軟土地區交通重載下條形深基坑支護設計

王 新

[上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司，上海市200125]

0 引 言

我國東南沿海許多城市如天津、上海、寧波、溫州、臺州等均分布較深厚的軟弱土層，在深基坑工程方面形成了具有地方特色的設計和施工方法[1-5]。出于經濟性考慮，一定深度的基坑支護材料更傾向于可回收利用的鋼材，例如常用的SMW工法中的型鋼。新型的綠色支護技術也不斷涌現，例如天津地區某工程嘗試采用高壓旋噴插入型鋼作為基坑支護結構[1-2]，寧波、杭州地區出現大量鋼管+拉森鋼板樁結合的圍護方法[3]，溫州地區應用了預應力魚腹梁的新型支撐[4-5]。然而在交通重載下，條形基坑的支護結構處于動靜結合的受力狀態，在此狀態下，對于型鋼復合支護結構的適用性尚未形成統一認識，尤其是施工棧橋結構與圍護結合的協調設計，也未形成統一的設計經驗。

本文基于上海北橫通道工程隆昌路下立交項目，探索SMW工法樁支護在交通重載下的變形規律和適用性，通過實踐經驗總結此類復雜工況下的圍護設計重點和難點，以指導類似工程的設計與施工。

1 工程概況

隆昌路下立交屬上海北橫通道工程的東端地面擴容段，連接北橫東段地道和周家嘴路越江隧道。下立交敷設于周家嘴路上，規模為雙向4車道，設計時速50 km/h；暗埋段主體結構為雙孔單箱矩形現澆混凝土結構（見圖1），敞開段為U型結構（見圖2）。下立交全長510 m，其中西側敞開段160 m，暗埋段190 m，東側敞開段160 m。下立交基坑開挖寬度18.4～19.2 m，最大基坑開挖深度約10 m，局部泵房處落低約2.8 m。

圖1 隆昌路下立交暗埋段結構斷面（單位：m）

圖2 隆昌路下立交敞開段結構斷面（單位：m）

隆昌路下立交地處上海市楊浦區城區周家嘴路上。現狀周家嘴路交通繁忙，且重載車輛較多，沿線建筑主要為2～7層住宅小區、廠房，距基坑大于14 m，處于1～2倍基坑深度范圍。沿線地下管線主要存在給水、雨水、燃氣、供電、信息等。直徑1 000 mm給水管距離基坑3～4 m，保護要求較高（見圖3）。

圖3 隆昌路下立交周邊環境總圖

工程沿線場地地貌類型單一，屬上海地區五大地貌單元中的濱海平原類型。地勢較為平緩，地面標高一般在2.4～3.1 m。常年平均地下水位埋深一般為0.50～0.70 m。工程沿線分布的第⑦（含⑦1和⑦2）層為第一承壓含水層，水位埋深約3.0～12.0 m，不突涌。

場地地基土在勘察深度范圍主要由飽和黏性土、粉性土和砂土組成。由上至下依次發育的土層為：①1填土、②1褐黃-灰黃色粉質黏土、③灰色淤泥質粉質黏土夾粉土、③t灰色黏質粉土夾淤泥質粉質黏土、④灰色淤泥質黏土、⑤1灰色黏土、⑥暗綠-灰綠色粉質黏土、⑦1草黃-灰色砂質粉土、⑦2灰黃-灰色砂質粉土、⑧1灰色粉質黏土、⑧2灰色粉質黏土夾砂質粉土、⑧2t灰色粉砂夾粉質黏土。工程基坑坑底主要置于③、③t層，該2層土屬高壓縮性高靈敏度軟弱土，具有一定的流變及觸變性。

2 支護設計

2.1 圍護選型

多年來，上海軟土地區基坑工程積累了較多建設經驗，通過對本工程周邊環境、地質和水文條件的研究，基坑可采用的圍護結構形式有地下連續墻、鉆孔灌注樁+水泥土攪拌樁止水帷幕、型鋼水泥土攪拌墻、水泥土重力式擋土墻、放坡等。

