型鋼水泥土攪拌墻在濱海軟土地基深基坑中的工程實踐

周 婉

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

隨著城市化進程不斷加快，在用地愈發(fā)緊張的城市中心，結(jié)合城市建設和改造開發(fā)大型地下空間已成為一種必然[1]。超大面積深基坑工程的數(shù)量在上海地區(qū)呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢[2]，同時上海作為典型的軟土地區(qū)，地面多分布濱海沉積相的軟土，其具有含水率高、孔隙比大、壓縮性高、靈敏度高等地質(zhì)特性，對基坑開挖影高響較大[3]。

型鋼水泥土攪拌墻（SMW工法）是一種在連續(xù)套接的三軸水泥土攪拌樁內(nèi)按一定間隔方式插入型鋼形成的復合擋土隔水結(jié)構(gòu)，在軟土地基中有廣泛應用。本文以上海某新建高檔服裝服飾生產(chǎn)基地項目的基坑工程設計為例，探討型鋼水泥土攪拌墻圍護形式在軟土地基中的應用實踐。

1 工程概況

上海某新建高檔服裝服飾生產(chǎn)基地位于閔行區(qū)。擬建建筑包括1棟4層產(chǎn)業(yè)樓、4棟8～13層產(chǎn)業(yè)樓，設置整體2層地下車庫。地下車庫為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，工程樁采用PHC管樁。本工程基坑面積約33 700 m2，周長約1 021 m，總體呈狹長梯形，普遍開挖深度10.3 m，靠邊集水井深坑區(qū)域開挖深度11.6 m。

本工程東側(cè)為蓮花南路，道路下分布有少量市政管線，道路上空高壓電纜線距基坑約10.3 m；南側(cè)為規(guī)劃四路、某構(gòu)件廠、若干活動房及磚砌體倉庫等；西側(cè)為淡水河；北側(cè)為南潮浜。用地紅線與基坑間的距離很近，為6.2 m左右（圖1）。

圖1 基坑周邊環(huán)境示意

2 場地地質(zhì)條件

本工程擬建場地屬濱海平原地貌，開挖深度范圍內(nèi)的土層主要包括飽和黏性土、粉性土和砂土，呈水平層理分布。場地東北角沿地下車庫邊線有一處暗浜，浜填土厚約1.10 m，層底埋深約3.54 m，主要為灰黑色流塑狀淤泥。場地內(nèi)對開挖有影響的承壓含水層為第⑦層砂質(zhì)粉土，其相對隔水層為第③、④、⑤1及⑥層。經(jīng)初步估算，該基坑承壓水安全系數(shù)均大于1.05，可不考慮承壓水頭對基坑穩(wěn)定性的影響，但擬建場地北鄰南潮浜，西鄰淡水河，在基坑開挖設計與施工中仍需采取有效的防滲漏措施。

3 基坑支護方案設計

3.1 方案選型

綜合分析本基坑的規(guī)模、地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)形式及工期要求等因素，總結(jié)出本工程的特點如下：

1）擬建場地除淺層一定厚度的填土和粉質(zhì)黏土外，普遍分布有第④層淤泥質(zhì)黏土，其厚度達12 m左右。基底標高位于該土層中，且基底以下淤泥層厚度較大。該淤泥質(zhì)黏土呈流塑狀態(tài)，屬于高壓縮性、低強度的軟弱土層。

2）基坑面積及開挖深度大，時空效應顯著，長時間的開敞施工會增大圍護結(jié)構(gòu)變形、坑底隆起和地表沉降。因此，需要通過合理的支撐平面布置和科學的整體工序安排，以有效控制基坑變形，保證工程安全實施。

3）業(yè)主方對本工程工期及造價要求較高，整個基坑開挖施工周期必須控制在6個月內(nèi)。這就要求設計方合理選擇支護方案和基坑分區(qū)開挖方案，施工方嚴格遵循分區(qū)施工流程與土方開挖要求，確保基坑現(xiàn)場施工的質(zhì)量與安全。

針對上述特點，并結(jié)合上海地區(qū)的類似工程經(jīng)驗，本基坑工程曾考慮了2種支護方案：

1）鉆孔灌注樁＋水泥土攪拌樁止水＋內(nèi)支撐。鉆孔灌注樁施工工藝成熟，圍護樁剛度較大，對變形控制能力強，結(jié)合水泥土攪拌樁作為止水帷幕，彌補了自身的防滲缺點；但鉆孔灌注樁的養(yǎng)護時間較長，造價相對較高。

2）型鋼水泥土攪拌墻＋內(nèi)支撐。型鋼水泥土攪拌墻作為一種復合擋土止水結(jié)構(gòu)，沒有開槽或鉆孔的工序，減少了對鄰近土體的擾動，對周圍環(huán)境影響小，并具有較好的剛度和止水性能，能夠滿足本基坑的擋土及隔水要求。同時，型鋼水泥土攪拌墻養(yǎng)護時間短，可有效縮短施工工期、降低施工措施費，內(nèi)插型鋼能重復回收利用，造價較經(jīng)濟。

