鄰近建筑物和城市道路的基坑支護設計分析

劉 璐，曹 陽

（1：吉林省建筑科學研究設計院，吉林 長春 130011；2：敦化市建筑工程質量監督站，吉林 敦化 133700）

0 引言

隨著我國經濟的發展，基礎建設項目增多，城市商業區建筑越來越密集，新建建筑多設有地下室，地下室部分也越來越深。在城市中心商業區，新建的許多建筑基坑都無法避免地緊鄰周邊既有建筑或城市主干路。這對基坑支護設計的考驗越來越大，既要保證基坑安全，也要保證周邊既有建筑和道路的安全，還要盡量節約成本，降低預算[1]。

當前深基坑支護形式的計算方式主要以英國學者朗肯1857 年提出的朗肯土壓力理論模型來計算基坑內外側土壓力；利用極限平衡理論計算支護結構的內力和位移；采用1915 年瑞典彼得森提出的瑞典條分法來計算整體穩定性[2]。

1 研究項目基本概況

該研究項目位于吉林省延吉市某商業中心，基坑周長320 m，地勢變化小，場地平坦，以自然地面起算的支護深度為10 m。周圍鄰近市政主干路（距基坑邊緣最短距離4.23 m）和既有建筑（距基坑邊緣最短距離5.41 m），主要采用排樁加錨索支護形式，局部采用雙排樁支護形式。

1.1 地層及參數

據工程地質勘探資料顯示，該段地層上部主要為中砂和圓礫，中砂厚度為2.3 m～3.5 m，承載力特征值為180 kPa；圓礫厚度為2.0 m～3.2 m；下部為強風化泥質粉砂巖和中風化泥質粉砂巖；局部夾層中存在強風化細砂巖和中風化細砂巖。

1.2 地下水條件

項目場地地下潛水水位埋深2.0 m～3.8 m，高程為170.37 m～172.17 m。水位隨季節浮動，年變幅約為2.0 m，勘探時處于枯水期，水位屬于一年中較低水平。地下水滲透系數: 中砂k=20.0 m/d、圓礫k=100 m/d。

1.3 承載力參數

各層巖土地基承載力特征值見表1。

表1 各層巖土地基承載力特征值 kPa

2 深基坑支護的常見形式

基坑支護設計從確定支護結構的形式開始，在分析支護結構可行性時，其主要因素有：基坑開挖深度；地層參數；地下水情況；基坑周邊環境復雜程度、破壞造成的影響程度；基坑所處位置是否允許足夠空間；項目所在場地是否允許支護結構施工的工藝；施工工期要求；預算要求等。目前在北方地區常見的基坑支護形式主要有以下幾種。

2.1 放坡

由于放坡需要合理的坡比，邊坡上口線往往距離基坑底部有一定距離，要求基坑周邊有充足的空間。另外，放坡支護的水平位移較大，容易導致周邊既有建筑、道路或管網出現變形，因此對變形控制嚴格的基坑不可采用放坡支護。但是這種支護方式工程預算最低。一般來說，施工現場滿足放坡條件的三級基坑工程可采用放坡方式，由于放坡支護形式的施工大部分來自土石方的清運，所以操作簡單，效率較高。并且放坡這種形式經常作為其他支護形式的補充，多用于基坑上半部分，可卸載部分土壓力，配合其他支護形式協同支護。

2.2 水泥土墻

水泥土墻是指利用工程機械將土和水泥漿攪拌在一起，形成一道由其混合物組成的墻體，以此作為抵擋土壓力和基坑外地下水的結構。此方式就地取材，施工過程中全部采用機械化，效率較高，可以一次解決需要抵擋土和水兩個問題，省去了降水井的施工步驟，有利于節約成本、縮短工期，被廣泛采用于二級、三級基坑的支護當中[3]。

2.3 鋼板樁支護

鋼板樁一般是指拉森鋼板樁，是采用固定截面、定制長度、可以相互咬合的厚鋼板材料。在支護施工時，采用振動錘擊的方式錘入土體，彼此間相互咬合，形成密閉空間，既能抵擋土壓力，也能抵擋地下水，并且鋼板樁在基坑回填后可以回收再利用，具有經濟性和高效性。