（1）地下連續墻。地下連續墻的剛度較大，能承受較大的側向水平荷載。基坑開挖時，圍護結構變形小，周邊地面沉降少，能夠較好地控制和減少對鄰近建筑物、構筑物和地下管線的影響。地下連續墻與內襯墻的“兩墻合一”技術已日趨成熟，可以實現基坑圍護結構在結構使用階段的再利用。從經濟性考慮，當一般軟土地區基坑開挖深度大于10 m，且周邊環境保護等級要求較高時，采用地下連續墻圍護方式。

（2）鉆孔灌注樁+止水帷幕。一般情況下，開挖深度5～14 m的軟土地區基坑可采用鉆孔灌注樁+止水帷幕，灌注樁的樁徑600～1 200 mm，樁間止水帷幕可采用三軸攪拌樁或高壓旋噴樁。鉆孔灌注樁施工工藝靈活成熟，結構剛度較大，比較有利于基坑變形控制，控制重點在于樁間止水的可靠性。因此，上海地方規范要求當采用高壓旋噴樁止水時需雙排設置，圍護+止水帷幕的占地寬度相比地下連續墻、型鋼水泥土攪拌墻等圍護方式稍大。

（3）型鋼水泥土攪拌墻。水泥土攪拌樁內插H型鋼作為圍護墻，H型鋼主要承受側向荷載，水泥土則抵抗地下水的滲透作用。內部主體結構施工完成后，H型鋼可回收，故該種圍護類型工程造價較低。型鋼攪拌墻按照三軸攪拌樁直徑有650 mm、850 mm、1 000 mm等尺寸，內插型鋼通常有HW500 mm×300 mm、HN700 mm×300 mm、HN800 mm×300 mm、HN900 mm×300 mm等尺寸。根據周邊環境變形控制，H型鋼可采用插一跳一、插二跳一、密插等布置形式。普通三軸樁施工設備占地范圍較大，當環境受限時可采用連續式水泥土攪拌墻（TRD或CSM法成墻），墻體厚度亦能達到550～1 200 mm。但等厚情況下，型鋼水泥土攪拌墻整體剛度不及地下連續墻和鉆孔灌注樁，故一般應用于開挖深度小于13 m且環境變形控制并不苛刻的基坑工程。此外，受型鋼接頭焊接質量、型鋼剛度、型鋼與水泥土黏結強度、內部支撐體系等綜合因素影響，一旦型鋼發生豎向沉陷，則支撐體系存在失效風險，故型鋼水泥土攪拌墻不宜承受豎向荷載。

（4）鋼板樁。鋼板樁占用空間小，采用拉森鋼板樁更兼具止水效果。但其剛度低，受運輸條件限制，樁長通常為6 m、12 m、15 m，當樁長大于18 m時需考慮接樁，通常焊接質量難以保證，因此鋼板樁一般適用于挖深不超過7 m且環境保護要求不高的基坑工程。

（5）水泥土重力式擋土墻。利用水泥土抗滲的材料特性，通過墻體構造設計形成重力擋土壩。重力式水泥土排樁占地面積較大，通常變形量也較大，一般用于基坑開挖深度不超過7 m，周邊場地條件寬松且無重要保護構建筑物的基坑工程。

（6）放坡。基坑開挖深度小于2.5 m時，利用淺部填土或黏性土的自立性，基坑通常采用放坡開挖，坡度1∶1.5～1∶2。

本工程位于現狀周家嘴路中央，在保證施工期社會交通情況下，可用的施工場地非常有限，還需結合支撐設置棧橋以保證施工作業。基坑兩側均有雨污水、燃氣等重要管線，且直徑1 000 mm給水管距離基坑3～4 m，保護要求較高。受限于經濟性，不宜采用地下連續墻圍護。鉆孔灌注樁+止水帷幕占用空間大，在施工圍護時易產生對管線的擾動，不宜采用。鋼板樁剛度較小，對變形控制不利。重力式擋土墻占用場地較大，不適用于本工程。通過綜合比較，本工程擬采用型鋼水泥土攪拌墻圍護，在減少圍護占地的同時通過提高型鋼的插入密度來控制基坑變形，通過施工棧橋與頂圍檁的特殊設計，確保型鋼不承受豎向荷載。

