW 工法進行了研究與應用，研究成果極大拓展了傳統SMW 技術的適用范圍。肖昭然等[19]對砂土形成的SMW 工法樁型鋼內力進行現場試驗研究，研究成果可推廣在砂土地區進行應用。SMW 工法樁同樣對于軟土地區具有成樁快的優點，對于較大且無法在基坑內支撐水平支撐的，斜拋撐能夠快速提供側向支撐，提高基坑支護整體安全性能[20-25]。

基于上述分析，為了能夠快速、安全地完成深厚軟土基坑支護施工，以嘉興市聯合污水處理廠提標改造02 標深基坑工程為背景，探討斜拋撐與SMW 工法組合在深厚軟土基坑快速安全施工，分析和總結該圍護體系下基坑變形情況和施工中遇到的難題，在保證施工工期和安全前提下，驗證該支護方法能夠在深厚軟土地區基坑快速施工可行性。

1 工程概況

1.1 工程現場環境

嘉興市清潔排放提標改造工程施工02 標基坑工程，位于嘉興市海鹽縣西塘橋街道，嘉興聯合污水處理廠廠區東側。該工程基坑支護的范圍為南北兩座生物池及附屬用房，基坑長226.1m，寬84.6m，整體呈南北向、矩形狀，總面積約19130m2。擬建場地地面較為平坦，場地平整標高為3.50～4.00m，坑底標高為-2.600～-3.750m，基坑深度6.10～7.75m。本基坑工程安全等級為二級，屬于超過一定規模的危大工程。

擬建基坑位于污水處理廠預留空地內，周邊環境空間極為緊張。基坑北側為項目部大臨駐地；基坑南側存在魚塘，距基坑10～15m；基坑東側為既有寺廟及民房倉庫，基坑西側為一期綜合樓及二沉池，基坑周邊環境如圖1所示。

圖1 基坑周邊環境

1.2 地質與水文條件

擬建本場地地貌類型為長江三角洲沖積平原，第四系厚度巨大，為河湖相沉積及沖海相沉積。海相地層一般為灰色粘性土，流塑~軟塑，性質較差。勘察報告查明，在勘探所達深度范圍內，根據土層的巖性特征、成因年代、物理力學性質、埋藏條件將場地地下50.0m 深度范圍內地基土共劃分為5 個工程地質層組，細分為12 個亞層，場地地層層序與分布埋藏條件分述如表1 所示。

表1 各土層物理力學性質指標

擬建場地地下水主要為孔隙潛水、承壓水。場地淺部地下水類型屬孔隙潛水，孔隙潛水主要分布在①、②、③、③a 層土中，設防水位可采用常水位標高2.00m。承壓水主要賦存于⑥2 層、⑥3a 和⑥3 層土中，富水性一般。根據區域水位地質資料，承壓水位標高約-4.00m。淺部孔隙潛水對基坑（槽）開挖有一定的影響，微承壓水對基坑（槽）開挖有一定的影響。

2 基坑支護設計

2.1 圍護體系

基坑上部2.0m 采用1:1 放坡+坡面噴錨（10cm 厚C20混凝土，內配φ6@200×200 雙向鋼筋），基坑下部圍護體系采用SMW 工法施工，內插型鋼700×300×13×24，插一跳一，三軸水泥土攪拌樁選用φ850@600，該SMW 工法利用型鋼承受水土側壓力，攪拌樁作為止水帷幕，與內插型鋼的協調作用有利于加強圍護體的整體剛度。型鋼與冠梁間隔離材料采用不易壓縮的材料。

2.2 支撐體系

受場地限制及結構尺寸影響，基坑無法采用放坡或加水平支撐的支護方式，且每單元結構底板要分中心區域、外側區域兩次澆筑。基坑采用坑內預留土坡結合斜拋撐的內支撐方式，斜拋撐采用φ609×16 鋼管支撐，支撐平面間距為4.0~6.0m。工法樁樁頂設置1200×800mm 混凝土（C30）圈梁，主體結構中心區域底板設置混凝土支墩。斜拋撐一側安裝在冠梁上，一側安裝在支墩上支撐受力。同時基坑四個拐角處設置水平鋼管支撐，加強基坑穩定性。基坑平面圖如圖2 所示。

