排樁內支撐復合支護體系在深大基坑中的應用

劉玉華

中煤地質集團有限公司，上海 200000

深大基坑支護體系由單一支護方式轉換為復合支護體系，在復合支護體系設計過程中，基坑的安全性及造價的經濟性尤為重要，在保證基坑開挖安全的基礎上，需提高施工效率及工程造價的經濟性。文章以蘇南某地區某深基坑的復合支護體系的設計分析與施工為例，探討了排樁內支撐復合支護體系在工程中的應用。

1 擬建工程概況

擬建工程由主樓（25F）、裙房（5F）及純地下車庫組成，整體設三層地下室。建筑設計相對于黃海標高5.5m，現狀地面黃海標高約5.1m。純地庫開挖深度約15.9m（基礎墊層底建筑標高為-16.3m），主樓部位開挖深度約16.9m（基礎墊層底建筑標高為-17.3m）。

該項目基坑開挖面積約12000m2，周長約470m?；娱_挖底標高及挖深如表1所示。

表1 基坑開挖深度及標高一覽表 單位：m

擬建工程場地北側為一期已建地庫及內部道路，南側為一期已建建筑，東側為消防通道，西側為一期已建建筑，東北角為既有辦公建筑。需要保護的對象主要為道路管線及周邊相鄰的建筑物，如圖1所示。

圖1 基坑周邊環境圖

2 基坑周邊荷載條件

根據基坑周邊環境條件，結合土方車輛、商品混凝土罐車、裝載機和反鏟挖機等常用機械的等效荷載，以及鋼筋、砂、碎石等建筑材料堆放的等效荷載并考慮消防車荷載，綜合考慮確定西側、北側和東側外側荷載條件均為20kPa滿布均布超載+15kPa局部均布超載，基坑南側荷載條件為20kPa滿布均布超載+10kPa局部均布超載。

3 地質條件

3.1 場地地形地貌

擬建場地整體地勢平坦，局部略有起伏。

3.2 工程地質

3.3 水文地質概況

場地地下水類型為上層滯水和承壓水。上層滯水主要埋藏于①層填土中，該含水層水位在不同時段是有變化的，由大氣降水、生活、生產用水等補給，以蒸發、滲流等方式排泄。

巖土勘察期間（2019年9—10月）測得該層水位埋深為地下0.8～1.8m，平均標高約3.8m，水位及水量隨季節變化，變化幅度約1.0m。

由土質條件結合地區經驗，①層填土滲透系數可取1.0m/d。第Ⅰ承壓水Ⅰa（④1、⑤1、⑤2層土）勘察期間實測水位標高為2.7m，近3～5年最高為3.0m，最低為-2.0m，年平均主要補給來源為長江、滆湖、上層滯水越流，以人工排泄為主，滲透系數為0.7m/d。Ⅰb1（⑥4a層土）勘察期間實測水位標高為-0.66m，與長江水、Ⅰa承壓水呈補、徑、排關系，滲透系數為0.4m/d。Ⅰb2（⑧1層土）勘察期間實測水位標高為-0.74m，滲透系數為0.5m/d。

3.4 工程地質參數

綜合考慮該基坑的周邊環境和地質條件的復雜程度、基坑深度等因素，確定該基坑支護結構的安全等級為一級，基坑重要性系數γ0為1.1。

將朗肯土壓力計算理論作為土側向壓力設計計算的依據，則主動土壓力系數ka的計算公式如下：

式中：φ為內摩擦角，°。

深圳港水上“巴士”航線的經濟性由上述3個指標構成的成本價值量來決定，通過與其他路徑經濟性的比較，分析深圳港水上“巴士”的優劣勢.

被動土壓力系數kp的計算公式如下：

各工程地質支護設計參數如表2所示。

表2 基坑支護設計參數一覽表

4 基坑支護設計方案

4.1 該基坑工程的特點及難點

（1）周邊環境及場地地質條件復雜?；娱_挖深度影響范圍內的土層由上及下主要為①層雜填土、③1層粉質黏土、④1層黏質粉土夾粉質黏土、⑤1層砂質粉土、⑤2層砂質粉土、⑥2層粉質黏土、⑥3層黏土、⑥4層粉質黏土。其中①層雜填土工程性質差，開挖后自穩性差，易坍塌。④1層黏質粉土夾粉質黏土為軟塑～可塑。⑤1層黏質粉土、⑤2層砂質粉土富含地下水，透水性較大，極易造成流砂管涌等不良地質現象?；又苓叚h境復雜，道路管線眾多，距離周邊建構筑物較近，基坑開挖卸荷后，破壞原有地應力平衡，極易造成基坑側壁及周邊地表變形過大，從而危及周邊建構筑物及道路的安全和正常使用。