3.2 支護方案

經(jīng)比選后，本基坑最終確定采用型鋼水泥土攪拌墻＋內(nèi)支撐的支護形式。型鋼水泥土攪拌墻采用φ850 mm@600 mm的三軸水泥土攪拌樁內(nèi)插H700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型鋼，坑內(nèi)豎向設置2道鋼筋混凝土水平支撐體系，以減少圍護結(jié)構(gòu)水平位移，保證支護體系整體穩(wěn)定（圖2）。其中，水泥土攪拌樁采用套接一孔法施工，普遍區(qū)域型鋼布置采用“插二跳一”形式。靠邊深坑區(qū)域則采用“密插”的布置形式。2道內(nèi)支撐凈距達4.6 m，滿足運土車行車高度要求和結(jié)構(gòu)的施工空間要求。同時，考慮到基坑呈不規(guī)則長條形，為便于組織土方開挖、加快流水施工搭接速度并縮短工程工期等，支撐平面布置采用對撐、角撐結(jié)合邊桁架的形式，在支撐中部留設有7個較大的作業(yè)空間。為進一步方便施工車輛的運輸和挖機停靠，方案中結(jié)合支撐布置設置了部分施工棧橋，采用鋼板路基箱棧橋板結(jié)合鋼筋混凝土棧橋平臺及坡道，以提高施工效率并降低施工技術措施費。

圖2 圍護結(jié)構(gòu)典型剖面

4 環(huán)境影響數(shù)值分析

在型鋼水泥土攪拌墻結(jié)合內(nèi)支撐系統(tǒng)的支護方案下，為明確基坑開挖對基坑變形及周邊環(huán)境的影響，本工程采用平面有限元的方法進行分析。分析時，選取基坑東側(cè)高壓電纜線位置為危險剖面，結(jié)合施工工況，模擬分析基坑、圍護結(jié)構(gòu)及周邊地表情況，以了解在施工開展過程中周邊環(huán)境的變化趨勢，以便及時采取有效的控制措施。

在數(shù)值模型分析中采用Hardening-soil（硬化土）模型模擬土體，以線彈性模型中的梁板單元模擬圍護結(jié)構(gòu)，模型邊界條件采用標準邊界。施工步包括：場地平整，施工周邊圍護體；基坑預降水后，開挖至第1道支撐底標高，澆筑施工第1道鋼筋混凝土水平支撐；分層分區(qū)開挖至第2道支撐底標高，澆筑施工第2道鋼筋混凝土水平支撐；分層分區(qū)開挖土方至基底。

圖3、圖4給出了最危險工況下土體及圍護結(jié)構(gòu)的變形云圖。當基坑開挖至基底時，圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移30.77 mm，基坑東側(cè)地表最大沉降18.91 mm，與規(guī)范規(guī)定的變形控制指標相比有一定的余量，表明采用型鋼水泥土攪拌墻結(jié)合內(nèi)支撐的圍護方案能夠?qū)⒒娱_挖對周邊環(huán)境的變形影響控制在允許范圍內(nèi)。

圖3 開挖至基底時水平變形云圖

圖4 開挖至基底時垂直變形云圖

5 主要技術要求

5.1 土方分層分區(qū)開挖

本工程基坑面積較大，整體呈狹長梯形狀態(tài)，基坑開挖過程中產(chǎn)生的時空效應顯著。為能在最大限度控制基坑變形以減小對周邊環(huán)境影響的前提下保證施工速度，土方開挖需嚴格遵循“先撐后挖、限時支撐”的原則，采取分層分區(qū)分塊開挖、分段施工的方法，以減少基坑開挖卸荷后圍護體無支撐暴露的時間和空間。

本工程結(jié)合支撐體系的平面布置形式，采用了分層分區(qū)分塊的方法進行土方開挖。按支撐道數(shù)豎向分3層進行開挖。

1）第1層土方開挖對周邊環(huán)境影響較小，因此，采用由中間向東西兩側(cè)大面積退挖的方式同步開挖至第1道支撐底，之后及時澆筑形成第1道鋼筋混凝土支撐和棧橋。

2）第2層土方按照盡早形成南北向?qū)巍p少基坑無支撐暴露時間和空間的原則，分成4個分區(qū)，各分區(qū)按盆式開挖并及時澆筑支撐，使得局部支撐系統(tǒng)及時形成并發(fā)揮作用，直至整個支撐體系形成。該層土方分區(qū)開挖的先后順序為：A2→B2→C2→D2（圖5）。

圖5 第2層土方開挖分區(qū)示意

3）第3層土方根據(jù)基礎底板后澆帶位置及主樓基礎位置分成2個分區(qū)，各分區(qū)按后澆帶位置分塊開挖。該層土方分區(qū)開挖的先后順序為：A3→B3（圖6）。

圖6 第3層土方開挖分區(qū)示意

5.2 大角撐抗剪鍵設置

考慮到基坑呈狹長形的特點，支撐平面在4個角部均采用了3～5道角撐的布置形式。為確保在基坑施工過程中外側(cè)的水土壓力能通過支撐桿件有效傳遞并相互平衡，在角撐區(qū)域受力較大的第2道圍檁與圍護結(jié)構(gòu)間設置抗剪措施（圖7），控制角撐變形。

圖7 抗剪鍵布置示意

6 結(jié)語

本工程屬于深、大基坑工程，在綜合考慮地質(zhì)特性、周邊環(huán)境條件及工期需求等實際因素后，采用了型鋼水泥土攪拌墻圍護結(jié)合內(nèi)支撐的支護結(jié)構(gòu)形式。目前，該工程全部結(jié)構(gòu)施工已完成，整個基坑工程采用信息化施工和動態(tài)控制方法，通過合理的土方開挖，嚴格控制施工質(zhì)量，基坑開挖實施過程中周邊土質(zhì)未出現(xiàn)擾動、下沉開裂及較大變形等現(xiàn)象，整體情況良好，為工程在既定時間內(nèi)竣工提供了保障，具有一定的社會與經(jīng)濟效益，可為今后類似工程提供參考經(jīng)驗。