水泥土擋墻與單排灌注樁組合支護的應用

上海建工房產有限公司 上海 200080

0 引言

對于軟土地層中開挖深度不超過7 m的基坑，水泥土重力式圍護墻是一種常用的支護結構類型，具有施工簡便、止水性能好等優點；但其占用空間較大，位移控制能力較弱。當基坑邊場地空間不足以施工常規的水泥土圍護墻時，往往不得不采用有內支撐的板式圍護墻。這樣基坑安全性雖有保證，但可能大大增強了施工復雜性，增加了工期、費用等投入[1,2]。

在水泥土重力式圍護墻內插入單排鉆孔灌注樁，形成懸臂式組合支護結構，是近幾年在工程實踐基礎上發展起來的一種經濟、便利的基坑支護類型。它兼具了2種圍護結構的優點，對基坑變形控制能力大大優于傳統水泥土圍護墻，并能在一定程度上減小圍護墻截面寬度。因而在遇到場地狹小的情況時，可考慮采用該支護結構解決問題。

1 工程背景

1.1 概況

上海朱家角A3-1地塊項目47#商業樓有1層地下室，結構類型為框架結構，基礎類型為樁+承臺+筏板。基坑開挖深度為4.1 m，基坑面積約2 750 m2，周長約212 m。基坑北側和東側緊鄰市政道路，東側的規劃紅線距離商業樓基坑最小距離為3 m。東側道路下埋有多條市政管線，與基坑的最小距離5 m。

1.2 工程地質概要

本項目場地原為農田，屬于平原地貌類型。根據工程勘察報告，商業樓基坑工程主要土層從上往下為：①1素填土、①3浜填土、②2青灰色粉質黏土、③灰色淤泥質粉質黏土、⑥1-1暗綠-草黃色粉質黏土、⑥1-2草黃色粉質黏土。

本場地對工程有影響的地下水屬潛水類型，主要補給來源為大氣降水和地表水，地下水位設計埋深取上海地區常年平均值，為0.5 m。

2 設計難點和對策

根據開挖深度和土層特征，一般可采用水泥土重力式圍護墻作為本基坑支護結構。但在基坑東側，基坑邊線至紅線距離小于常規水泥土重力式圍護墻的設計寬度。如果在此部位采用板式支護體系，常見的是斜拋撐結合板樁圍護墻形式，其優點是對于基坑安全有足夠保障，但缺點也很突出：施工流程較為繁瑣，施工時間長；制作（安裝）、拆除斜支撐不易；工程造價高。

因此借鑒目前工程界內的一些研究理論和實踐經驗，考慮采用在水泥土重力式圍護墻內套打灌注樁而形成懸臂狀態的組合支護結構，改變單純水泥土圍護墻的工作狀態。這樣既可減小圍護墻的寬度，以適應場地空間條件，又避免了支撐體系的設置[3-5]。

3 設計方案

3.1 方案初定

先按基坑邊界空間尺寸初步布置組合支護結構：

1）水泥土重力式圍護墻寬度暫按0.5倍開挖深度取，近似定為2.2 m，即4列水泥土攪拌樁。圍護墻不按常規方式做成格柵型，而是將相鄰水泥土攪拌樁都進行搭接。圍護墻坑底以下深度按1.4倍挖深估算，近似定為6 m。

2）在水泥土圍護墻迎坑面的第1、2排攪拌樁內布置鉆孔灌注樁排樁，樁徑初定為750 mm，樁間距900 mm。樁長初定為13 m。

3）組合支護結構平面總長度約33.6 m，水泥土攪拌樁向兩端繼續延伸，與其他部位的水泥土重力墻銜接閉合。

4）為控制支護結構的變形和增強基坑穩定性，有必要對基坑內被動土體進行加固處理，從而提高被動區土體抗力。故在基坑內設置裙邊加固區，寬度4.2 m，坑底以下深度5 m。

組合支護結構平面和豎向布置如圖1、圖2所示。

圖1 組合支護結構平面布置

圖2 組合支護結構剖面

3.2 理論計算驗證

采用Plaxis巖土工程軟件，對本工程組合支護結構建模并進行有限元法分析，以預先判明隨著施工的進展，基坑、組合支護及周邊環境的變化趨勢，從而采取有效的控制措施。在有限元分析中，土體采用適用于基坑開挖的Hardening-Soil（硬化土）模型，圍護結構采用線彈性模型。在參數方面考慮了3種應變參數：主偏量加載引起的塑性應變、主壓縮引起的塑性應變以及彈性卸載-重加載的卸荷模量。模型邊界條件采用標準邊界，施工步驟按照擬定工況進行計算（圖3）。

圖3 有限元網格模型示意

圖4、圖5為本基坑東側組合支護區段的有限元計算結果。當基坑開挖至基底時，組合支護頂部最大水平位移為25.8 mm，坑外地表最大沉降為21.2 mm，均在規范允許的變形控制范圍內，表明在本基坑工程中采用組合支護的方案是穩定可靠的。

