复杂边界条件下软土地区深大基坑组合式支护设计与应用

谢弘帅 孙朋杰 何林南 郑鹏亮 张林华 杜维彬

1. 上海海洋地质勘察设计有限公司 上海 200120；

2. 中建二局第一建筑工程有限公司 北京 100176

随着经济发展，城市化步伐的加快，地下空间开发规模越来越大，基坑工程面临的问题越来越复杂，基坑工程支护体系除受到地质条件制约以外，还受到相邻的建筑物、地下构筑物和地下管线等的影响[1]。由此，针对不同地质条件和边界条件的各种支护体系应运而生，在同一场地同时存在复杂地质条件和复杂的边界条件时，需针对各区域不同的支护条件采用不同的支护方式，基坑整体采用多种支护体系进行组合支护的方式，针对性地进行支护是有必要的。

复杂边界条件下一层地下室软土基坑，基坑面积巨大，场地用地空间紧张，由于采用悬臂桩支护刚度无法满足基坑变形控制要求，通常采用排桩+支撑支护、双排桩支护或桩锚支护。

排桩+支撑支护能够有效控制支护结构变形，但其对基坑工程挖土制约较大且造价较高。桩锚支护能有效控制支护结构变形，但地下室外墙退界较小，采用锚索支护一般会超出用地红线，且若红线外存在地下障碍物时，锚索的使用在此种情况下存在限制。

双排桩支护可在一定程度上避免结构超用地红线情况，且对场地外地下障碍物无影响，并能有效控制基坑变形和满足稳定性要求，但需占用较大的场地空间。

在支护边界距用地红线不满足双排桩施工条件时，为了同时满足支护结构安全控制要求、支护结构不超用地红线政策要求及对场地外侧环境保护要求，采用了一种新型支护形式：单排桩+前撑式注浆钢管斜撑体系，该支护体系可同时满足以上限制条件，造价相对采用整体支撑方式较低。

由此，在复杂边界条件下的软土基坑，为同时满足基坑安全稳定性要求、环境保护要求用地红线政策要求及经济性要求，根据各个支护条件采用不同的支护结构体系的组合支护方式是必要且合理的。结合浙江软土地区某开挖深度5.0～7.0 m的复杂边界条件下的基坑工程案例，从基坑支护设计方案选型、项目实施效果及监测数据分析等方面进行研究，为以后类似工程项目提供参考。

1 工程概况

拟建场地位于浙江台州玉环市，基坑面积约8.85万 m2，普遍开挖深度为4.35～5.35 m，北侧靠坑边电梯井最深7.05 m，基坑北侧、东侧和南侧支护边界距用地红线较近，红线外分别为已建省道和市政道路，路边靠基坑侧分布有较多市政管线，基坑西侧支护边界距离用地红线较远，红线内基坑外侧为本项目先施工商铺工程桩。

场地所在地貌单元属冲海积平原，地貌类型单一，基坑开挖及影响范围内涉及的土层为杂填土和淤泥及淤泥质土。潜水水位埋深0.50～3.50 m，设计按不利原则取值，取设计水位埋深0.50 m。③1夹粉质黏土夹粉砂层为弱承压含水层，水头埋深2.80 m。

各土层物理力学指标表如表1所示。

表1 各土层物理力学指标

2 地质条件和边界条件分析

2.1 地质条件分析

该项目场地地质条件较差，基坑开挖及影响范围内地层分布以大厚度填土和大厚度淤泥及淤泥质黏土为主，各层土层特性及对基坑工程的影响分析如下：

①杂填土：以碎石、块石为主，含少量建筑垃圾，硬杂质含量占80%～90%，粒径以200～400 mm为主，少量达800 mm以上，碎石、块石成分主要为凝灰岩，较硬。对止水帷幕和支护方案选型有一定影响。

③1淤泥及③2淤泥质黏土：该两层土土性较差，具有低强度、高压缩性。基坑开挖过程中坑周土体易产生流动，坑内土体易产生隆起变形。

③1夹粉质黏土夹粉砂：局部粉砂含量较高，相变为粉砂，含弱孔隙承压水。局部主楼及电梯井部位抗突涌不满足规范要求，支护设计需采取合理的止水和坑内降压的措施。

2.2 边界条件分析

基坑周边场地条件复杂，其中地块北侧紧邻省道、南侧和东侧外为市政道路，路面下分布有较多市政管线，与基坑最小距离为4.51 m，西侧外侧为商铺。基坑支护设计需控制基坑开挖对市政道路、市政管线及邻近建筑的影响，地块周边环境如图1所示。

图1 基坑周边环境

3 基坑设计重点及方案选型

3.1 基坑支护设计重点分析

本项目支护设计面临主要问题是复杂的场地地质条件和边界条件。止水帷幕及支护结构选型主要从以上两方面进行考虑，分析如下：

1）浅部填土厚度较大，且填土内石块、碎石较多，对基坑工程的防渗和止水效果要求较高。由此，止水帷幕设计应从施工设备对地质条件的适应性、止水效果以及机械设备对场地的要求等方面进行设计。

