軟土地區復雜邊界條件下深大基坑鋼前撐支護應用研究

謝弘帥 李正陽 何林南 鄭鵬亮 王宗生 杜維彬

1. 上海海洋地質勘察設計有限公司 上海 200120；2. 中建二局第一建筑工程有限公司 北京 100176

1 工程概況

1.1 工程簡介

項目位于浙江省玉環市，分為住宅區和商業區，整體設一層地下室。基坑周長1 768.00 m，基坑面積7.85萬 m2。基坑開挖深度為4.35～7.05 m。

基坑西側為規劃道路，其余三側為已建市政道路，其中住宅區北側地庫外墻距用地紅線最近2.10 m，距外墻5.50～8.30 m分布有消防、供水、電力等市政管線，基坑周邊環境如圖1所示。

圖1 基坑周邊環境示意

1.2 工程地質條件

根據地質資料，場地地貌屬沖海積平原，基坑開挖影響深度內以淤泥為主，基坑開挖的坑底位置均位于該土層上。土性物理力學指標如表1所示。

表1 基坑圍護設計土性物理力學指標

地下水類型主要為孔隙潛水和微承壓水，潛水埋深0.5～1.5 m，微承壓水頭埋深約2.8 m。

2 基坑支護方案選型

住宅區北側基坑距用地紅線較近（最近僅2.10 m），且紅線外分布有諸多市政管線。基坑跨度較大，若采用常規的水平支撐需設置大范圍的角撐，支護造價高，且支撐系統養護和拆除時間長，造成資源浪費；若采用斜拋撐支護，則需跨越北側坑邊主樓設置，并需待中心島底板養護后進行斜撐下土方的二次開挖，延誤工期，無法滿足建設單位主樓先施工、先預售的工期要求。

因此本工程引入鋼前撐支護技術[1]，通過在坑內設置斜向鋼管撐，并在基底軟土中對鋼管注漿以提高摩阻力，形成超前支撐。不僅不占用基坑開挖工期，且底板可一次性施工完成，既減少了資源浪費和土方開挖難度，也可以避免因底板分區可能引起的滲漏風險。從造價、工期和施工便利性方面都具有明顯的優勢。

3 數值模擬分析

住宅區北側支護采用φ700 mm鉆孔灌注樁＋高壓旋噴樁止水帷幕，鋼前撐采用φ325 mmh 8 mm，間距2 700 mm，長度24.0 m，傾角45e ，單根鋼管注漿3.5 t，坑邊7.0 m范圍設厚200 mm配筋墊層，坑內設高壓旋噴樁加固，厚3.0 m。基坑支護典型剖面如圖2所示。

圖2 基坑支護典型剖面示意

通過有限元數值模擬對其受力特征進行分析，基坑開挖至基底標高時，最大位移位于鋼前撐與基底交界部位，位移值為17.45 mm，鋼前撐軸力為404.46 kN，支護樁最大位移為15.24 mm。取距離基坑最近的消防管線進行分析，基坑開挖到底時，管線最大位移為11.61 mm，基坑變形可控（圖3～圖5）。

圖3 基坑位移云圖

圖4 支護樁位移圖

圖5 管線位移圖

4 施工工藝技術要點

4.1 施工工藝流程

支護施工流程為：施工支護樁→施工圈梁及鋼前撐并跟蹤注漿→采用島式挖土分層分塊挖除坑邊配筋墊層設計寬度的土方→施工配筋墊層，鋼前撐穿越底板區域設置止水鋼板→待配筋墊層達到80%設計強度，分層分塊挖除基坑中部區域土方，并澆筑墊層底板→地下室結構施工→基坑回填→割除鋼前撐。

4.2 施工技術要點

1）單節鋼管桿體長度一般可控制在6～12 m；上下節鋼管采用套管焊接連接。

2）注漿鋼管成孔可采用振入注漿式或自鉆式成孔這2種方式，根據土層情況可預先引孔。

3）本工程宜采用約束式注漿工藝，水泥漿液水灰比宜取0.5～0.7。應結合約束體位置針對性實施注漿作業，鋼管桿體沉放到位后跟進注漿。注漿應按約束體位置由下到上依次單獨實施；注漿流量宜控制在20～40 L/min，注漿最終完成的標準以單根樁水泥用量或最終注漿壓力控制：φ325 mmh 8 mm單根樁水泥用量不宜少于3.5 t或最終注漿壓力1.5～2.0 MPa；注漿完成后鋼管內填滿20～40 mm級配碎石，并用純水泥漿液灌滿。

