上软下硬复合地层条件下深基坑支护设计探析

肖 龙 长沙核工业工程勘察院有限公司

李盼盼 长沙核工业工程勘察院有限公司

1 工程概况

本次研究的是时代建发和著项目的一层地下室深基坑工程，该施工场地在湖南省长沙市望城区银星路南侧、银杉路东侧。该场地以往是池塘、菜地和材料堆放场地，在勘查期间，其中的部分池塘依然没有处理。现场钻孔发现，孔口标高36.68 ～44.43 m，存在12.15 m左右的相对高差，由此可见，该工程的地势具有较大起伏。在本次工程的施工现场，其岩土地质属于典型的上软下硬复合地层，从上到下的组成分别为杂填土层、淤泥质粉质黏土层、粉质黏土层、细沙层、圆砾层、全风化板岩层、强风化板岩层及中风化板岩层。通过综合考虑实际工程概况与地质条件，采用临时性支护措施对本次工程中的深基坑进行支护，其使用年限设计为2 年，结构重要性系数为1.0，支护高度2.5 ～6.4 m，支护长度为800 m，通过钢板桩、放坡加挂网喷砼的形式进行支护。

2 上软下硬复合地层深基坑支护设计方案

2.1 设计原则

在本次工程中，深基坑支护的主要设计原则如下。第一，在满足其强度、稳定性以及抗变形需求的基础上，满足其应用功能要求，使其和本次工程中的规范规程相符合。第二，尽可能避开雨季，如果一定要在雨季进行施工，则支护后应满足两个要求：一是坡体应足够稳定；二是保护周边的建筑和管线[1]。第三，充分考虑各种不确定因素，为信息化施工、工程监测和变形控制提供指导性意见。

2.2 参数设计

在设计深基坑支护参数时，主要将施工现场的实地勘察报告作为依据，各地层岩性参数取值如表1所示。本次工程中，所有的设计均为全过程动态形式，对于土地和锚固体之间的粘结强度极限标准，需采用现场试拔的方式进行检验，并根据施工中的反馈进行优化。具体设计中，红线与道路车道边线之间的超载应控制在10 kPa 及以下；道路荷载应该控制在30 kPa；其余坡段顶部3 m 内严禁超载；3 m 以外超载应控制在10 kPa 及以下。

表1 各地层岩性参数取值

2.3 支护设计

按照已有的现场勘查资料、现场实际环境条件以及相应的设计与施工经验，在本次工程中，对于地下室和用地红线距离较近的位置，选择的支护措施为钢板桩支护；在上部做局部的放坡处理；对于顶部放坡空间较大的位置，选择的支护措施为放坡加挂网喷砼[2]。本次工程中的深基坑支护设计分段及其主要参数如表2 所示。

表2 本次工程中的深基坑支护设计分段及其主要参数

施工中钢材规格是270 N/mm2的HPB300 型 钢、300 N/mm2的HPB335型钢以及360 N/mm2的HPB400 型钢，选择的锚喷砼强度等级是C20。

因施工现场地下水位处在基坑开挖底标高以下，本次支护设计中，如不采取止水措施，就需确保在枯水季节完成施工。考虑到特殊情况，还需进行相应的防水措施设计。如果施工中遇到丰水季节或是暴雨等极端天气，在地下水位高度超过基坑底标高的情况下，应进行降水井设置，其直径应控制在600 mm，底部应该比基坑底部低5 m 以上，布置间距应控制在25 m×25 m，必要的情况下，可以适当缩小布置间距，降水后的水位应处在基坑底标高下方的0.5 m 及以上。

同时，基坑的顶部以及坑底周边位置也需要设置截排水明沟，其沟底的纵向坡度应控制在0.3%。为避免地表水在基坑顶部渗入基坑中，还需要通过喷射砼的方式做好基坑顶部位置的地表硬化设计，并将相应的泄水孔设置在喷射砼坡面上，然后沿着深基坑底部设计集水井，其间隔应控制在20 ～50 m。

3 上软下硬复合地层深基坑支护工艺设计

3.1 土方开挖施工设计

本次支护设计中，进行了以下几方面的施工工艺设计。第一，应分层进行土方开挖，每一层开挖标高都要超过土钉或锚索标高，但是不可超过0.5 m，其开挖方向是从周边到中部。通过挖掘机进行开挖时，需留下与基坑设计边线相距300 ～500 mm 的土层，然后通过人工开挖和修坡的方式进行施工；同时，基坑底部300 mm 的土方也需要通过人工的方式进行开挖[3]。第二，如果基坑开挖面上部的土钉锚固体以及锚索没有达到设计强度，则不能向下进行土方超挖，且基坑周边的车辆、设施以及材料等荷载都需要控制在地面荷载设计要求之内。第三，因本次工程中的深基坑具有较大的深度和规模，所以开挖过程中需要对时空效应加以合理利用，让土方开挖工作和深基坑支护施工之间达到密切配合效果，尽可能缩短基坑在无支护条件下的暴露时间，且开挖强度需要与支护作业能力相符合，不可超挖。

