復雜邊界條件下軟土地區深大基坑組合式支護設計與應用

謝弘帥 孫朋杰 何林南 鄭鵬亮 張林華 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

隨著經濟發展，城市化步伐的加快，地下空間開發規模越來越大，基坑工程面臨的問題越來越復雜，基坑工程支護體系除受到地質條件制約以外，還受到相鄰的建筑物、地下構筑物和地下管線等的影響[1]。由此，針對不同地質條件和邊界條件的各種支護體系應運而生，在同一場地同時存在復雜地質條件和復雜的邊界條件時，需針對各區域不同的支護條件采用不同的支護方式，基坑整體采用多種支護體系進行組合支護的方式，針對性地進行支護是有必要的。

復雜邊界條件下一層地下室軟土基坑，基坑面積巨大，場地用地空間緊張，由于采用懸臂樁支護剛度無法滿足基坑變形控制要求，通常采用排樁+支撐支護、雙排樁支護或樁錨支護。

排樁+支撐支護能夠有效控制支護結構變形，但其對基坑工程挖土制約較大且造價較高。樁錨支護能有效控制支護結構變形，但地下室外墻退界較小，采用錨索支護一般會超出用地紅線，且若紅線外存在地下障礙物時，錨索的使用在此種情況下存在限制。

雙排樁支護可在一定程度上避免結構超用地紅線情況，且對場地外地下障礙物無影響，并能有效控制基坑變形和滿足穩定性要求，但需占用較大的場地空間。

在支護邊界距用地紅線不滿足雙排樁施工條件時，為了同時滿足支護結構安全控制要求、支護結構不超用地紅線政策要求及對場地外側環境保護要求，采用了一種新型支護形式：單排樁+前撐式注漿鋼管斜撐體系，該支護體系可同時滿足以上限制條件，造價相對采用整體支撐方式較低。

由此，在復雜邊界條件下的軟土基坑，為同時滿足基坑安全穩定性要求、環境保護要求用地紅線政策要求及經濟性要求，根據各個支護條件采用不同的支護結構體系的組合支護方式是必要且合理的。結合浙江軟土地區某開挖深度5.0～7.0 m的復雜邊界條件下的基坑工程案例，從基坑支護設計方案選型、項目實施效果及監測數據分析等方面進行研究，為以后類似工程項目提供參考。

1 工程概況

擬建場地位于浙江臺州玉環市，基坑面積約8.85萬 m2，普遍開挖深度為4.35～5.35 m，北側靠坑邊電梯井最深7.05 m，基坑北側、東側和南側支護邊界距用地紅線較近，紅線外分別為已建省道和市政道路，路邊靠基坑側分布有較多市政管線，基坑西側支護邊界距離用地紅線較遠，紅線內基坑外側為本項目先施工商鋪工程樁。

場地所在地貌單元屬沖海積平原，地貌類型單一，基坑開挖及影響范圍內涉及的土層為雜填土和淤泥及淤泥質土。潛水水位埋深0.50～3.50 m，設計按不利原則取值，取設計水位埋深0.50 m。③1夾粉質黏土夾粉砂層為弱承壓含水層，水頭埋深2.80 m。

各土層物理力學指標表如表1所示。

表1 各土層物理力學指標

2 地質條件和邊界條件分析

2.1 地質條件分析

該項目場地地質條件較差，基坑開挖及影響范圍內地層分布以大厚度填土和大厚度淤泥及淤泥質黏土為主，各層土層特性及對基坑工程的影響分析如下：

①雜填土：以碎石、塊石為主，含少量建筑垃圾，硬雜質含量占80%～90%，粒徑以200～400 mm為主，少量達800 mm以上，碎石、塊石成分主要為凝灰巖，較硬。對止水帷幕和支護方案選型有一定影響。

③1淤泥及③2淤泥質黏土：該兩層土土性較差，具有低強度、高壓縮性。基坑開挖過程中坑周土體易產生流動，坑內土體易產生隆起變形。

③1夾粉質黏土夾粉砂：局部粉砂含量較高，相變為粉砂，含弱孔隙承壓水。局部主樓及電梯井部位抗突涌不滿足規范要求，支護設計需采取合理的止水和坑內降壓的措施。

2.2 邊界條件分析

基坑周邊場地條件復雜，其中地塊北側緊鄰省道、南側和東側外為市政道路，路面下分布有較多市政管線，與基坑最小距離為4.51 m，西側外側為商鋪。基坑支護設計需控制基坑開挖對市政道路、市政管線及鄰近建筑的影響，地塊周邊環境如圖1所示。

圖1 基坑周邊環境

3 基坑設計重點及方案選型

3.1 基坑支護設計重點分析

本項目支護設計面臨主要問題是復雜的場地地質條件和邊界條件。止水帷幕及支護結構選型主要從以上兩方面進行考慮，分析如下：

1）淺部填土厚度較大，且填土內石塊、碎石較多，對基坑工程的防滲和止水效果要求較高。由此，止水帷幕設計應從施工設備對地質條件的適應性、止水效果以及機械設備對場地的要求等方面進行設計。