2.4 排樁支護

用于基坑支護的排樁一般分為人工挖孔樁、灌注樁、預制混凝土樁、鋼板樁，其可作為保證基坑開挖后周邊土體穩定性的一種支護形式。按照樁身埋置方式和支撐形式可分為支錨式、懸臂式兩種方式，并且通過鋼筋混凝土冠梁在樁頂連接排樁樁頭，或在樁身位置用鋼腰梁連接樁身，進一步增加穩定性和完整性。

2.5 土釘墻支護結構

土釘墻是一種在土體中加入鋼筋的支護結構，俗稱加筋土，是指利用穿過基坑潛在滑裂面的鋼筋，來加固滑裂面抗滑強度，從而達到對滑動土體增加強度的效果。在土釘施工完畢后，應在基坑側壁采用噴射混凝土以保護坡面，并在其中設置泄水孔。否則在雨季到來時，雨水倒灌入土，會導致滑裂土體的總應力大幅增加，嚴重時會導致基坑失穩。土釘墻支護結構施工相對簡單，成本較低，在二級、三級基坑中效果非常好。這種支護結構一般要求基坑周邊土體自穩性較好。

2.6 地下連續墻

地下連續墻是指埋于地下的鋼筋混凝土墻，在基坑開挖之前應沿著基坑邊線打造擋土墻，隨著基坑開挖，整個墻面逐漸暴露出來，其可以抵擋基坑外的土壓力和地下水，是一舉兩得的支護形式，但由于其采用大量的鋼筋混凝土，造價非常昂貴，因此只有在地下土層參數非常差時才會考慮。

2.7 支撐式支護結構

支撐式支護一般分為鋼支撐和鋼筋混凝土支撐兩種，其整體性好，安全系數高，能夠較好地限制支護結構的位移，適用條件廣泛，一般用于較深的基坑。但是內支撐結構中施工工作空間狹小不利于主體結構施工和土方搬運。且其造價相對較高。一般在主體結構施工過程中，會涉及拆撐和換撐工況，導致基坑施工工期較長。

3 深基坑設計方案

3.1 工程概況

3.1.1 基坑尺寸

該研究項目地下室共計2 層，周長約300 m，開挖深度達到10 m。

3.1.2 環境條件

場地周邊存在既有建筑物，基坑三條邊臨近市政道路，基坑四周存在地下管線，環境較復雜。要求基坑水平變形控制在2 cm 以內。

3.1.3 基坑支護結構安全等級的確定

該研究項目基坑支護結構失效、土體過大變形對基坑周邊環境或主體結構施工安全的影響嚴重。依據《建筑基坑支護技術規程》JGJ 120—2012，基坑支護結構安全等級為一級[4]。

3.2 支護方案擬選

從基坑支護結構類型及其優缺點中可以看出，對于容易產生較大變形的土釘墻、水泥土墻支護形式不能滿足安全等級要求。放坡支護形式沒有足夠的空間，因此將此三項排除。

綜合考慮基坑開挖、周邊環境、地層情況、施工工藝，該基坑支護方案可采用以下4 種支護方式：①內支撐；②地下連續墻；③雙排樁；④樁錨支護結構。可根據其優缺點選擇最合理的支護結構。