圖2 基坑平面布置圖

坑內預留土坡寬度為9m，放坡比例為1:2.5，對邊坡采用80mm 厚C20 混凝土護坡，內配φ6@200×200 雙向鋼筋。典型斷面內支撐剖面如圖3 所示。

圖3 基坑平面布置圖

2.3 支撐體系受力分析

依據工程現場建立力學分析模型如圖4 所示。

圖4 基坑計算力學模型

計算支護結構變形內力包絡圖如圖5 所示。

圖5 基坑計算力學模型

3 基坑施工工藝

3.1 施工流程

基坑工程施工前應先進行清表，查明基坑范圍內淺層障礙物的種類、分布及深度，提前做好準備；同時查明場地內外綜合管線分布情況，將埋設在基坑范圍內的管線及時移走。

基坑工程施工應按如下順序進行：

①首先將場地整平，開挖至放坡平臺標高（冠梁頂標高），依次施做SMW 工法樁、三軸攪拌樁坑底加固及混凝土冠梁；

②其次待冠梁達到設計強度后，由南向北、分塊分層盆式開挖至設計底標高，施做中心區域底板和支墩；

③然后待支墩達到設計強度后，施做鋼管斜拋撐。架好斜拋撐后挖除坑內預留土坡，施做剩余外側底板及底板傳力帶；

④最后拆除斜撐及底板支墩，施做池壁和頂板。待壁板達到設計強度，并滿足結構其他要求后，進行基坑回填、拔除型鋼。

3.2 施工關鍵技術

①水泥攪拌樁的水泥摻量和水泥土攪拌的均勻程度是控制水泥攪拌樁質量的關鍵，應嚴格控制水泥摻入量和攪拌頭的提升及下沉速度。

②土方開挖應分區、分層。每層不超過2m（硬土中），淤泥和填土等軟土中不超過1.0m。分區按照生物池單元分區。

③機械開挖至設計底標高以上300mm 時，應人工開挖到底。

④開挖至設計底標高后，應及時施做混凝土墊層封底，基底暴露時間不應超過24h。

⑤施工時應在中心區域底板和支墩混凝土強度達到80%后加裝斜支撐。

⑥在安裝完斜拋撐、施加預應力前，嚴禁開挖坑內預留土坡。

3.3 實施效果

為驗證斜拋撐與SMW 工法組合在深厚軟土基坑中應用的效果，通過對支護結構的變形位移、斜拋撐軸力、周邊構筑物的沉降變形情況等進行實時監測，以及時掌握基坑開挖時支護結構和周圍環境變形情況。通過對這些監測數據的整理和分析，總結斜拋撐與SMW 工法組合在深厚軟土層中的應用變化規律。

綜合考慮基坑監測點位置，選取基坑角部（CX8）、基坑中部（CX7，CX10）具有代表性的3 個深層水平位移監測點進行數據統計分析（監測點位置如圖1 所示），該兩點基坑開挖深度均為6.75m。由圖3（橫坐標為位移值（mm），縱坐標為深度（m））可知，各工況下基坑角部圍護樁體變形曲線呈“P”形，最大水平位移發生在坑底標高上約1.0~2.0m的范圍內。樁體整體變形量較小，φ609 鋼管水平角撐對圍護樁的約束作用明顯。

基坑中部工法樁樁體水平變形量較大。土方開挖時，在安裝斜拋撐前，位移最大處發生在樁體頂部，且隨著土體開挖，樁體變形持續發展。在支墩達到設計強度并安裝完斜拋撐后，樁體變形立即收斂。斜拋撐的架設對圍護樁體的變形約束作用明顯。

該圍護體系最大水平移變形（150.80mm）發生在CX10，而另一個基坑長邊水平位移監測點CX7 監測到的最大水平位移僅為63.50mm。原因在于基坑西側為嘉興市聯合污水處理廠內部道路，廠內的重型運輸車輛在該內部道路上通行頻繁。重型車輛通行帶來的動荷載對基坑圍護結構的變形有較大的影響。在采取重載車輛繞行、增加臨時土塊堆載、加快底板施工速度等措施后，基坑西側圍護結構的變形趨于穩定。（圖6）

圖6 基坑計算力學模型

根據軸力監測數據顯示基坑斜拋撐軸力，在坑內預留土坡開挖至坑底標高后，斜拋撐軸力值達到峰值，之后在峰值處小范圍波動。由于斜拋撐軸力受環境溫度影響因素較大，施工時要考慮溫度的影響，斜拋撐盡量在溫度低的時候架設，以保證達到預期的預應力值。

根據監測數據顯示，基坑周邊沉降變形主要發生在土方開挖期間及開挖后7d 內。基坑角部有水平鋼管支撐處地表沉降量一般在25~50mm，基坑中部斜拋撐支撐處地表沉降量一般在40～90mm，基坑西側臨近聯合污水處理廠內部道路處有多處沉降數據超出報警值。在混凝土底板澆筑完成、安裝斜拋撐后，基坑周邊地表沉降逐步趨于穩定。

4 結論

①斜拋撐與SMW 工法組合具有安全、經濟、綠色環保、施工效率高的特點，在深厚軟土基坑施工中可以發揮較為理想的作用。圍護樁體整體變形量較小，斜拋撐的架設對圍護樁體變形有明顯的約束作用。

②針對斜拋撐的安裝，采用“地面拼裝成型、整體吊裝焊接”的施工工藝，選擇一天之中溫度最低的時段進行安裝，減少溫度因素的影響，控制預應力值達到預期。

③在斜拋撐安裝之前，嚴格控制基坑周邊的荷載以控制基坑變形，盡量避免出現超限堆載及重型車輛動荷載。如出現基坑變形較大情況，可以采用邊坡土袋堆載、加快施工速度等措施。

④斜拋撐與SMW 工法組合的施工質量將直接影響圍護結構的支護效果。因此，必須在設計方案、施工質量方面嚴格把關，進一步學習探索、深入研究，才能確保支護結構的順利施工并提高施工效率，真正體現斜拋撐與SMW工法組合的優勢和價值。