2.2 支護結構設計

根據基坑開挖深度，10～7 m采用?850型鋼水泥土攪拌墻（HN700 mm×300 mm×13 mm×24 mm），7～2 m采用?650型鋼水泥土攪拌墻（HM500 mm×300 mm×11 mm×18 mm），2～0 m采用放坡。針對地道北側對直徑1 000 mm給水管的特殊保護，坑深大于3 m時，型鋼插二跳一布置以增加圍護結構剛度，其余均考慮插一跳一布置。型鋼插入坑下深度與基坑深度比（即插入比）根據基坑深度每米變化進行分別設計，按照最不利斷面計算的最小插入比為1～1.8。

按照基坑深度和棧橋設置的需要，深7～10 m基坑設置3道支撐（并設鋼管換撐，見圖4），第1道采用鋼筋混凝土支撐（間距9 m），余下為鋼支撐（間距4.5 m）；深5～7 m基坑設置2道支撐，第1道采用鋼筋混凝土支撐，第2道為鋼支撐；深3.5～5 m基坑設置1道鋼筋混凝土支撐；深3.5～2.5 m基坑設置1道鋼支撐；深2.5～2 m基坑不設置支撐。

圖4 隆昌路下立交基坑圍護斷面圖（典型斷面）（單位：mm）

水平支撐體系中，鋼筋混凝土支撐尺寸800 mm×800 mm，鋼筋混凝土圍檁尺寸800 mm×1 200 mm（適用于?850攪拌墻）和800 mm×1 000 mm（適用于?650攪拌墻），鋼支撐全部采用?609鋼管撐（壁厚16 mm），2～3道鋼圍檁采用雙拼HM500 mm×300 mm×11 mm×18 mm型鋼組合焊接，縱向系梁采用2根HW400 mm×300 mm×10 mm×16 mm型鋼。

豎向支撐體系中，設置縱向連續棧橋，局部設置橫向棧橋以滿足挖土和土方車輛的會車，棧橋板厚300 mm，棧橋梁800 mm×1000 mm，鋼立柱采用角鋼組合焊接，外包尺寸460 mm×460 mm，立柱樁與抗拔樁盡量結合布置，樁徑800 mm，樁長約35 m。為避免工法樁承受大量豎向荷載，在近坑邊處設計1排立柱，立柱與結構墻保證約1 m間距，滿足主體結構內模的架設空間。型鋼與圍檁之間設置泡沫板隔離，埋置在圍檁中，避免型鋼露頭影響場地需求。棧橋區域設置隔離墩，通過管控措施確保施工車輛荷載分布在棧橋立柱之間。隔離區以外區域，作為施工人員臨時通道。

針對軟弱地基土，基坑設置高壓旋噴樁裙邊+抽條地基加固，裙邊和抽條寬度4 m，加固深度坑下3 m，抽條加固選擇變形縫處，控制結構施工后的差異沉降，水平間距20～30 m。

降排水方面，基坑挖深大于5 m時采用管井降水，平均150～200 m2布置一口管井，坑下濾頭5～6 m；基坑挖深2～5 m時采用輕型井點降水；基坑挖深小于2 m時集水明排。