2）填土下部为大厚度的淤泥及淤泥质黏土，为典型深厚软土，具有低强度、高压缩性，对支护结构的强度和变形控制要求较高。

3）基坑北侧西段基坑边界距用地红线最近仅1.10 m，支护结构用地空间极为紧张，对支护结构的选型限制较大；基坑北侧、南侧和西侧均邻近市政道路，道路下分布有大量的电力、通信、给水、排水、污水等市政管线，对基坑支护结构的施工影响较大。

4）本基坑面积大，工期紧张，基坑支护方案需结合场地地质条件、周边环境及工期等因素进行综合考虑。

3.2 止水帷幕选型分析

根据本项目岩土工程勘察报告，对本基坑有影响的地下水类型为浅部土层中的潜水和③1夹层微承压水。浅部杂填土层内含大量碎石、块石，对止水帷幕选型有较大影响。按照场地地质条件，本项目止水帷幕可供选择的形式有水泥搅拌桩和高压旋喷桩2种方式。支护方式的技术特点及经济对比分析见表2。

表2 止水帷幕选型分析

鉴于本场地浅部填土厚度较大且填土内石块、碎石较多，同时考虑机械设备对土层的适应性及止水帷幕的止水效果，采用高压旋喷桩作为止水帷幕。

3.3 支护结构选型分析

基坑支护设计应优先考虑基坑整体的安全性和稳定性要求，同时兼顾造价和工期的要求，因地制宜，从而得到最佳设计方案。

根据基坑开挖深度、土质条件和周边环境情况，按照安全、可靠、经济、合理、可行的原则，结合各边的周边环境条件和保护要求整体采用直立支护方案，支护结构可供选择的支护方式有“桩锚支护”“双排桩”“桩撑支护”及“桩+前撑式注浆钢管斜撑”等多种支护方式，各支护方式技术经济对比分析见表3。

表3 各支护方式技术经济对比分析

考虑到基底以下为深厚淤泥层，该层土为支护结构提供的被动区抗力较小，无法满足支护结构变形和稳定性要求，因此，在坑内侧基底以下一定范围内设置高压旋喷桩被动区加固，改良被动区土体的强度及性状[2]，以提高被动区支护抗力。

根据本基坑特点，针对不同区域分别采用了“桩锚支护”“双排桩”“桩撑支护”及“桩+前撑式注浆钢管斜撑”等支护方式，结合了浅部卸土及坑内被动区加固方式。同时对交界面处采用不同支护体系延伸一定长度范围等手段，对该区域进行加强处理，以控制不同支护结构变刚度体系的变形不协调问题。

4 基坑支护结构设计

4.1 基坑北侧东段、南侧及西侧局部区域

1）基坑北侧东段区域：基坑开挖深度5.35 m，支护边界距用地红线最近仅6.30 m，红线外设置临时施工便道，红线内无满足放坡开挖的空间需求。

2）基坑南侧区域：基坑开挖深度4.35～5.05 m，支护边界距用地红线为10.10 m，红线内设置临时施工便道，无满足放坡开挖的空间需求。

3）基坑西侧局部区域：基坑开挖深度4.75～5.05 m，基坑外侧为先施工商铺的工程桩，支护设计需考虑对已施工工程桩的保护。

以上3个区域，综合考虑周边场地条件、地质条件及环境保护等因素，设计采用双排桩支护。采用φ600 mm灌注桩，嵌固深度插入比约1∶2，桩间采用高压旋喷桩止水，止水帷幕深度进入基底以下约5.0 m。该方式可满足基坑支护结构整体性、稳定性及止水要求，同时可为坑内土方开挖提供便利。典型支护剖面如图2所示。

图2 双排桩支护典型剖面

4.2 基坑东侧和西侧区域

1）基坑东侧区域：基坑开挖深度4.93 m，支护边界距用地红线最近2.50 m，距现场围墙最近17.50 m，围墙内为施工便道，场地下部无管线，地下空间条件较好。

2）基坑西侧区域：基坑开挖深度4.35～5.35 m，支护边界距用地红线最近32.70 m，基坑外侧为先施工工程桩，支护结构空间有限。

综上，结合场地条件及地质条件，基坑东侧和西侧采用桩锚支护，排桩采用钻孔灌注桩+高压旋喷锚索，钻孔桩参数为φ600 mm@900 mm，插入比约1∶2，采用高压旋喷桩止水，止水帷幕深度进入基底以下约5.0 m。高压旋喷锚索采用高压旋喷工艺，形成直径为500 mm的锚固体，锚索采用在软土基坑中应用较成熟的高压旋喷锚索，能提供较高的锚固力，有效控制基坑变形。

针对东侧超红线事宜，锚索采用可回收工艺，施工完成后对钢绞线进行回收。西侧锚索施工前对锚索进行准确放样，锚索设置在已施工工程桩桩间，避开工程桩。典型桩锚支护剖面如图3所示。