2）填土下部為大厚度的淤泥及淤泥質黏土，為典型深厚軟土，具有低強度、高壓縮性，對支護結構的強度和變形控制要求較高。

3）基坑北側西段基坑邊界距用地紅線最近僅1.10 m，支護結構用地空間極為緊張，對支護結構的選型限制較大；基坑北側、南側和西側均鄰近市政道路，道路下分布有大量的電力、通信、給水、排水、污水等市政管線，對基坑支護結構的施工影響較大。

4）本基坑面積大，工期緊張，基坑支護方案需結合場地地質條件、周邊環境及工期等因素進行綜合考慮。

3.2 止水帷幕選型分析

根據本項目巖土工程勘察報告，對本基坑有影響的地下水類型為淺部土層中的潛水和③1夾層微承壓水。淺部雜填土層內含大量碎石、塊石，對止水帷幕選型有較大影響。按照場地地質條件，本項目止水帷幕可供選擇的形式有水泥攪拌樁和高壓旋噴樁2種方式。支護方式的技術特點及經濟對比分析見表2。

表2 止水帷幕選型分析

鑒于本場地淺部填土厚度較大且填土內石塊、碎石較多，同時考慮機械設備對土層的適應性及止水帷幕的止水效果，采用高壓旋噴樁作為止水帷幕。

3.3 支護結構選型分析

基坑支護設計應優先考慮基坑整體的安全性和穩定性要求，同時兼顧造價和工期的要求，因地制宜，從而得到最佳設計方案。

根據基坑開挖深度、土質條件和周邊環境情況，按照安全、可靠、經濟、合理、可行的原則，結合各邊的周邊環境條件和保護要求整體采用直立支護方案，支護結構可供選擇的支護方式有“樁錨支護”“雙排樁”“樁撐支護”及“樁+前撐式注漿鋼管斜撐”等多種支護方式，各支護方式技術經濟對比分析見表3。

表3 各支護方式技術經濟對比分析

考慮到基底以下為深厚淤泥層，該層土為支護結構提供的被動區抗力較小，無法滿足支護結構變形和穩定性要求，因此，在坑內側基底以下一定范圍內設置高壓旋噴樁被動區加固，改良被動區土體的強度及性狀[2]，以提高被動區支護抗力。

根據本基坑特點，針對不同區域分別采用了“樁錨支護”“雙排樁”“樁撐支護”及“樁+前撐式注漿鋼管斜撐”等支護方式，結合了淺部卸土及坑內被動區加固方式。同時對交界面處采用不同支護體系延伸一定長度范圍等手段，對該區域進行加強處理，以控制不同支護結構變剛度體系的變形不協調問題。

4 基坑支護結構設計

4.1 基坑北側東段、南側及西側局部區域

1）基坑北側東段區域：基坑開挖深度5.35 m，支護邊界距用地紅線最近僅6.30 m，紅線外設置臨時施工便道，紅線內無滿足放坡開挖的空間需求。

2）基坑南側區域：基坑開挖深度4.35～5.05 m，支護邊界距用地紅線為10.10 m，紅線內設置臨時施工便道，無滿足放坡開挖的空間需求。

3）基坑西側局部區域：基坑開挖深度4.75～5.05 m，基坑外側為先施工商鋪的工程樁，支護設計需考慮對已施工工程樁的保護。

以上3個區域，綜合考慮周邊場地條件、地質條件及環境保護等因素，設計采用雙排樁支護。采用φ600 mm灌注樁，嵌固深度插入比約1∶2，樁間采用高壓旋噴樁止水，止水帷幕深度進入基底以下約5.0 m。該方式可滿足基坑支護結構整體性、穩定性及止水要求，同時可為坑內土方開挖提供便利。典型支護剖面如圖2所示。

圖2 雙排樁支護典型剖面

4.2 基坑東側和西側區域

1）基坑東側區域：基坑開挖深度4.93 m，支護邊界距用地紅線最近2.50 m，距現場圍墻最近17.50 m，圍墻內為施工便道，場地下部無管線，地下空間條件較好。

2）基坑西側區域：基坑開挖深度4.35～5.35 m，支護邊界距用地紅線最近32.70 m，基坑外側為先施工工程樁，支護結構空間有限。

綜上，結合場地條件及地質條件，基坑東側和西側采用樁錨支護，排樁采用鉆孔灌注樁+高壓旋噴錨索，鉆孔樁參數為φ600 mm@900 mm，插入比約1∶2，采用高壓旋噴樁止水，止水帷幕深度進入基底以下約5.0 m。高壓旋噴錨索采用高壓旋噴工藝，形成直徑為500 mm的錨固體，錨索采用在軟土基坑中應用較成熟的高壓旋噴錨索，能提供較高的錨固力，有效控制基坑變形。

針對東側超紅線事宜，錨索采用可回收工藝，施工完成后對鋼絞線進行回收。西側錨索施工前對錨索進行準確放樣，錨索設置在已施工工程樁樁間，避開工程樁。典型樁錨支護剖面如圖3所示。