（2）基坑開挖面積大、深度深、陽角多，時空效應顯著。該工程基坑開挖面積約12000m2，基坑開挖深度約15.9～16.9m，屬深大基坑，基坑開挖施工周期長。深基坑工程實施過程中受到基坑開挖、施工動載及大氣降雨等許多不確定因素的影響，基坑時空效應顯著。另外，該工程基坑平面陽角多，尤其是基坑西側連續大、小陽角，其受力不利于基坑支護。

（3）深厚粉土層，止降水難度高。該工程地表以下5～19m為深厚粉土層，透水性較大，地下室施工期間長期大面積降水，易造成周邊地表大面積下沉?；拥撞繛樯百|粉土（基坑開挖后僅剩約2m厚），降水漏斗影響范圍小，尤其是主樓部位的坑中坑，底部砂質粉土基本挖穿。側壁為軟～可塑狀粉質黏土及砂質粉土，易產生蠕變從而導致滑動變形和管涌失穩。因此，地下水的控制須綜合考慮安全、工期、造價等因素，地下水的控制措施是該工程的關鍵點。

4.2 該基坑工程總體方案選型

根據類似基坑工程的設計、施工經驗和技術水平，適用于該基坑工程的總體方案有順作法和逆作法兩種。

（1）順作法。順作法是基坑工程的傳統開挖施工方法，施工工藝成熟，支護結構體系與主體結構相對獨立，相比逆作法，其設計、施工均比較便捷。由于傳統工藝對施工單位的管理和技術水平的要求相對較低，施工單位的選擇面較廣。另外，順作法相對于逆作法而言，其基坑支護結構的設計與主體設計關聯性較低，受主體設計進度的制約小。目前絕大部分基坑均采用此種圍護方式。但是，隨著城市用地不斷緊縮、施工場地的局促以及開挖深度的不斷增加等情況的出現，順作法明顯體現出其不足和問題：①對于深、大、復雜基坑，需設置和拆除大量的臨時支撐；②支撐體系拆除時圍護墻會發生二次變形，拆撐爆破及拆撐后廢棄的混凝土碎塊會對環境產生不利影響；③對于三層及三層以上地下室結構的深基坑，采用順作法進行地下結構施工的工期較長；④在一些繁華區域，幾乎用足地下紅線，施工場地狹小，不利于施工的開展。

（2）逆作法。逆作法和順作法施工順序相反，在支護結構、工程樁及豎向支承柱完成后，直接施工地下結構的頂板或者開挖一定深度后再進行地下結構頂板的施工，再依次逐層向下進行各層的挖土，并交錯逐層進行各層樓板的施工。逆作法采用支護結構與主體結構相結合，其主要優點如下：一是樓板剛度大于常規順作法的臨時支撐，基坑開挖的安全度得到提高，且一般而言基坑的變形較小，因而對基坑周邊環境的影響較??；二是可實現地上地下結構同時施工，因此可縮短工程的總工期，地面樓板施工完成后，可為施工提供作業空間，因此可解決施工場地狹小的問題；三是采用支護結構與主體結構相結合，可以節省常規順作法中大量臨時支撐的設置和拆除，有利于降低能耗、節約資源。當然，逆作法也存在不足，主要表現在以下五個方面：①逆作法為國內一種比較新型的工法，技術難度相對較高，對施工單位的管理、協調、技術水平及該方面施工經驗的要求比較高，因此業主對施工單位的選擇面較??；②逆作法是主體結構與支護結構全面結合的一種設計方法，基坑支護設計與主體結構設計的關聯度極高，因此對主體結構設計提出的要求也很高，基坑支護設計進度受主體結構設計進度制約的程度較高；③由于逆作法大量挖土是在梁板結構封閉后的空間內進行，并且基坑中還分布一定數量的豎向支承立柱及降水用井點管，使挖土難度增大，挖土效率遠較順作法施工挖土效率低；④基于超高層塔樓豎向承重結構的重要性，一般不適合采用逆作法，這是因為根據逆作法自身工藝特點，地下部分的主體承重結構待基礎底板完成之后往上順作施工，在地下各層水平結構位置均有施工縫，而且梁底下剪力墻、柱混凝土澆筑的密實性不及順作法的常規施工工藝；⑤地下連續墻作為主體結構墻體，墻體接頭易滲漏，根據周邊地區相關經驗，逆作法一般適用于三層及三層以上地下室、基坑開挖面積達20000m2以上、周邊緊鄰地鐵、隧道、歷史建筑、重要的自來水總管和煤氣總管等需要重點保護的對象。該工程基坑開挖面積約12000m2，設置三層地下室，且基坑周邊無軌道交通等重要的建構筑物需要保護，因此不適用于逆作法支護。

