天津市地道橋工程基坑支護技術應用與發展趨勢

駱春雨，胡 江，曹 景，孫東利

（天津市市政工程設計研究院，天津市 300051）

1 天津市地質條件特點

天津市位于渤海灣，屬于華北沖擊平原，由于受到河道常年淤積沖刷，造就了地質條件較為復雜的情況（見表1）。地表有較厚的軟土層，其下有厚度不等的砂層，且地下水位埋藏較淺，對于大型地下構筑物的施工會造成一定的困難。

表1 天津市地質土層分布表

近年來，隨著天津市大規模的基礎設施建設，特別是地道橋的大量建造，施工中針對天津地質特點選擇合理的基坑開挖與支護方式對于工程建設的成功與否具有重要的意義。

2 地道橋工程基坑常見支護形式特點及應用情況

基坑的開挖是基礎開挖面卸荷的過程，卸荷會引起坑底土體產生向上位移，同時也引起基坑邊坡土體水平位移，引起周圍地層運動隨著開挖深度增加所形成的水土壓力和地面各種超載的作用，就會使基坑周圍土體向基坑內移動。為了抵抗這種土體位移，保護基坑周邊環境，采取的支擋、加固及保護措施，統稱為基坑支護。

基坑支護技術發展很快，種類日益龐雜，傳統的單純“支護”的概念也發生了變化。最初的支護結構僅包括防滲擋土的內容，但隨著支護結構成體系的發展，支護的概念已擴充了不少，它或者可以成為主體結構的一部分，或者與地基基礎協同工作，或者要考慮環境效應。目前工程應用中主要采用的支護形式有以下幾種：

（1）鎖口鋼板樁（見圖1）

圖1 鎖口鋼板樁

特點：鋼板樁，尤其是鎖口鋼板樁，能夠有效封堵高流塑性淤泥向坑內涌土，并能形成有效的止水帷幕，可以有效克服支護方法中出現坡腳涌土而失事的弊病。基坑支護是臨時性工程，鋼板樁可以回收，目前一般是通過租賃鋼板樁施工，因此綜合施工費用不高，但施工噪聲大，振動大，對土體的擾動大，自身剛度較小,施工時易產生較大的變形。

適用范圍：適用各種土層，在硬土層中應用效果較好，一般用于開挖深度不大于5 m的基坑。

天津地道橋工程中應用情況：應用廣泛，常用于地道橋基坑的起終點開挖較淺段。采用該種支護結構，開挖深度大于3 m時應與橫向支撐結合使用。

（2）土釘墻（見圖 2）

圖2 土釘墻

特點：土釘墻是先開挖后支護，分層分段施工，具有比土方開挖稍后一步施工的特點。這個特點對那些復雜的土體結構特別有利，在開挖過程中，視土質條件的局部變化，采取相應的技術措施來解決，易于使土坡得到穩定，但軟土開挖支護不宜采用土釘墻。因為，軟土的內摩擦角小，使得土釘錨固體與軟土的界面摩阻力小，土釘的承載能力小，另外在軟土中成孔也較困難，故技術經濟綜合效益不理想。

適用范圍：土釘墻主要適用有一定粘結性的粘性土或粉土地質，且施工場地需要滿足開挖放坡、設置錨桿的條件，開挖深度一般不大于15 m。

天津地道橋工程中應用情況：天津市地表覆蓋一層較厚的軟土，因此不適合采用土釘墻支護，以往的工程應用較少。

（3）地下連續墻（見圖3）

圖3 地下連續墻

特點：地下連續墻的剛度大，止水效果好，能承受較大的水平側向荷載，結構變形較小，周圍地面的沉降少，能夠較好地控制和減少對鄰近建筑物的影響；地下連續墻施工時振動小、噪聲低，能在建筑物、構筑物密集地區施工，對周邊環境污染較小；地下連續墻無需設置圍檁體系，具有安裝速度快、施加預應力方便等優點。但是，地下連續墻工程量較大，對施工機械設備要求較高，造價較高。

適用范圍：適用各種深度、各種地質條件的基坑支護。因其造價較高的特點，常在深基坑支護中采用。

天津地道橋工程中應用情況：地道橋工程基坑一般由兩側向中間逐漸加深，最大深度一般不大于12 m，這種深度的基坑支護形式可選性較多，地下連續墻造價相對較高，因此在地道橋工程中應用較少。

