衡重式雙排樁與大跨度支撐在填海區超大基坑支護中的應用

祁孜威 徐玉勝 顧問天 龐小朝 溫繼偉

（1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081；2.鐵科院（深圳）研究設計院有限公司，廣東深圳 518000；3.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059）

填海造地是沿海大型城市拓展土地空間的一項重要手段。新近填海區的深厚欠固結淤泥層分布不均，力學性能差［1］。在該類地層中的超大、超深基坑工程對設計、施工提出新的挑戰。針對填海區傳統支撐結構制約建設工期的難題，馬馳等［2］提出的咬合樁+錨碇、錨索的支護結構適用于周邊環境開放且錨索施工無限制的基坑；劉唱曉［3］認為雙排樁的門架式結構可以提供很大的側向剛度，對8 m 深以內的基坑控制變形效果較好；應宏偉等［4］對雙排樁帶撐結構進行了分析，認為支撐剛度對支護結構的影響顯著；顧問天等［5］提出的衡重式雙排樁結構可以在深度15 m 以內不采用任何支錨形式，獨立自穩，但其應用于填海區基坑變形較大。

本文以深圳國際會展中心項目（一期）超大深基坑工程設計為例，提出衡重式雙排樁結合大跨度支撐支護結構，詳細介紹設計重難點及解決措施、支護結構計算分析等關鍵技術。

1 工程概況

1.1 工程簡介

深圳國際會展中心項目（一期）位于深圳市寶安區大空港片區，總建筑面積160 萬m2。該項目2 層地下室區域基坑（圖1）位于擬建中央廊道和南北登錄大廳下。

圖1 深圳國際會展中心項目（一期）平面示意

其中，中央廊道區域基坑長1 730.0 m，寬90.7 m；南登錄大廳區域基坑長430.3 m，寬158.2 m；北登錄大廳區域基坑長229.0 m，寬137.7 m。2 層地下室區域基坑總開挖面積約27 萬m2，基坑開挖深度10 m，基坑兩側均為待建展廳。

1.2 工程地質條件

項目場地原始地貌主要為河涌和魚塘，后經人工堆填土形成陸域。土地整備階段軟基處理設計采用排水固結法，由于土地整備時間有限，項目僅南部1/3左右的場地淤泥層進行過排水固結處理，其余大部分場地的淤泥均未進行任何排水固結或固化處理，僅填土覆蓋。基坑工程進場時項目場地仍處于堆填、卸載等多重工程交叉作業階段。基坑支護涉及土層的物理力學性質指標見表1。

表1 土層物理力學性質指標

2 基坑設計方案

2.1 重難點及對策

2.1.1 基坑支護方案比選

項目建設時間限定為2年。由于上部結構施工工期可壓縮性較小，基坑土石方外運效率是制約工期的關鍵因素。為保證無干擾持續出土，基坑應選擇無支撐或少支撐支護結構。對常用的基坑支護方案進行比選［6］，見表2。

表2 支護結構綜合比選

基坑工程施工前，中央廊道兩側展廳的基礎管樁已經施工完成，場地不具備打錨索條件，以出土效率為主導因素，優先選擇衡重式雙排樁。綜合考慮變形控制，采用衡重式雙排樁結合大跨度支撐支護結構。

2.1.2 淤泥強度指標取值

由于建設工期緊張，場地大部分區域淤泥未經排水固結處理，前期試樁過程中發現場內淤泥層力學性質較差，部分區域淤泥仍處于流塑狀態。基坑工程體量巨大，合理選取淤泥層的強度指標對保證基坑安全、分區精細設計、節省工程造價有重要意義。因此采用TB 10018—2018《鐵路工程地質原位測試規程》推薦的方法，根據十字板原位試驗結果換算淤泥層的實際抗剪強度指標，見表3。

表3 淤泥層換算抗剪強度指標

2.1.3 軟土基坑變形控制

場地大部分區域基底以下仍為軟土層，被動區抗力不足，會造成圍護結構的變形和內力大，圍護樁嵌固深度大，經濟性差。通過三軸水泥土攪拌樁加固，可有效減小圍護結構的側向位移和地表沉降。因此采用直徑0.65 m、軸間距0.45 m的三軸水泥土攪拌樁對基坑被動區予以加固，攪拌樁布置形式為格柵式（2 m×2 m），加固寬度為坑底軟土層厚度的3 倍［7］，加固后土體的黏聚力為15 kPa，內摩擦角為15°。

2.2 設計方案

衡重式雙排樁結合大跨度支撐結構中，衡重式雙排樁由L形衡重臺、前排樁、后排樁組成。其中水平連接板寬6.7 m，厚1.1 m；擋板高4.0 m，厚0.4 m。雙排樁前后排距5.0 m，前排樁為直徑1.2 m 咬合樁，間距2.0 m，葷素咬合尺寸0.2 m，擋土又兼作截水帷幕；后排樁為直徑1.2 m旋挖灌注樁，間距4.0 m。基坑開挖深度約10.0 m，前后排樁等長，雙排樁嵌固深度10～13 m，如圖2所示。

圖2 基坑支護示意

基坑工程施工工序為：①在地面施工加固區三軸水泥土攪拌樁；②施工前排咬合樁及后排旋挖樁；③土方開挖至樁頂標高，施工連接板和擋板；④回填衡重臺土方，施工大跨度支撐結構；⑤基坑內土方分區開挖到底；⑥底板傳力結構施工完成后拆除支撐。