图3 典型桩锚支护剖面

4.3 基坑北侧西段区域

基坑普遍区域开挖深度5.35～5.55 m，支护边界距用地红线最近仅为1.10 m，支护结构用地空间紧张，双排桩支护无施工空间；同时红线外紧邻市政道路，下方为市政管线，对锚索施工形成制约，桩锚支护无施工条件。

针对此种情况，可供选择支护方案有2种：

1）排桩+钢斜撑支护：钢斜撑撑在坑内先施工底板上，随后进行坑边土方开挖和地下室结构施工，待地下室完成后割除钢管。同时由于钢斜撑需跨越主楼，钢管长度较长，需设置立柱。施工工艺复杂且工期较长。

2）排桩+前撑式注浆钢管斜撑：注浆钢管在土方开挖前打入基底以下一定长度，并进行注浆，提高钢管与土体的侧摩阻力及端阻力，形成斜向受压杆件，端部与圈梁连接并浇筑为整体。采用此工艺可实现整体开挖，工艺简单，无需进行坑边留土，方便坑内土方开挖，同时能大大缩短施工工期。

因此，为方便土方开挖和节省施工工期，设计采用排桩+前撑式注浆钢管斜撑支护体系。钻孔桩参数为φ700 mm@900 mm，插入比约1∶2.5，采用高压旋喷桩止水，止水帷幕深度进入基底以下4.0～5.0 m，前撑钢管采用φ325 mm×8 mm。典型排桩+前撑式注浆钢管斜撑支护剖面如图4所示。

图4 典型排桩+前撑式注浆钢管斜撑支护剖面

4.4 基坑东北角区域

基坑普遍区域开挖深度5.35～5.55 m，支护边界距用地红线最近仅为1.10 m，支护结构用地空间紧张，同时红线外紧邻市政道路，下方为市政管线，由此采用排桩+支撑支护，钻孔桩参数为φ700 mm@1 000 mm，插入比约1∶2.5，采用高压旋喷桩止水，止水帷幕深度进入基底以下4.0～5.0 m。典型排桩+混凝土支撑支护剖面如图5所示。

图5 典型排桩+混凝土支撑支护剖面

5 基坑支护效果分析

为保证基坑自身安全及控制基坑开挖对周边环境影响，对支护结构及周边环境进行监测，主要监测项目包括深层土体水平位移、周边管线的水平位移和沉降、已建建筑的变形、支撑轴力、前撑注浆钢管轴力及锚索内力等。

自基坑开挖至基底到基坑回填期间，基坑周边地面变形为16.0～33.0 mm，周边管线最大变形为8.50 mm，均未超过相应规范限制，能够有效地保护周边环境。典型区域支护结构变形及支点受力如表4及表5所示。

表4 深层土体水平位移监测结果统计

表5 锚索/支撑轴力监测结果统计

由表4及表5可知，本基坑采用多种支护结构组合支护体系，各支护结构实测监测数据均未超过计算值。桩+混凝土角撑支护刚度较大，相对其他支护体系控制变形作用明显；钻孔桩+高压旋喷锚索支护体系由于锚索能够形成的锚固体直径较大，能够提供较高的锚固力，其在软土基坑中对变形控制效果明显；双排桩为超静定结构，在一层地下室基坑中同样具有较高的控制变形能力；钻孔桩+注浆钢管前撑支护体系在软土地层中会随着基坑土方开挖及基坑开挖到底后暴露时间加长发生蠕变，但通过合理设置设计参数及控制基坑暴露时间，能够有效控制支护结构变形，保证基坑工程顺利施工。同时，锚索/支撑轴力均小于计算值且处于报警值80%左右。

综上，本基坑采用组合支护体系能够有效控制基坑变形，保证基坑稳定及控制周边环境变形，设计方案针对不同边界条件采用不同支护体系，为基坑土方开挖和地下室结构施工提供了便利，证明基坑支护设计方案选型是合理可靠的。

6 结语

通过解决复杂地质条件和边界条件下设计选型问题，验证了组合支护体系的合理性及可靠性，得出以下结论：

1）不同场地和地质条件需采用针对性的支护结构，解决特殊条件下的支护问题。组合支护体系符合安全、经济、合理的原则，是未来基坑工程精细化施工的一个方向。

2）双排桩门架是一种空间超静定支护结构，刚度较大，在开挖深度5.0 m左右的软土基坑中可以有效地控制基坑侧向变形。

3）排桩+高压旋喷锚索支护：高压旋喷锚索在软土基坑中能提供较高的锚固力，能有效控制对周边环境的影响。

4）前撑注浆钢管支护体系相对传统排桩+斜抛撑支护具有工期短、施工方便等优点，通过注浆可提供较高的承载力，满足基坑使用要求，但需合理设置设计参数，控制其在软土地层中的蠕变效应。支护体系总体可保证基坑自身安全及控制其对周边环境的影响，可在类似基坑工程中推广使用。