增加荷载后的基坑支护加固

许光，夏红萤 （1.中南华鼎武汉岩土工程有限公司，湖北 武汉 430071；.中南建筑设计院股份有限公司，湖北 武汉 430071）

1 引言

目前基坑工程发展呈现开挖深度大、工作面窄、周边环境紧张的趋势。场地局促，不仅限制了基坑设计的边界条件，也对基坑的安全度、变形控制值提出更高的要求。基坑设计需要兼顾技术可行、安全可靠、经济合理，并全面考虑周边环境、现场安全、施工进度等多方面因素。

2 工程概况

2.1 基坑概况及周边环境条件

武汉某项目由2 栋15 层主楼组成，设1 层地下室，基础形式为桩基础。地下室基坑形状近似为长方形，周长500 m，垂直开挖面积7500 m2，基坑深度5.6～6.8 m。

基坑北侧有低层建筑，距离围墙最近距离为3.5 m；东侧为10 层主楼和2层裙楼，有1 层地下室，均为桩基础，距离本基坑最近距离为4.8 m；南侧为四车道的次干道，距离道路最近距离25 m；西侧为工地，本工地围墙距离西侧工地约10 m，基坑距离本工地围墙约8 m（图1）。

图1 基坑周边环境图

表1 岩土参数表

图2 典型地层剖面图

图3 基坑支护平面图

图4 典型支护剖面图

图5 增设锚杆方案剖面图

基坑支护原设计方案为悬臂排桩结合桩顶卸土平台及放坡。支护桩施工完后，在基坑土方开挖前，由于行车、临建堆场等施工需求，场地受到限制，现场临时决定取消桩顶平台，导致原设计方案不能满足要求，需采取加固措施。

2.2 地质条件

场地各地层情况如下所示：

填土（Qml）：稍湿、松散，主要成分为黏性土、碎块石及建筑垃圾组成，是新近填土，堆填时间小于5年；

②淤泥质粉质黏土（Ql）：饱和、流塑状，新近湖积物，属高压缩性土；

③-1 黏土（Q4al+pl）：可塑，局部软塑，具中-高压缩性；

③-2 黏土（Q4al+pl）：饱和，软塑，局部可塑，具高压缩性；

④-1 粉质黏土（Q3al+pl）：稍湿、硬塑状；

④-2 粉质黏土（Q3al+pl）：稍湿、可塑状。

3 原基坑支护方案

基坑深度6.8 m，经计算分析，设计采用1.2@1.4 支护桩，悬臂高度4.8 m，桩顶卸土平台宽2 m，平台后侧1：1 放坡，高度2 m。桩后侧设置两排500@350水泥土搅拌桩作为挡淤止水帷幕。

4 场地布置变化引起的问题

原设计方案计算桩顶位移49 mm，设计弯矩1904.9 kN·m，采用HRB400钢筋，直径25mm，配筋24 根。根据建设单位要求，取消桩顶2 m 宽卸土平台，重新复核计算得到桩顶位移为57.1 mm，设计弯矩2243.4 kN·m，采用HRB400 钢筋，直径28mm，配筋25 根。但支护桩已施工完成，原配筋不能满足变化后的弯矩值。如不加固处理，将导致桩顶位移过大，对周边环境产生不利影响，同时由于配筋不足，可能存在支护桩受弯破坏等潜在风险。因此应采取补强加固措施。

5 加固设计

在支护桩、冠梁已完成施工的情况下，可能的加固设计方案有增设锚杆方案和桩前留土加斜撑方案。

5.1 增设锚杆方案

根据变化后的现场条件，经计算，需加设17.8 m 长锚杆（自由段长5 m，锚固段长12.8 m），水平间距1.3 m。考虑到降低对周边环境影响，采用玻璃纤维锚杆，锚杆腰梁采用Q345B双槽钢。

锚杆施工工序：已完支护桩冠梁施工→土方分层开挖至地面下5 m→锚杆、腰梁施工→土方分层开挖至基坑底→地下室施工→基坑回填。

计算分析按照四个工况进行：第一阶段（S1）施加施工荷载、第二阶段（S2）开挖至地面下5 m 处、第三阶段（S3）施工锚杆、第四阶段（S4）开挖至基坑底。根据图6显示，在第二阶段（S2），支护桩水平位移为30 mm，支护桩在主动土压力作用下发生明显位移，此时悬臂高度3 m，主动土压力完全由支护排桩承担。工况S3 锚杆施工后，继续开挖到基坑底，此时悬臂高度5 m，土压力由桩锚共同承担，支护桩又发生20 mm位移。

图6 增设锚杆方案土的压力、位移、弯矩、剪力图

图7 桩前留土加斜撑方案剖面图

计算累计位移51.4 mm，比原方案位移略大，设计弯矩1882.3 kN·m，采用HRB400 钢筋，直径25mm，配筋24 根，与原配筋相同。增设锚杆的工程量估算为每延米基坑边长造价增加2800元。

5.2 桩前留土加斜撑方案

先坑内留土，设置钢管斜撑后，再挖除留土、施工底板，最后拆除钢管撑。斜撑采用609mm×12mm 钢管，长10.2 m，间距9 m，坑内按1：1坡度留土，留土厚度1 m、宽度5 m，后期进行盆式开挖。在结构底板和冠梁上分别设置支座牛腿。