（4）鉆孔灌注樁（見圖 4）

圖4 鉆孔灌注樁

特點：布置靈活，施工簡便，成樁快，機械化程度高，節省鋼材，價格低，適應性強。鉆孔灌注樁噪聲小，振動小，無擠土，無廢氣排放，對周圍建筑物、地下管線及居民生活影響較小。鉆孔灌注不具備止水的功能，往往要與水泥攪拌樁止水帷幕結合使用。綜合造價略低于地下連續墻，高于其它常見支護形式。

適用范圍：鉆孔灌注樁適用于各種土層，尤其適宜于在建筑物密集的市區施工。

天津地道橋工程中應用情況：鉆孔灌注樁對地層條件適應性強，機具簡單，應用廣泛。在天津市地道橋基坑工程中，開挖深度大于7 m段，應用非常普遍，施工經驗豐富。

3 地道橋工程基坑先進支護形式技術特點及應用情況

3.1 SMW工法

SMW工法（見圖5）作為一種較新的施工工藝，它是在現有深層攪拌樁的成熟工藝基礎上，加以改進，充分利用了攪拌樁的高止水性，增加了型鋼的剛度與強度，彌補了攪拌樁抗側向土壓力的不足。根據實際施工情況和以往監測數據來看，SMW工法作為基坑支護結構有較高的可行性，能有效地控制地面、周邊構筑物和地下管線的沉降；從技術經濟方面看，它能滿足止水和抗側向壓力，型鋼的回收在成本核算和間接投入上具有一定的優勢。

圖5 SMW工法

在天津這樣的軟土地基上，特別是在構筑物密集的市區，是較為理想的基坑支護結構。然而，SMW工法對施工隊伍的技術水平要求較高，型鋼的打拔也是一項不宜控制的施工步驟，這些因素大大制約了SMW工法在天津地區的應用與發展。

SMW工法的關鍵技術在于攪拌樁的制作和型鋼的打拔，掌握這兩項技術是成功應用SMW工法的必要條件，根據天津以往工程成功經驗，這兩項技術設計要點如下：

（1）攪拌樁的制作

a.同常規攪拌樁比較,要特別注重樁的間距和垂直度。施工中垂直度應小于1%,以保證型鋼插打起拔順利,保證墻體的防滲性能。

b.漿液配比除滿足抗滲和強度要求外,尚應滿足型鋼插入順利等要求。根據天津地區以往工程經驗，注漿配比:水泥摻量、膨潤土、緩凝劑、水灰比分別為13%、0.22%、0.8%、0.5左右較為適宜。

c.水泥攪拌樁在施工過程中必須加強攪拌，增加水泥與土體的均勻性。控制三攪二噴工序，第一次攪拌提升和第二次攪拌提升時進行噴漿，第三次攪拌為復拌，以提高樁身的均勻度，第一次噴漿量控制在60%，第二次噴漿控制在40%。

d.在攪拌下沉及提升過程中，控制下沉速度不大于2.0 m/min左右，提升速度50 cm/min左右。控制重復攪拌提升速度在0.8～1.0 m/min以內,以保證加固范圍內每一深度均得到充分攪拌。

e.相鄰樁的施工間隔時間不能超過24 h。

（2）型鋼的打拔

a.施工前必須檢查型鋼表面平整光滑,直線度必須控制在1.0%以內，型鋼插入攪拌樁前必須在表面均勻涂刷減摩劑，與圍檁間用牛皮紙隔離，以利拔樁。

b.型鋼起吊移動插入定位框架內，檢測型鋼垂直度，插入型鋼應控制在攪拌樁施工完畢12 h內（水泥土初凝前）進行，同時監控H型鋼的長度和插入攪拌樁的深度。插入前應校正位置,設立導向裝置,以保證垂直度小于1%。插入過程中,必須吊直型鋼,盡量靠樁錘自重壓沉。

c.型鋼回收,采用2臺液壓千斤頂組成的起拔器夾持型鋼頂升,使其松動,然后采用振動錘利用振動方式或采用卷揚機強力起拔,將H型鋼拔出，采用邊拔邊灌漿的方法較為適宜。

采用SMW工法是未來地道橋基坑支護技術發展的趨勢，掌握攪拌樁的制作和型鋼的打拔等關鍵技術是成功應用SMW工法的基礎。隨著社會的進步，施工隊伍水平的提高，SMW工法必將成為天津市地道橋支護形式中重要的支護技術，得到更廣泛的應用。