3.2 挂网喷砼施工设计

为有效确保上软下硬地层条件下深基坑支护效果，在通过挂网喷砼方式进行施工的过程中，需对深基坑进行分层开挖与分层支护。本次工程中，将φ16插筋用作挂网固定钢筋，其长度是0.8 m，设置间隔是1.5 m×1.5 m。在进行混凝土面层喷射的工艺设计中，其主要措施包括以下几个方面。

第一，细骨料应选择中砂。第二，粗骨料应选择级配砾石。第三，做好水泥和砂石之间的重量比、砂率和水灰比控制。第四，在应用速凝剂等外加剂时，需要做好外加剂和水泥之间的相容性试验和水泥浆凝结试验，以此确定外加剂的添加量。第五，喷射施工需要分段、依次进行，对于同一个施工段，应通过从下到上的顺序进行均匀喷射，并控制每一次的喷射厚度。第六，在混凝土喷射中，喷头需要垂直于土钉墙墙面，同时应控制二者的距离。第七，在混凝土终凝一段时间后，需要及时通过喷水法做好养护。第八，施工中应控制好钢筋和坡面之间的间隙。第九，施工中可通过绑扎的方式固定钢筋网，通过搭接焊的方式做好钢筋连接，且需要控制焊缝长度。

3.3 钢板桩施工设计

在通过钢板桩进行此类深基坑支护的过程中，为保障其施工效果，需要对其施工过程加以合理设计。本次工程深基坑支护设计中，为确保钢板桩的打设精度，决定采用屏风式打入法进行施工。施工中需通过吊车来吊装钢板桩，使其在插桩点位置就位，然后再进行插桩。插桩时一定要做好锁口校准，每插入一块都需要套好桩帽，并轻轻锤击。打桩中，为使其垂直度得到良好控制，需要将两台经纬仪设置在两个方向上。为防止锁口中心发生平面位移，需要将卡板设置在打桩进行的方向上[4]。施工中，每一块板块位置都需要在围檩上做好预算，并随时进行检查和校正。

本次工程中，钢板桩需分4 次打入。第1 次是从20 m 高度打入15 m 高度；第2 次是从15 m 高度打入10 m 高度；第3 次需将钢板桩打入导梁高度，然后拆除导梁；第4 次需打入设计标高。在打桩过程中，对于第1 块和第2 块钢板桩，其打入位置与方向都应该保持精确，每打入1 m 就需要测量1 次。以下是本次工程中的钢板桩施工具体设计分析。

（1）设计要求。本次钢板桩施工设计中，主要的要求包括以下几方面。第一，施工前需要先试桩，其数量需控制在10根及以上。第二，在钢板桩放线中，桩头一定要正确就位，并保持垂直，沉桩中需随时进行检测，一旦发现问题，要及时处理。本次施工中，平面位置在横向上的偏差控制在-50 ～0 mm，纵向偏差控制在100 mm，垂直度控制在5°以内。第三，在沉桩施工之前一定要清除高空、地面以及地下的障碍物，并保持地面平整。地下的管线需要开挖至露出，并通过合理的措施来加以保护[5]。

（2）振动沉桩。本次设计中，主要的技术措施如下。第一，振动沉桩频率应比自振频率大，振动前应在刚桩上端夹紧振动锤桩夹，且振动锤需和桩重心处于同一直线。第二，用振动锤将钢桩夹紧并吊起，让钢板桩锁口插入相邻的锁口中，在钢板桩就位稳定且垂直后才可以振动下沉，并及时做好垂直度检测，若发现偏差，一定要及时纠正。第三，如果钢板桩的下沉速度突然变慢，则需要停止沉桩，将钢桩拔起0.6 ～1.0 m，之后重新使其快速下沉，如果依然无法下沉，则需要根据实际情况采取其他措施。

（3）钢板桩施工。风化岩层中的钢板桩施工，如难以通过振动的方式进行，则需通过引孔法来进行施工，钢板桩的施工深度方可满足实际工程支护需求。

（4）拔除钢板桩。在对深基坑进行土方回填的过程中，需要拔除钢板桩，然后根据实际情况对其进行优化，以便重复使用。拔除过程中，需要重视拔除的顺序、时间以及桩孔处理，为避免拔桩振动对周边土体的不良影响，需要先通过振动锤振活锁口位置的土体，然后一边振动一边拔桩。在钢管桩拔出到基础底板以上时，应暂时停止，然后用振动锤对桩孔进行振动，让桩孔及时被填实，以此来确保深基坑施工效果。

（5）监测频率。支护工程监测包括施工安全监测和防治效果监测，施工阶段的施工安全监测宜采用连续自动定时监测的方式，原则上采用24 小时自动定时监测的方式进行，保证监测信息能够及时地反映滑坡体变形破坏特征，为相关人员提供决策依据。详细监测频率如表3 所示。

表3 支护工程监测频率一览表

4 结语

在对上软下硬复合地层进行施工的过程中，相关单位一定要做好深基坑支护设计。具体设计中，需要将工程概况与现场实际情况作为依据，通过合理的措施进行施工工艺设计，并控制好各项施工参数。可有效确保其深基坑的支护效果，满足整体工程的实际施工要求。