基坑支護工程的優化設計及應用探討

王海號

摘要：基坑工程是地下空間開發的基礎，具有很強的復雜性，對基坑工程進行優化設計，一方面可以更好地保證安全性；另一方面也可以節省工程投資具有非常實用的研究價值。本工程結合實際地理位置，制定了合理的施工方案，給類似工程的基坑支護設計與施工提供借鑒。

關鍵詞：基坑支護；優化方案；應用

1. 工程情況簡介

擬建工程場地位置件見圖 1，基坑占地面積約 22000m2，開挖深度約19m。采用常規明挖順做法施工，需設置4道大面積鋼筋混凝土水平支撐，存在造價高、土方開挖與地下結構施工不便、工期長等缺點。本工程基本情況如下：

（1）擬建工程包括2棟超高層建筑（高度分別為140m，180m），1～4 層商業裙房；

（2）擬建工程地下設4層整體地下室，基坑開挖深度約20 米；

（3）工程為地鐵上蓋工程，地鐵6號線民權門站整體位于本工程地下結構內；

（4）擬采用地下連續墻做止水、擋土結構，地下連續墻厚1.0米、深 47米。

圖 1 工程現場平面圖

由圖 1 看出，本工程基坑開挖深度很大，基坑支護結構體系、土方開挖、地下室結構施工規模大，條件復雜，基坑施工風險高、施工難度大。

2. 常用基坑支護方法

2.1支護型式

工程所在場地地下水位高、土質軟弱。根據大量工程經驗（經過多方調研和考察），基坑支護方式的選擇有如下特點：

（1）采用土釘支護的基坑深度一般不超過5m；

（2）采用懸臂式排樁支護的基坑開挖深度不大于6m；

（3）對深度大于6m的基坑，需采用內撐式或樁錨式支護；

（4）對于不可拆卸的錨桿，不允許超出工程用地紅線；且開挖深度大于 10m 的基坑，采用排樁（或地下連續墻）+錨桿的支護方式，由于土質條件軟弱，設置在黏性土中的樁錨支護的變形往往較大；

（5）一般而言，基坑開挖深度6m～12m 時，可采用一道～二道內支撐；基坑開挖深度 10m～14m 時，可采用二道～三道內支撐；基坑開挖深度 13m～18m 時，可采用三道～四道內支撐；坑開挖深度 18m～25m 時，可采用四道～五道內支撐。當土質軟弱、基坑周邊變形控制嚴格時，內支撐的數量需 在上述基礎上適當增加。

因此，本工程的基坑支護方式不可能采用土釘支護或懸臂式排樁支護，而只能排樁（或地下連續墻）+多道內支撐的支護型式。同時，內支撐可采用鋼筋混凝土支撐或型鋼支撐。

2.2 基坑施工方法

對于本工程，可考慮采用的基坑支護方法有如下幾種：

2.2.1 設置四道水平支撐+明挖順做法（傳統做法）：

明挖順做法如圖2所示。對于設置4道水平內支撐的情形，其施工工序為：

（1）施工豎向支護結構+止水帷幕

豎向支護結構包括排樁、地下連續墻等。當水平支撐長度較大時，還需對水平支撐設置豎向支托系統。由于地下水位高，還需設置阻斷基坑內外地下水聯系的止水帷幕，防止基坑內降水時基坑外地下水位下降并由此導致地面沉降，造成環境影響。

圖 2 水平內支撐+豎向立柱支托系統

（2）基坑預降水+開挖第一步土方。將基坑內地下水位降低至第一道水平支撐以下，便于開挖第一步土方。

（3）施工第一道水平支撐；

（4）第二步降水+第二步土方開挖；

（5）第四步降水+第四步土方開挖；

（6）施工第四道水平支撐；

（7）第五步降水+第五步土方開挖至基坑底；

（8）施工基礎底板；

（9）回填基礎底板與圍護樁（墻之間的）土體，設置換撐傳力帶；

（10）拆除第四道水平支撐；

（11）施工地下負四層結構；

（12）施工地下負一層結構；

（13）回填地下負一層與圍護樁（墻之間的）土體；

（14）完成地下部分的施工。

2.2.2 周邊逆作+中間順作法

明挖順作法是由上到下逐漸施工臨時性的基坑水平撐，基坑土方開挖到基坑底后，再由下至上施工整體地下室結構。該法的每層臨時性支撐也需拆除。對于大面積基坑來說，這部分支撐的造價也頗為可觀。對于基坑面積較大、預留反壓土寬度又不足時，可比選周邊逆作+中間順作法方案的可能性。 該法的特點是：