圖4 開挖至基底時總變形云圖

圖5 圍護結構位移示意

此外，組合支護結構的整體穩定性、坑底抗隆起穩定性、抗水平滑動穩定性、抗滲流穩定性均參照現行規范中水泥土重力式圍護墻、懸臂板式支護體系的計算式進行驗算。其中對于整體穩定性，參考目前工程界內對此類支護結構研究和實踐的成果，在灌注樁長度超出水泥土攪拌樁底端不多的情況下，仍認為灌注樁底端為傾覆破壞轉動點，但將最小抗傾覆安全系數提高至1.4。經計算，各個穩定安全系數均大于允許值。

3.3 最終方案

經計算驗證，并結合工程經驗，最終認可上述方案，并確定具體構造及參數如下：

1）圍護墻水泥土攪拌樁：φ700 mm，相互搭接寬度200 mm。水泥摻量13%，采用P.O 42.5水泥，28 d無側限抗壓強度不低于0.8 MPa。

2）圍護墻頂部設厚200 mm鋼筋混凝土壓頂板，板內配置φ8 mm＠200 mm×200 mm鋼筋網片。最外一排攪拌樁內插入1排φ48 mm腳手架鋼管，深度為6 m，間距1 m。

3）鉆孔灌注樁排樁的混凝土強度等級為C30（水下混凝土提高一級)。根據軟件計算得到的內力數據，按相關規范計算配筋，選定主筋為15φ25 mm，HRB400鋼筋；螺旋箍筋φ10 mm＠150 mm，HPB 300鋼筋。

4）排樁頂部設置通長鋼筋混凝土壓頂梁，截面尺寸為1 000 mm（寬）×700 mm（高），混凝土強度等級C30。

5）基坑內的被動土體加固，采用格柵式φ700 mm＠500 mm雙軸水泥土攪拌樁，與水泥土圍護墻搭接200 mm。攪拌樁所用水泥參數同圍護墻。

4 施工技術要點

2種圍護樁的施工先后次序是：先施工雙軸水泥土攪拌樁，后套打鉆孔灌注樁，兩者間隔時間不小于48 h，不大于7 d。水泥土攪拌樁連續搭接施工，搭接時間不大于16 h；如果超過16 h，應對最后一根樁先進行空鉆留出榫頭以待下一批樁搭接；如超過24 h，須采取局部補樁或注漿措施。鋼管應在水泥土攪拌樁成樁后16 h內插入。鉆孔灌注樁間隔成樁，間隔時間不小于36 h。

水泥土攪拌樁和鉆孔灌注樁的施工工藝、質量檢測要求，須符合國家和地方相關工程技術規范。土方開挖在支護結構的強度和齡期達到設計要求后進行。整個基坑分塊開挖，混凝土墊層在挖至坑底后24 h內澆筑完成，并嚴格控制底板結構施工時間。底板混凝土達到設計強度后，在底板與圍護墻之間填補素混凝土，形成傳力帶。地下室頂板結構施工完成后，外墻防水和回填工程施工前，先在頂板標高處形成間隔式局部板塊換撐，盡早控制住周邊變形的發展。基坑邊地面不堆載重物、不布置重型設備。基坑附近的地下管道在基坑施工前開挖暴露出來，待地下室結構完成后再回填覆蓋。

5 監測

從基坑開挖至頂板局部換撐完成的過程中，進行基坑及周邊環境變形的監測工作。針對圍護墻及周邊環境，主要監測內容包括：圍護墻頂水平和豎向位移、深層土體水平位移、地下管線變形等。

監測報警值：組合支護墻頂和土體變形日變化量±5 mm，累計變化量±40 mm。剛性管線沉降日變化量±3 mm，累計變化量±10 mm。

監測頻率：從土方開挖至底板結構澆筑完成的階段，每天1次；從底板完成后至地下室結構完成為止，每周2～3次。

在圍護墻長邊的中點位置布置墻頂水平和豎向位移監測點。圖6為圍護墻頂水平位移曲線。土方開挖及底板鋼筋、模板、防水工程用時約34 d。

可以看出，在底板混凝土澆筑前，墻頂變形較快，累計變形值較大；底板混凝土澆筑后，墻頂水平位移變化速率減小，逐漸趨于穩定。墻頂水平位移累計值控制在40 mm以內，小于報警值。深層土體水平位移監測結果與圍護墻頂位移變化趨勢接近，最大位移值在30～40 mm之間。組合支護結構止水性較好，外觀無裂縫。基坑外地面和管線處于安全狀態下。

圖6 圍護墻頂水平位移變化曲線

6 結語

在該項目中，采用組合支護結構，達到了預期目的，取得安全、工期和造價三者綜合效益良好的效果。

工程實踐表明，在基坑變形控制要求不高的情況下，若開挖深度和土質條件相同，采用上文所述組合懸臂支護結構，相比采用單純水泥土攪拌樁形成的重力式圍護墻，可在一定程度上減小支護結構截面寬度。對于一些退界距離不足，但深度又不大的基坑工程，可將該組合支護結構作為一個備選方案進行技術和經濟綜合分析評價，條件合適時可避免采用有支撐支護結構體系，從而方便施工和更好地控制工期和造價。

但對于變形控制要求較高的基坑，采用該形式組合支護結構則有較大的安全風險。總的來說懸臂式支護結構控制水平變形的能力有限；如果支護結構寬度被限制，整體安全儲備也可能富余不多。在目前尚未形成一套成熟、統一的理論設計依據的情形下，此類支護結構僅可在一些特殊工況下作考慮[6-8]。