1）內支撐結構

優點：支撐式支護結構可以適合多種形狀的基坑，整體穩定性較好，安全系數高，成型后結構水平位移小，適用于開挖較大、較深基坑。

缺點：內支撐桿件會影響基坑出土和內部主體結構施工，有時還會涉及拆撐和換撐的步驟，造成工期延長的后果，而且造價很高，最終拆除的混凝土支撐也很難回收利用。

2）地下連續墻

優點：整體性好，成型后結構水平位移小，可以在土層參數很差的條件下起到穩固土體的作用，可擋土、擋水，一舉兩得。施工速度較快。

缺點：施工工藝中不可避免地產生大量泥漿，污染環境。造價高。

3）雙排樁支護

優點：結構原理和適用性等同于單排樁支護，但其在土壓力方向具有更大的擋土截面，在位移控制上效果更好。

缺點：造價高。

4）錨拉排樁支護結構

優點：整體剛度大，能夠有效限制變形，環境污染小，施工簡單，基坑內部空間充裕，方便施工，土石方開挖、清運較為方便。整體造價較低[5]。

缺點：基坑周邊有地鐵盾構項目時不可采用，錨索會導致盾構機刀盤損壞。

以上4 種方案，結合研究項目的具體情況，從安全性、施工工藝、成本預算、工期要求等方面綜合分析，該基坑最終確定采用雙排樁加樁錨支護結構兩種支護形式。

3.3 設計依據

考慮基坑周邊既有建筑及施工便道的重載車輛，荷載平均按40 kPa 計入。

場地地層參數取值見表2。

表2 場地地層參數

4 具體支護方案及計算模型

采用北京理正深基坑軟件(F-SPW7.0)進行模型計算。由于本研究項目基坑支護設計根據的基坑形狀、周邊環境、土層參數、高程等不同，采用了兩種不同的支護結構，在基坑的不同位置應用相應的結構形式，其中1-1 剖面采用樁錨支護，2-2 剖面采用雙排樁支護形式。具體方案如下。

1-1 剖面：此段為樁錨支護，基坑深度10 m，排樁樁頂標為地表下1 m，鉆孔灌注樁樁徑800 mm，間距1 200 mm，有效樁長12 m，樁體混凝土強度為C30。共設置3 道錨索，錨索水平間距2.4 m，預加力150 kN。

2-2 剖面：此段為雙排樁支護，基坑深度10 m，排樁樁頂標高位于地表，鉆孔灌注樁樁徑800 mm，間距1 200 mm，有效樁長16 m，樁體混凝土強度為C30。

此方案采用頂部稍作放坡處理，下部采用樁錨支護的形式進行支護，平衡周邊荷載，合理坡比放坡，可縮短支護排樁的樁長，減少混凝土和鋼筋用量，并合理設置錨索，可減少支護結構外側的土壓力及地表荷載傳遞的壓力，縮小基坑支護結構的位移，在保證相同安全系數下，減小錨索長度。

5 支護結構的內力及變形分析

本文選擇了樁錨支護結構（1-1）和雙排樁（2-2）兩種支護形式，具體計算情況如下。

1-1 剖面：開挖到底工況位移為14.84 mm、支護結構彎矩最大值86.67 kN，剪力最大值78.44 kN。①計算方法：瑞典條分法；②應力狀態：有效應力法；③條分法中的土條寬度:1.00 m；④整體穩定安全系數Ks=2.926>1.35,滿足規范要求；⑤抗傾覆穩定性驗算：最小安全系數Kt=25.316>1.250，滿足規范抗傾覆要求；⑥最小安全系數Kov=4.613>1.250，滿足規范要求；⑦開挖到底工況最大水平位移為14.86 mm，符合要求（見圖1）。

圖1 1-1 剖面整體穩定驗算簡圖（m）

2-2 剖面：開挖到底工況位移為14.67 mm、支護結構彎矩最大值243.37 kN，剪力最大值96.08 kN。①計算方法：瑞典條分法；②應力狀態：有效應力法；③條分法中的土條寬度:1.00 m；④整體穩定安全系數Ks=3.082>1.350，滿足規范要求；⑤抗傾覆穩定性驗算：抗傾覆穩定性系數KQ=4.488>1.250，滿足規范要求；⑥開挖到底工況最大水平位移為14.67 mm，符合要求（見圖2）。

圖2 2-2 剖面整體穩定驗算簡圖（m）

6 結論

深基坑的支護較為復雜，涉及基坑支護結構的穩定問題，也涉及周邊建筑物、道路、管線的安全問題，項目所在場地的環境也要考慮在內。本工程實踐證明，采用雙排樁加樁錨支護結構加固方式的基坑支護，成本較低，施工效率高，對周圍建筑物、市政道路及管線影響小，可應用于城市中心位置的基坑工程。