3.2 預應力魚腹梁鋼支撐支護（簡稱IPS）

預應力魚腹梁鋼支撐支護（見圖6）是由型鋼梁、鋼絞線、弦梁支撐件、連接點和錨具組成。其作用原理為：通過對鋼絞線施加預應力，給魚腹梁支撐桿件產生了一個較大的反作用力，從而使作用于魚腹梁圍檁上的彎矩大大減少，提高了魚腹梁的彎曲剛度。將預應力魚腹梁通過專用結點與角撐或對撐梁連接在一起，便組成了深基坑的支護系統。

圖6 預應力魚腹梁鋼支撐

經基坑工程實踐證明：該支護形式是現有基坑支護技術的跨越式發展，不僅能大大降低基坑支護的造價，顯著改善地下工程的施工作業條件，而且大大地減少了支護結構的安裝、拆除、土方開挖及主體結構施工的造價及工期。

其特點如下：

（1）安全可靠。相對于傳統支護形式的脆性破壞模式，IPS的破壞模式是延性破壞，從而提高了基坑支護結構的安全度。

（2）變形較小。及時支護并施加預應力，使基坑周邊地層水平位移能控制在20 mm之內。

（3）造價經濟。與傳統的支護形式相比，IPS可大大減少立柱和支撐的數量，進而降低了工程造價。

（4）施工方便。現場拼裝與螺栓連接使圍護結構的安裝、拆除非常方便，較大的施工作業面，使土方開挖、建筑材料搬運及主體結構施工均十分便利。

預應力魚腹梁鋼支撐支護是近幾年剛剛出現的一種基坑支護形式，在浙江、江蘇、上海等地已有工程應用，應用效果良好。在天津地區該種支護形式還處于發展階段，應用較少。鑒于該種支護形式的種種優點，未來必將在天津市地道橋基坑支護中得到廣泛的應用。

4 天津市地道橋工程基坑支護技術現狀及發展趨勢

為了在基坑支護工程中做到技術先進，經濟合理，確保安全，應綜合場地工程地質與水文地質條件，基坑開挖深度，周邊環境和周邊荷載，支護結構使用期限等因素，因地制宜地選擇合理的支護形式，來確保工程的造價合理與結構安全。

天津市地道橋工程基坑具備的特點如下：

（1）天津地區地表有較厚的軟土層，其下有厚度不等的砂層，且地下水位埋藏較淺。

（2）地道橋工程基坑一般長寬比較大，寬度約為15～50 m，長度約為300～1 000 m，開挖深度一般為1～12 m，縱橋向為由兩端向中間逐漸加深。

根據上述特點以及天津市已建的中紡路地道橋、海河西路地道橋、芥園西道地道橋等工程建設經驗，天津市地道橋工程基坑支護應根據不同的開挖深度優先選擇不同的支護形式。

開挖深度小于3 m段：優先選擇鎖口鋼板樁支護；

開挖深度3～7 m段：優先選擇SMW工法；

開挖深度大于7 m段：如掌握預應力魚腹梁鋼支撐支護，應優先采用，其次選用SMW工法（施工隊伍應具備該種深度型鋼的打拔能力），再次選用鉆孔灌注樁的支護形式。

5 結語

近年來，隨著我國工程技術的迅猛發展，向地下要空間已逐漸成為工程建筑行業發展的必然趨勢。地下空間的發展，可在一定程度上有效解決城市建設用地緊張的問題，有效緩解建設用地的供需矛盾，提高有限土地的使用效率，符合我國走綠色發展、可持續發展道路的要求。

地下工程的施工建設，不可避免地需要采用基坑支護方案。本文詳細論述了目前較為常用的基坑支護方案以及尚處于推廣前期的新型基坑支護方案，具體介紹了各方案的優缺點及適用條件，希望可借此文為天津市未來的地道橋工程施工提供借鑒。

[1]JGJ 120-99，建筑基坑支護技術規程[S].

[2]GB 50108－2001,地下工程防水技術規范[S].