2.3 衡重式雙排樁結合大跨度支撐結構計算模型

參考衡重式雙排樁的設計計算模型［8］，增加大跨度支撐的等效剛度KH，得到衡重式雙排樁結合大跨度支撐結構計算模型，如圖3所示。

圖3 衡重式雙排樁結合大跨度支撐結構設計計算模型

2.3.1 大跨度支撐剛度計算

支護體系的等效剛度是由水平連接板側向剛度和大跨度支撐支點剛度共同作用產生的綜合剛度，計算時需將二者結合起來。

每榀大跨度支撐結構可獨立看成一個整體，單榀大跨度支撐結構剛度KT計算式為［9］

式中：E為支撐的彈性模量；A為計算寬度內支撐的橫截面面積；L為支撐計算長度，取開挖寬度的一半。

衡重式雙排樁結合大跨度支撐結構綜合剛度計算模型如圖4所示。

圖4 綜合剛度計算模型

在平面水平支撐體系的連接板側向上施加與其垂直的單位分布荷載P=1 kN/m，求得連接板上各結點的平均位移δ（與連接板方向垂直的位移），則衡重式雙排樁結合大跨度支撐結構等效剛度KH為10］

2.3.2 大跨度支撐間距優選

為合理選擇大跨度支撐間距，采用SAP2000 有限元軟件計算不同間距下的結構變形和內力，計算結果見圖5。

由圖5（a）、圖5（b）可知，隨著支撐間距的減小，水平位移逐漸減小，最大位移點逐漸由樁頂向樁身中部轉移。

由圖5（c）、圖5（d）可知，隨著支撐間距的減小，前、后排樁樁身彎矩不斷減小，前排樁樁身負彎矩最大值點不斷下移，樁頂逐漸產生正彎矩，前排樁彎矩變化幅度比后排樁大。

圖5 不同支撐間距下結構的變形和內力

由圖 5（e）、圖 5（f）可知，隨著支撐間距的減小，前、后排樁樁身正向剪力不斷減小，負向剪力不斷增大。

支撐間距與無干擾面積占比、結構水平位移關系曲線見圖6。可知，隨著支撐間距的減小，結構水平位移不斷減小，基坑無干擾面積占比不斷增加。合適的支撐間距應兼顧控制變形和出土便利性，大跨度內支撐間距60～70 m時結構水平位移可控制在20～40 mm。

圖6 支撐間距與無干擾面積占比、結構水平位移關系曲線

綜合考慮，項目基坑支撐間距取70 m，平面布置如圖7所示。

圖7 基坑工程平面布置示意

3 三維有限元模擬分析

衡重式雙排樁結合大跨度支撐結構充分利用了空間效應。采用Plaxis 3D 巖土工程三維有限元分析軟件對該結構進行變形計算。

土的本構模型采用HS（Hardening-Soil）模型，前排咬合樁采用板單元模擬（將排樁等效為相同抗彎剛度的板），后排樁采用Embedded 樁單元模擬，參數見表4。衡重臺、支撐板采用板單元模擬，支撐梁采用梁單元模擬。

表4 雙排樁材料參數

由于項目基坑形狀規則，受力模式比較清晰，出于簡化模型考慮，選取淤泥層較深厚的中央廊道區域建立模型，如圖8 所示，模型尺寸為200 m×200 m×40 m。

圖8 整體模型

計算過程設定2種工況。工況一為基坑正常開挖到底；工況二為地下室底板施工完成拆除支撐。工況一、工況二水平位移分別見圖9、圖10。

圖9 工況一水平位移云圖

圖10 工況二水平位移云圖

由圖9可知，基坑開挖到底，支護結構總體上為傾覆式變形，平面上支撐支點處水平位移小，連接板相鄰兩榀支撐間的中心處水平位移大，水平位移最大值為35.8 mm，位于擋板頂部。

由圖10 可知，地下室底板施工完成后拆除大跨度支撐，結構水平位移最大值由35.8 mm 增加至39.2 mm，基坑整體安全穩定。

4 施工效果

該項目基坑工程于2017 年11 月開始挖除第一層土方，施工大跨度支撐結構，2018年1月底基坑已大面積開挖到底，近300萬m3的土方開挖僅用時3個月，日均出土量3萬m3。

基坑水平位移監測點設置在擋板頂部（布置間距20 m），以中央廊道B8 區域基坑為例，該區域已于2018 年1 月20 日開挖到底，水平位移實測值見圖11。可知，坑頂變形趨勢為向坑內偏移，基坑開挖階段累計最大水平位移為37.2 mm，其余點位累計位移介于15.0～32.5 mm。實測結果與有限元模擬結果基本一致，基坑支護設計方案合理可行。

圖11 B8坑頂水平位移實測值

5 結論

1）深厚欠固結淤泥層的填海場地中，超大深基坑采用衡重式雙排樁結合大跨度支撐結構控制變形能力較強，土方外運效率高。

2）支護結構的水平位移隨支撐間距的減小而減小，最大位移點逐漸由樁頂向樁身中部轉移。

3）支護結構彎矩隨支撐間距的減小而減小，前排樁樁身負彎矩最大值點不斷下移，樁頂逐漸產生正彎矩，前排樁彎矩變化幅度比后排樁大。

4）隨著支撐間距的減小，前、后排樁樁身正向剪力不斷減小，負向剪力不斷增大。

5）對于地層條件和基坑深度類似的項目，可采用衡重式雙排樁結合大跨度支撐結構，支撐的合理間距為60～70 m。