遵循“安全、經濟、便于施工”的原則，結合類似項目工程經驗，該工程適合使用設計理論成熟、施工經驗豐富且經濟性較好的順作法支護方案。

4.3 基坑支護體系選型

根據相關經驗及工程地質參數，遵循“安全可靠、技術先進、經濟合理、方便施工”的原則，綜合考慮該基坑工程地質條件、周邊環境條件及基坑開挖深度、面積等因素，在對各種圍護結構進行比較分析的基礎上，該工程支護方案擬選擇排樁+內支撐結構；止水方案擬選擇雙層止水帷幕，降水方案采用管井+輕型井點+盲溝。

（1）圍護體系選型。適合此類開挖深度的圍護結構有鉆孔灌注樁排樁或地下連續墻。①鉆孔灌注排樁：鉆孔灌注樁的優點是工藝成熟、質量可靠、施工速度快且造價經濟，缺點是與地下連續墻相比，其抗彎剛度和整體性相對較弱，當基坑開挖深度較深、周邊環境要求嚴格時，其變形較地下連續墻大，對周邊環境保護不利。②地下連續墻：對于開挖深度較深的淤泥質軟土地區的深基坑工程，地下連續墻被認為是最佳的擋土結構之一。地下連續墻具有剛度大、整體性好、有利于保護周邊環境的優點，但其造價、施工難度要高于鉆孔灌注樁且墻體接頭易滲漏。根據該工程的實際條件、周邊環境情況、開挖深度及土層性質，采用鉆孔灌注樁排樁作為圍護結構體，能夠保證安全且兼顧經濟，故采用鉆孔灌注樁排樁，樁徑為1400mm，并在基坑陽角處設計補強排樁。

（2）水平支撐體系選型。從基坑開挖深度及換撐的角度考慮，可采用2道或3道內支撐。從節省工期、方便施工的角度考慮，擬采用2道內支撐，同時增大灌注樁直徑以控制變形，減輕對周邊環境的影響。2道內支撐比3道內支撐節約工期約90～100d，同時支護造價上亦有所節省。由于該工程基坑開挖深度較深，為了保證工程安全，該工程擬采用2道鋼筋混凝土內支撐，平面布置采用角撐+對撐的形式；主支撐截面尺寸為800mm×900mm及1000mm×900mm；支撐下立柱樁采用灌注樁內插鋼格構柱；灌注樁樁徑為900mm，鋼格構柱型號為4L180mm×18mm型；格構柱插入灌注樁深度3m以上。

（3）止水帷幕選型。該工程坑底以下存在約2～3m厚的粉土層，止水帷幕壓力較大，若止水帷幕失效造成流土流砂，后果不堪設想。鑒于該工程止水的重要性，該工程采取三軸深攪拌樁（Ф850@1200mm）+圍護樁間高壓旋噴（Ф700@1200mm）兩道止水帷幕，亦可減小坑內長期大面積降水對周邊環境的影響，坑內鉆孔樁間采用掛網噴漿，防止樁間土流失。該工程東半部坑底以下存在⑥4a砂質粉土層，該層存在承壓水，可能會導致坑底突涌，需加深止水帷幕形成閉合式止水帷幕，可減少坑內長期大面積降水對周邊環境的影響。

（4）降水方案選型。該工程降水方案選擇管井+輕型井點+盲溝降水；在基坑底部設置40口管井；坑中坑部位設置14套輕型井點降水系統?？觾冉邓局葱杞邓脑瓌t，嚴禁過量降水。在基坑外沿布置回灌井，在周邊地面沉降沒有異常的情況下，兼做監測井。當周邊地面沉降異常時，回灌井能夠及時回灌地下水，減少地面沉降。

5 基坑施工順序

（1）平整場地→灌注樁施工→深攪樁→高壓旋噴樁、立柱樁及管井施工。

（2）基坑開挖至第一層支撐圈梁底→施工第一層圈梁、支撐、棧橋梁、剛架梁、棧橋板、拉結板→基坑分層開挖至第二層支撐圍檁底標高→施工第二層支撐及圍檁→基坑開挖至設計標高→澆筑混凝土墊層至支護樁邊。

（3）主體結構施工至負三層頂板→拆除第二層混凝土支撐→主體結構施工至負二層頂板→拆除第一層混凝土支撐。

6 基坑開挖過程監測

基坑開挖及地下結構施工期間沉降觀測及外圍建筑變形觀測結果顯示，監測點的沉降值和位移值，均小于報警值?；邮┕そY束后，周邊建筑及管線設施均未受到影響。

7 結束語

綜上所述，排樁內支撐復合體系在深大基坑支護安全可靠，施工周期短，效率高，并經濟較為適中。支護體系與連續墻相比，可節約25%的工期及30%的工程造價。該工程的成功說明復合支護體系在相同的工程地質條件下具有明顯的技術經濟優勢。