市政工程常用基坑支護結構的類型及設計原則

黃定江

(合肥市規劃設計研究院，安徽合肥 230041)

0 引言

我國大量的深基坑工程始于20世紀80年代，隨著城市高層建筑的建設而迅速發展。近幾年，由于城市道路、立交橋等工程的迅速發展，道路地下管網、地下泵房、下穿立交等都存在著基坑開挖問題。市政工程基坑周圍通常存在交通要道、已建建筑或管線等各種構筑物，這就涉及到基坑開挖的重要問題，即要保護其周邊構筑物的安全使用。而一般的市政工程基坑支護大多是臨時結構，投資太大易造成浪費，支護結構不安全又勢必會造成工程事故。因此，如何安全、合理地選擇合適的支護結構并根據基坑工程的特點進行科學的設計是基坑工程要解決的主要內容。

1 市政工程常用基坑支護結構的類型、特點及其適用范圍

支護結構的種類很多，應根據場地周邊環境、開挖深度、工程地質與水文地質、施工作業設備和施工季節等條件綜合考慮而因地制宜地選擇合適的基坑支護結構類型。

（1）放坡開挖

當施工場地滿足放坡條件，周圍無重要建筑物時，一般均按放坡開挖。放坡開挖主要缺點是土方回填量大。采用放坡開挖的基坑開挖深度不宜超過7 m。基坑開挖深度超過4.0 m時，應采用多級放坡的開挖形式。放坡開挖的基坑邊坡坡度應根據土層性質、開挖深度確定，各級邊坡坡度不宜大于1:1.5，淤泥質土層中不宜大于1:2.0；多級放坡開挖的基坑，坡間放坡平臺寬度不得小于1.5 m。

（2）鋼板樁

鋼板樁是異型型材的一種，是一種現代基礎與地下工程領域的重要施工材料。隨著鎖口密封劑的使用及各種止水工具的應用，鋼板樁逐步應用于柔軟地基及地下水位較高的深基坑支護。鋼板樁作為支護結構的一種類型，其優點是高強、輕質、隔水性好、耐久性強、可重復使用、安全性高、對空間要求低、環保效果顯著。其缺點是抗彎能力較弱，多用于較淺基坑或溝槽；支護剛度小，開挖后變形較大，一般在樁身設置一道或多道支撐。

（3）人工挖孔灌注樁

人工挖孔灌注樁圍護墻目前應用較為廣泛，其多用于7～10 m的基坑工程。其優點為施工時無振動、無噪音、無擠土現象，對周圍環境影響小；樁身強度高、剛度大，支護穩定性好，變形小。其缺點為勞動強度大、單樁施工速度較慢、安全條件差、樁間縫隙易造成水土流失，施工過程中易造成生產安全事故。人工挖孔灌注樁圍護墻適用于粘土質地區，不得用于軟土或易發生流沙的場地（淤泥、淤泥質土）、地下水位以下的砂層、粉土夾砂層和粉土、富含承壓水砂巖強風化帶（或殘積層）區域），地下水位高的場地，應先降水后施工。

（4）預制鋼筋混凝土板樁

預制鋼筋混凝土板樁具有施工簡單、現場作業周期短等特點，曾在基坑中廣泛應用，但由于預制鋼筋混凝土板樁的施打一般采用錘擊方法，振動與噪音大，同時沉樁過程中擠土也較為嚴重，目前在市政工程中應用較少。

（5）地下連續墻

地下連續墻是在地面上采用一種挖槽機械，沿著深開挖工程的周邊軸線，在泥漿護壁條件下，開挖出一條狹長的深槽，清槽后，在槽內吊放鋼筋籠，然后用導管法灌筑水下混凝土筑成一個單元槽段，如此逐段進行，在地下筑成一道連續的鋼筋混凝土墻壁。地下連續墻剛度大、止水效果好，是支護結構中最強的支護型式。由于受到施工機械的限制，地下連續墻的厚度具有固定的模數，不能像灌注樁一樣根據樁徑和剛度靈活調整。因此，地下連續墻只有在一定深度的基坑工程或其它特殊條件下才能顯示出經濟性和特有優勢。一般適用于開挖深度超過10 m、對防水、抗滲有較嚴格要求、鄰近存在保護要求較高的建（構）筑物，對基坑本身的變形和防水要求較高的深基坑工程。在超深基坑中，例如30～50 m的深基坑工程，采用其他圍護體無法滿足要求時，常采用地下連續墻作為圍護結構。其優點是施工時振動小，噪音低，非常適于城市施工；防滲性能好，由于墻體接頭形式和施工方法的改進，使地下連續墻幾乎不透水；墻體剛度大，用于基坑開挖時，可承受很大的土壓力，極少發生地基沉降或塌方事故；適用于多種地基條件，從軟弱的沖積地層到中硬的地層、密實的砂礫層，各種軟巖和硬巖等所有的地基都可以建造地下連續墻。其缺點是在城市施工時，廢泥漿的處理比較麻煩；用作臨時的基坑擋土結構，比其它方法所用的費用要高。