施工工序如下：

①坑内桩前保留一定土体不挖，施工留土范围外的基础底板，并在侧面设置牛腿；

②待底板混凝土强度达到设计强度的80%时，施工牛腿与冠梁之间采用钢管斜撑；

③挖除保留的土体，进行剩余底板的施工，底板与支护桩之间采用同底板厚度同强度等级的素混凝土换撑；

④待剩余底板及换撑混凝土达到设计强度的80%后，拆除钢管斜撑。

计算分析按照四个工况进行：第一阶段（S1）施加施工荷载、第二阶段（S2）开挖至留土标高、第三阶段（S3）施工钢管斜撑、第四阶段（S4）开挖至基坑底。图8 显示，支护桩水平位移主要发生在第二阶段（S2），此时排桩冠梁施工完成，进行盆式开挖，而斜撑尚未形成，主动土压力完全由支护桩承担，排桩在主动土压力作用下呈现往基坑内侧倾斜的趋势。在后续工况S3，斜撑已经形成，主动土压力由支护桩和斜撑共同承担，支护桩变形在S2基础上仅略微增加。

图8 桩前留土加斜撑方案土压力、位移、弯矩、剪力图

计算累计位移为39.8 mm，比原方案位移明显小。设计弯矩1521.3 kN·m，配筋采用HRB400 钢筋，直径18mm，配筋25 根。 原配筋采用HRB400 钢筋，直径25mm，配筋24 根，满足计算要求且有富余。

桩前留土阶段，宽5 m、厚1 m 的留土，起到了被动区土压力的支持作用，抵消一部分主动区土压力的作用。在加设斜撑、二次挖土阶段，通过斜撑将一部分土压力传至底板。桩前留土加斜撑方案的工程量估算为每延米基坑边长造价增加1600元。

5.3 方案比较

从施工工期、操作性角度来看，桩前留土加斜撑更加繁琐，需进行牛腿、腰梁、钢管斜撑施工，再挖除桩前留土，完成-1F 楼板及换撑施工并达到设计强度的80%之后，还需进行斜撑拆除。而桩锚设计没有后续二次挖土以及拆除工作，操作更简单且工期较短。

从安全性角度来看，两者均具有足够的安全性和可靠性，悬臂排桩可认为是平面支护体系，增加锚杆或斜撑都是增加垂直面体系，将原先平面体系过渡到空间体系，因而加强支护桩刚度，增大总体系支挡能力，提高安全储备。

对环境影响角度来看，桩锚支护形式在施工空间上受到限制，对外部空间有一定的要求，需避免地下部分的施工冲突。而斜撑体系作用于底板，支护体系不往基坑外部延伸，但由于斜撑作用在底板上，需要将斜撑的轴力加到主体桩基上进行核算。

经过前述工程造价估算，两者增加的工程造价均不高，但桩前留土加斜撑方案具有更明显的经济优势。

总体来说，增设锚杆方案，施工速度较快、操作性较好，但需注意避开周边管线等。经勘察，周边无管线问题，但是东侧距离临近地下室且有超红线问题，不排除锚杆打到基础上的风险。由于本地有明确锚杆不得超红线的要求，此处锚杆可考虑玻璃纤维锚杆。

桩前留土加斜撑方案，更安全可靠，但是分两期施工，分两期挖土，第二次挖土受到斜撑的遮挡和干扰，机械运转受到局限，需人工挖土，降低了施工效率、操作不便。结构楼板需分两次浇筑，斜撑作用在楼板上，需对楼板、工程桩进行核算。基于对周边环境的保护，最终权衡选择桩前留土加斜撑方案。

表2 增设锚杆方案与桩前留土加斜撑方案综合比较

6 加固处理后的实施效果

6 月11 日，排桩、冠梁施工完成，开始土方分层开挖，在此过程中，冠梁水平位移逐渐增长。8 月14 日，土方分层开挖并按设计留土至基坑底，开始进行钢管斜撑施工，此时冠梁水平位移5.6～15 mm。9 月11 日，土方开挖基本完成，此时冠梁水平位移6.5～15.6 mm。10 月30 日，基坑底板浇筑完成，拆除斜撑，此时冠梁水平位移6.6～14.6 mm。12 月21 日，完成基坑回填土方，最终冠梁水平位移监测结果显示变形在7～16 mm，最大位移16.0 mm，明显小于计算结果，说明设计留有足够的安全储备。

图9 冠梁水平位移监测曲线

随着土方分层开挖并按设计留土至基坑底，地表沉降逐渐增加。在土方开挖基本完成后，地表沉降基本稳定不变，增长到6.5～13.5 mm 接近稳定，后期涨幅不明显。最终地表沉降监测结果显示沉降在7.47～15.01 mm，满足规范要求。

7 结论

本工程在施工过程中，由于现场布置临时取消桩顶卸土平台，导致原设计不能满足要求。通过对两种可能的加固设计进行比选，选择采用桩前留土加斜撑方案，最终实施效果较好，有以下几点经验可供类似工程参考。

图10 地表沉降监测曲线

在仅排桩的作用下，支护桩水平位移变化明显，增设锚杆或斜撑，随着开挖位移变化幅度得以控制。悬臂排桩为平面支护体系，增加锚杆或斜撑是在排桩平面上增加与之垂直的结构，进而成为空间支护体系，这种复合支护形式可增强支护桩刚度，并且保障了总体系支挡能力，比起单纯的悬臂排桩，可靠度更高，位移控制更小。

总体来说，增设锚杆方案，施工便利、施工速度较快、工期较短，但需注意避开周边管线、建筑基础等。桩前留土加斜撑方案，对空间的要求低、对环境影响小、位移控制更严格、安全性更高。

将理论和实践进行对比，监测结果比计算结果明显小，说明基于弹性支点法的计算方法留有足够的安全储备。