圖3 典型樁錨支護剖面

4.3 基坑北側西段區域

基坑普遍區域開挖深度5.35～5.55 m，支護邊界距用地紅線最近僅為1.10 m，支護結構用地空間緊張，雙排樁支護無施工空間；同時紅線外緊鄰市政道路，下方為市政管線，對錨索施工形成制約，樁錨支護無施工條件。

針對此種情況，可供選擇支護方案有2種：

1）排樁+鋼斜撐支護：鋼斜撐撐在坑內先施工底板上，隨后進行坑邊土方開挖和地下室結構施工，待地下室完成后割除鋼管。同時由于鋼斜撐需跨越主樓，鋼管長度較長，需設置立柱。施工工藝復雜且工期較長。

2）排樁+前撐式注漿鋼管斜撐：注漿鋼管在土方開挖前打入基底以下一定長度，并進行注漿，提高鋼管與土體的側摩阻力及端阻力，形成斜向受壓桿件，端部與圈梁連接并澆筑為整體。采用此工藝可實現整體開挖，工藝簡單，無需進行坑邊留土，方便坑內土方開挖，同時能大大縮短施工工期。

因此，為方便土方開挖和節省施工工期，設計采用排樁+前撐式注漿鋼管斜撐支護體系。鉆孔樁參數為φ700 mm@900 mm，插入比約1∶2.5，采用高壓旋噴樁止水，止水帷幕深度進入基底以下4.0～5.0 m，前撐鋼管采用φ325 mm×8 mm。典型排樁+前撐式注漿鋼管斜撐支護剖面如圖4所示。

圖4 典型排樁+前撐式注漿鋼管斜撐支護剖面

4.4 基坑東北角區域

基坑普遍區域開挖深度5.35～5.55 m，支護邊界距用地紅線最近僅為1.10 m，支護結構用地空間緊張，同時紅線外緊鄰市政道路，下方為市政管線，由此采用排樁+支撐支護，鉆孔樁參數為φ700 mm@1 000 mm，插入比約1∶2.5，采用高壓旋噴樁止水，止水帷幕深度進入基底以下4.0～5.0 m。典型排樁+混凝土支撐支護剖面如圖5所示。

圖5 典型排樁+混凝土支撐支護剖面

5 基坑支護效果分析

為保證基坑自身安全及控制基坑開挖對周邊環境影響，對支護結構及周邊環境進行監測，主要監測項目包括深層土體水平位移、周邊管線的水平位移和沉降、已建建筑的變形、支撐軸力、前撐注漿鋼管軸力及錨索內力等。

自基坑開挖至基底到基坑回填期間，基坑周邊地面變形為16.0～33.0 mm，周邊管線最大變形為8.50 mm，均未超過相應規范限制，能夠有效地保護周邊環境。典型區域支護結構變形及支點受力如表4及表5所示。

表4 深層土體水平位移監測結果統計

表5 錨索/支撐軸力監測結果統計

由表4及表5可知，本基坑采用多種支護結構組合支護體系，各支護結構實測監測數據均未超過計算值。樁+混凝土角撐支護剛度較大，相對其他支護體系控制變形作用明顯；鉆孔樁+高壓旋噴錨索支護體系由于錨索能夠形成的錨固體直徑較大，能夠提供較高的錨固力，其在軟土基坑中對變形控制效果明顯；雙排樁為超靜定結構，在一層地下室基坑中同樣具有較高的控制變形能力；鉆孔樁+注漿鋼管前撐支護體系在軟土地層中會隨著基坑土方開挖及基坑開挖到底后暴露時間加長發生蠕變，但通過合理設置設計參數及控制基坑暴露時間，能夠有效控制支護結構變形，保證基坑工程順利施工。同時，錨索/支撐軸力均小于計算值且處于報警值80%左右。

綜上，本基坑采用組合支護體系能夠有效控制基坑變形，保證基坑穩定及控制周邊環境變形，設計方案針對不同邊界條件采用不同支護體系，為基坑土方開挖和地下室結構施工提供了便利，證明基坑支護設計方案選型是合理可靠的。

6 結語

通過解決復雜地質條件和邊界條件下設計選型問題，驗證了組合支護體系的合理性及可靠性，得出以下結論：

1）不同場地和地質條件需采用針對性的支護結構，解決特殊條件下的支護問題。組合支護體系符合安全、經濟、合理的原則，是未來基坑工程精細化施工的一個方向。

2）雙排樁門架是一種空間超靜定支護結構，剛度較大，在開挖深度5.0 m左右的軟土基坑中可以有效地控制基坑側向變形。

3）排樁+高壓旋噴錨索支護：高壓旋噴錨索在軟土基坑中能提供較高的錨固力，能有效控制對周邊環境的影響。

4）前撐注漿鋼管支護體系相對傳統排樁+斜拋撐支護具有工期短、施工方便等優點，通過注漿可提供較高的承載力，滿足基坑使用要求，但需合理設置設計參數，控制其在軟土地層中的蠕變效應。支護體系總體可保證基坑自身安全及控制其對周邊環境的影響，可在類似基坑工程中推廣使用。