2 市政工程基坑支護結構的選型

基坑支護的目的是確保基坑開挖自身坑壁的穩定及施工安全、保證周圍臨近結構物、地下管線的安全、便于基坑開挖施工及地下工程建設。基坑支護型式的合理選擇，是基坑支護設計的首要工作，應根據地質條件，周邊環境的要求及不同支護型式的特點、造價等綜合確定。安全是基坑支護結構的核心問題,不僅僅要考慮支護體系自身的安全,確保基坑開挖施工的順利進行,又要保證周圍結構物、地下管線的正常使用。支護結構的經濟性指的也不僅僅是支護結構自身的造價,還應該考慮到施工工期、安全等各方面的綜合經濟效益。一般當地質條件較好，周圍環境要求較寬松時，可以采用放坡或放坡結合鋼板樁型式支護；當周邊環境要求高時，應采用較剛性的支護形式，以控制水平位移，如灌注樁或地下連續墻；當地質條件特別差，基坑深度較深，周邊環境要求較高時，可采用地下連續墻。

3 市政工程基坑支護結構的設計要求

基坑支護結構設計應該根據其破壞后果的嚴重性分別采用不同的安全等級。若破壞后果很嚴重應采用一級安全等級，破壞后果一般的采用二級，破壞后果不嚴重的采用三級。基坑支護作為一個結構體系，應要滿足強度、穩定和變形的要求，即通常規范所說的承載能力極限狀態和正常使用極限狀態的要求。對于基坑來說，所謂承載能力極限狀態就是支護結構破壞、傾倒、滑動或周邊環境的破壞，出現較大范圍的失穩；所謂正常使用極限狀態就是指支護結構的變形或周邊土體產生的變形過大，影響正常使用。

對于市政工程而言，因工程建設多位于城區，對變形要求相對嚴格。基坑支護結構在土側壓力的作用下若發生較大位移,那么周圍的地表勢必會出現下沉,有可能導致周圍的結構物出現開裂,影響其正常使用，若變形量過大,甚至會造成周圍建筑物傾斜、倒塌,地下管線斷裂等情況。因此,在進行市政工程基坑支護結構設計時必須確保支護結構的位移量控制在允許范圍以內，施工時一般要求進行變形監測。

基坑支護結構變形監測報警值見表1。

表1 基坑支護結構變形監測報警值

4 工程實例

（1）合肥工業大學排水泵站深基坑支護

合肥工業大學排水泵站位于合肥工業大學校內，緊鄰馬鞍山路（城市快速路），周邊分布有教師宿舍樓（磚混，5層）、研究生院教學樓（框架，6層）、橫穿馬鞍山路人行地道等構筑物，泵站平面位置見圖1。從平面位置來看，場地狹小。現場地面標高為18.9～20.1 m，而泵房基底設計標高為10.1 m，埋深接近自然地面下約9.0 m，為保證交通及施工安全須設擋土結構。

圖1 泵站平面位置（單位：cm）

根據地質鉆探資料，場地內分布有雜填土、淤泥質雜填土、粘土，粘土層的物理力學指標見表2。該場地地下水類型為上層滯水和粘土層中少量孔隙水，無一定自由水面，水量不大。

表2 粘土物理力學指標

因該工程位于高校內，且周邊分布有教師宿舍、教學樓、城市交通干道，安全問題極其重要。經綜合分析現場地質及施工條件，決定采用人工挖孔灌注樁支護。經結構計算，確定樁直徑d=1.0 m，混凝土強度等級為C25，樁中心距為1.5 m，樁深5.0 m，樁頂標高根據實際情況略有不同，樁長H為13.8 m、12.4 m、11.9 m。為加強樁的整體性，在樁頂設1 000 mm×500 mm的冠梁。共有36根樁，要求施工時交錯施工，并進行現場監測。施工期間未出現異常情況，較好地實現了設計期望。

（2）巢湖市景城路雨水出口溝槽基坑支護

巢湖市景城路雨水出口管道（管徑2.2 m）緊鄰湖光路（城市快速路），距湖光路邊線最近僅3.5 m，溝槽底距地面約5 m。場地①層雜填土、①1層淤泥質素填土、②1層粉質粘土、②2層淤泥質粉質粘土均為軟弱土，③層粘土夾礫石為中硬土，擬建雨水管道位于②2層淤泥質粉質粘土層。場地地下水類型在勘探深度范圍內主要為上層滯水及層間水，上層滯水主要分布于①層雜填土及①1層淤泥質素填土中，水量較豐富；層間水主要分布于②2層淤泥質粉質粘土中，水量較豐富。

因該工程緊鄰城市交通干道，場地為軟弱土且地下水豐富，決定采用U型鋼板樁支護，見圖2。經結構計算，確定采用400×170 U型鋼板樁（見圖3），樁身總長10.5 m，外露5.0 m，并在樁頂設一DN200間距4 m的鋼管做為橫撐。工程于2013年8月建成投入使用，施工期間未出現異常情況。

圖2 鋼板柱支護斷面圖（單位：cm）

圖3 400×170U型鋼板柱示意圖

5 結語

一般的市政工程基坑支護大多是臨時結構，投資太大易造成浪費，支護結構不安全又勢必會造成工程事故。在堅持“安全是市政工程基坑支護結構的核心問題”這一原則前提下,根據具體市政工程情況具體分析，以選擇最經濟適用的結構形式。

[1]JGJ120—2012,建筑基坑支護技術規程[S].2012.

[2]GB50497—2009,建筑基坑工程監測技術規范[S].2009.