4）基坑分段開挖長度需控制在20 m以內，配筋墊層一端應澆筑至圍護樁邊，另一端從型鋼樁入土點外延不小于2.0 m。

5）鋼前撐拆除應在相應區域底板以及可靠換撐形成，且達到設計強度80%后進行，若周邊環境條件較為敏感，則可保留部分注漿鋼管待地下室施工至f 0 m后再進行拆除回收。

6）鋼前撐應通過調整角度避開工程樁、電梯井及消防集水井等部位，且需對鋼前撐進行準確定位。

4.3 荷載試驗

鋼前撐應根據規范[2]要求進行靜載荷試驗以確定單樁承載力，試驗樁的數量不少于3根，加載應分多級進行，且應采用逐級等量加載，最大加載量為1 000 kN，變形按總沉降量100 mm控制。

根據鋼前撐豎向抗壓靜載試驗分析報告，鋼支撐豎向抗壓極限承載力不小于1 000 kN，最大沉降量在18.08 mm～23.52 mm，滿足設計要求，卸載至零后，有明顯的回彈量，鋼支撐結構基本完整。鋼前撐靜載荷試驗成果詳見表2。

表2 鋼前撐靜載荷試驗成果匯總

5 基坑支護效果

為保證基坑的安全，在基坑施工過程中對基坑進行了各項變形和應力觀測。本文主要對圍護結構有直接檢驗效果的深層土體水平位移、支撐軸力和體現對周邊環境影響的管線沉降進行分析。

圖6為開挖至基底標高時深層土體水平位移監測曲線。從圖中可以看出，支護樁最大位移發生在基坑頂部，位移值為15.21 mm，與有限元模擬結果基本一致。考慮到基底以淤泥為主且分布厚度較大，主要是因鋼前撐在斜向荷載作用下，在淤泥土層中出現沉降和變形。

圖6 深層土體水平位移監測曲線

圖7為深層土體水平位移最大值在不同施工時期的位移曲線。從圖中可以看到，在基坑開挖階段位移變化速率較大，為0.55～1.31 mm/d。至底板澆筑后，位移曲線出現明顯拐點，水平側向位移趨于穩定，變形速率逐步下降至0.07 mm/d，但隨著基坑暴露時間增加，累計變形仍在逐步增大。至基坑回填，深層土體最大位移值為25.72 mm，滿足設計要求。

圖7 深層土體位移-時間監測曲線

施工期間鋼前撐軸力監測最大值為438.60 kN，未超過設計軸力預警值。

對基坑北側最近的消防管線進行監測，基坑施工階段管線的最大位移值為8 mm，滿足規范中沉降限值30 mm的要求[2]。圍護結構有效控制了對周邊環境的影響。

6 結語

鋼前撐支護作為一種新型的支護形式，既避免了大范圍設置水平支撐造成的資源浪費，也避免了采用斜拋撐產生的主樓底板切割及二次開挖造成的工期增加。大大簡化了支護結構及土方開挖的施工流程，對深大基坑周邊環境適應性強，具有廣泛的應用前景。

根據數值模擬，鋼前撐支護可有效控制基坑開挖對周邊管線產生的變形，對于環境保護要求嚴格的邊界條件可采用基坑回填后割除鋼前撐的措施來控制拆撐變形。

根據施工監測情況，支護樁最大位移發生在基坑頂部，考慮到基底以淤泥為主且分布厚度較大，主要是因鋼前撐在斜向荷載作用下，在淤泥土層中出現沉降和變形。

至底板澆筑后，支護位移曲線出現明顯拐點，水平側向位移趨于穩定，變形速率逐步下降，但隨著基坑暴露時間增加，累計變形仍在逐步增大。施工中應開挖到底后立即澆筑墊層，并采用分段開挖等措施，減少基坑開挖到底后的暴露時間，控制后續變形。