（1）分層逆施外圍結構至坑底，隨逆施分層開挖土方；

（2）外圍施工至坑底后順施中部基坑；

（3）中部基坑內結構分層與外圍逆施板連接；

（4）利用外圍地下結構梁板體系逆施做內支撐系統，節省支護造價；

（5）由于周邊逆施的結構樓板寬度較大，作為水平支撐時，支撐剛度大，基坑變形控制良好；

圖 3 施工周邊負一、負二層樓板，開挖負三層土方

3. 基坑支護方案優化

3.1常規支護方案及存在問題

目前，深大基坑工程并已成為當前建筑業的一大技術難點。基坑的開挖深度可達到20～30m， 軟弱土中基坑一次性開挖面積達5萬m2～10萬m2甚至更大的大面積深基坑也越來越多。例如，上海虹橋交通樞紐開挖面積達15萬m2 以上，海河廣場基坑開挖深度17.5m，基坑開挖面積 約10萬m2，高銀 METROPOLITAN 中央商務區基坑開挖面積近10萬m2，大面積基坑開挖深度19m左右，大悅城基坑開挖面積約7萬m2，大面積基坑開挖深度15.5m 左右，津港中心基坑開挖面積達6萬m2以上。

從可持續發展的角度，當前深大基坑支護工程的設計、施工方法基本還是套用傳統的深度不大的中小基坑的方法，即采用地下連續墻或排樁擋土，設置多道水平支撐或錨桿。由于基坑面積巨大，設置水平支撐造價高（每道水平鋼筋混凝土支撐的造價可達數百萬元，甚至上千萬元）、施工周期長、拆除不便、土方開挖與地下工程結構施工不便，而且大量拆除的混凝土等固體廢棄物處置與再利用困難，需占用大量的堆棄場地等，浪費了大量的人力、物力和社會資源，不符合可持續發展的政策。

軟土地區深大基坑支護工程通常采用大量的地下連續墻（或排樁）和水平支撐或錨桿等臨時 結構作為支擋結構。當基坑寬度較小時，可采用型鋼作為水平支撐，實現水平支撐的循環利用。但當基坑寬度較大時，常采用鋼筋混凝土水平支撐。圖 4是某個大面積基坑的鋼筋混凝土水平支撐形式，每一道水平支撐的造價可達1000～1500萬元。

對于本工程，完全采用上述方案均存在技術、經濟方面的一些問題如下：

3.1.1方案 1：明挖順作方案

圖 4 環梁型鋼筋混凝土水平支撐

對明挖順作方案，有如下特點：

（1）由于基坑變形大，同時地鐵車站基坑距鄰近建筑物僅14m，基坑變形需嚴格控制，因此， 基坑支護體系需要有較大的剛度，故水平支撐若采用圖4所示的水平支撐，由上海城建設計院設計的本工程鋼筋混凝土水平支撐方案與圖4所示的某實際工程類似。

（2）造價：根據本工程基坑面積、開挖深度、變形控制要求，水平支撐需采用鋼筋混凝土水平支撐其布置見圖11。根據上海城建設計院的方案，明挖方案比蓋挖增加了4道混凝土撐，其混凝土方量約 12000m3，社會平均造價約2500 元/m3，支撐總費用約3000 萬元

（3）工期：大基坑開挖及結構順作至0.00 標高時間約14個月，即塔樓出地面的時間需要14個月。

3.1.2 方案 2：周邊逆作+環梁支撐+中間順作法方案

方案平面圖如圖 5 所示。

圖 5 周邊逆作+環梁支撐+中間順作法方案平面圖

與上述方案相比較，本方案特點如下：

（1）在塔樓與地下連續墻之間，由于反壓土寬度不夠，根據類似工程關于大面積基坑無支撐多級支護的成功經驗，在此處的反壓土處打設雙排樁，形成二級支護，解決反壓土寬度不足的問題。外圍逆施至地下二層底板后，可開挖坑內塔樓位置土方至坑底；

（2）可把一個塔樓包含在首先開挖到底的基坑范圍內，從而可順施塔樓，同時逆施外圍結構。

（3）外圍施工至坑底后順施中部基坑；

（4）中部基坑內結構分層與外圍逆施板連接；

（5）利用外圍地下結構梁板體系逆施做內支撐系統，不需拆除。不必設置臨時水平支撐，節省工期和支護造價；

（6）可有效保證塔樓工期。

3.1.3 類似工程：

旺海國際廣場大面積基坑支護設計中的應用情況：在基坑北側，基坑大面積開挖深度18.0m，局部深坑開挖深度 22.5m。由于塔樓與基坑邊的距離不夠，反壓土放坡后的寬度不能滿足基坑穩定和變形控制的要求。為保證塔樓處也能進入中心島施工范圍，提前塔樓的工期，在塔樓與地下室外墻之間設置了雙排樁，使北側基坑最大開挖深度達 22.5m 的條件下，依靠多級支護，實現直接開挖到基坑底，根據調研情況，圍護樁頂的水平位移在 30mm～40mm，圍護樁距道路僅 3m，現場查看路面沒有出現任何開裂，取得了很好的技術經濟效果。

4 .結論

仔細分析城市軟土地基大面積基坑支護的成功方案后，對擬建工程的基坑支護方案進行了優化，計劃采用周邊逆作+環梁支撐+中間順作的方案，此支護方案可節省大面積臨時性鋼筋混凝土水平支撐的造價與工期，同時，使塔樓可以進入基坑首先開挖到底的范圍，可盡快開始塔樓地下室的順作，提前了塔樓工期，最終實現相對工期短、投入成本小、支護體系可靠的管理目標。

參考文獻：

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