3 驗算與分析

3.1 參數取值

以典型斷面為例，基坑開挖深度9.8 m，寬度18.8 m，型鋼插入坑底深度15.6 m。根據勘察資料和經驗，基坑土層主要物理力學計算參數見表1。考慮到周邊社會交通以重載車居多，考慮1.3的動力系數，周邊超載值為20×1.3=26 kPa。地基加固采用旋噴樁加固，按經驗黏聚力C值取20 kPa，摩擦角取30°，m值取6 MN/m4。地下水位按照地面以下0.5 m，計算中不考慮周邊水位下降，坑內水位隨基坑開挖降至坑下1 m。保守計，不考慮鋼支撐預加軸力。

表1 土層物理力學計算參數

3.2 驗算與實測分析

運用同濟啟明星深基坑支護設計軟件計算，基坑安全等級為二級，環境保護等級為二級，典型斷面各項穩定系數驗算結果見表2。插入比深度主要受控于抗傾覆驗算。

表2 典型斷面各項穩定系數驗算

圍護結構變形及內力計算結果見圖5。由圖5可見：圍護最大變形16.9 mm＜0.3%×9.8 m=29.4 mm，最大彎矩-721.9 kN·m，最大剪力-569.2 kN。第1道支撐軸力-152.8～79.6 kN/m，第2道支撐軸力537.6 kN/m，第3道支撐軸力622.8 kN/m，第2道支撐換撐軸力609.1 kN/m。地表最大沉降13.4 mm＜0.25%×9.8 m=24.5 mm。通過計算，圍護變形和穩定均滿足《基坑工程技術標準》（DG/T J08-61—2018）要求；型鋼截面和水泥土剪切驗算均滿足安全要求，過程略。

圖5 圍護結構變形及內力計算結果（典型斷面）

通過施工監測數據顯示，當基坑開挖至坑底時，圍護最大變形達到了40 mm，底板澆筑后拆除第3道支撐支護附加變形3～5 mm。周邊地表最大沉降16.35 mm，DN1 000給水管最大沉降13.96 mm。

與計算結果相比，實際圍護變形量明顯偏大，從而說明圍護結構剛度明顯不足。實測地表沉降比計算值超22%，也說明首道支撐的剛度略顯不足。

通過對現場施工工況、變形數據的整理和分析，總結此次變形過大的主要原因如下：

（1）支撐不及時。土方開挖與支撐架設存在較明顯的時間差，計算軟件中無法考慮超挖狀態。

（2）降水效果不佳。上海軟土孔隙比大，但滲透性極差，即便采用真空管井，也經常出現抽水量不大的情況，降水效果無法達到理想要求，可能導致計算工況與實際存在差異。

（3）周邊動載持續作用。周邊交通重載的反復、持續和不確定作用，對基坑支護存在較明顯的影響，而僅僅提高超載值與實際并不相符。

（4）圍護剛度偏弱。在底板澆筑完成后，拆除第3道支撐時，圍護墻仍發生3～5 mm變形，說明圍護結構剛度偏弱。

綜上所述，在加強現場施工管理等措施的前提下，仍需要針對此類基坑的支護進行加強設計，例如部分深基坑考慮型鋼密插以提高圍護剛度；地基加固抽條間距加密，加固深度加深，進一步保障被動區土壓力發揮；建議加密鋼支撐間距至3～3.5 m。

4 結語

（1）從安全性和經濟性考慮，10 m以內基坑采用型鋼水泥土攪拌墻較合理。建議采取隔離和管理措施，既保證施工場地平整，又使得型鋼不承受主要豎向荷載。

（2）采用同濟啟明星軟件進行設計驗算，各項控制指標均滿足規范要求，但實際圍護變形量明顯偏大，實測地表沉降也較計算值超22%。

（3）通過對現場施工工況、變形數據的整理和分析，此次變形過大的主要原因為支撐不及時、降水效果不佳、周邊交通重載持續作用、圍護剛度偏弱。

（4）在加強現場施工管理等措施的前提下，仍需要針對此類基坑的支護進行加強設計，例如部分深基坑考慮型鋼密插以提高圍護剛度；地基加固抽條間距加密，加固深度加深，進一步保障被動區土壓力發揮；建議鋼支撐間距加密至3～3.5 m。