前撐式注漿鋼管斜撐體系在基坑工程中的應用分析

鄭先元，張 志

（昆山開發區建設工程質量安全監督站，江蘇昆山215300）

0 引 言

近年來，隨著施工技術的發展，不同結構型式的圍護體系不斷涌現，且各有其特點和局限性，因而，根據工程的實際情況對圍護結構體系進行合理選型優化設計可取得最佳效益。注漿鋼管斜撐支撐體系是一種新型的基坑圍護結構類型。該技術使用鋼構件代替傳統鋼筋混凝土支撐，更有別于傳統拋撐概念與工藝，可廣泛適用于挖深12m以內的基坑［1］，該技術在上海某住宅小區項目已得到了成功應用［2］。該支護型式有如下優點：①鋼管注漿樁可提供支撐反力，類似于斜拋撐的作用；②可實現直立式開挖，支撐干擾范圍小，挖土方便，施工速度快；③鋼管注漿樁施工便捷，成本較低；④注漿鋼管樁作為斜向內拋支撐不出紅線；⑤必要時可考慮二次回收。

由于目前該體系知識產權為某巖土工程公司獨立擁有，因此本文主要結合該支撐體系在蘇南某地深基坑項目中的具體應用，簡要介紹工程有關情況，并從安全性、施工便利性、經濟性及工期等多角度比較該體系與傳統支撐體系的差別，為工程建設人員提供一種參考視角（實際應用涉及知識產權的有關事宜，請咨詢產權擁有者）。

1 工程概況

蘇南地區某住宅三期項目由5棟34層超高層住宅、2棟23～26層高層住宅、1棟7層住宅、1棟2～4層辦公配套商業、1棟4層幼兒園及一層地下室和二層純地下車庫組成。建筑物采用樁筏基礎。地下車庫基坑開挖面積約為18000m2，基坑周長約為632.4m，基坑開挖深度5.35～8.15m。

本工程基坑東側為已建成小區，地下室基坑邊線距離用地紅線最近距離約6.08m。基坑南側為已建成小區，基坑邊線距離小區約75.6m，基坑邊線距離用地紅線最近距離約28.98m。基坑西側為太湖路，圍墻即為用地紅線，距離基坑邊線最近距離約10.22m。基坑北側是千島湖路。紅線內分布有市政管線，即雨水井，供水管，污水井，距離基坑邊線最近距離分別為6.87～14.96m。基坑周邊環境如圖1所示。

圖1 基坑周邊環境圖

2 工程地質及水文地質條件

根據勘察報告，擬建場地屬沖、湖積平原地層組合，場地地勢較為平坦。對本工程基坑圍護設計、施工影響較大的土層情況如表1所示。擬建場地基坑開挖影響深度范圍內以黏性土為主。

表1 基坑影響范圍內土層情況

基坑開挖過程中需考慮的地下水類型主要為潛水和微承壓水。本場地的潛水主要賦存于淺部的填土層、②層及③層土中；潛水常年平均地下水埋深一般為0.5～0.7m。⑤1-1層和⑥層及粉土、砂層賦存有承壓水，此類土層在場地分布不穩定，局部缺失，現場實測得⑤1-1層微承壓水頭埋深為2.59m（絕對標高-0.29），經驗算局部深坑承壓水安全系數不滿足要求，需減壓降水。

3 基坑圍護方案的選型比較

基坑支護結構是系統工程，圍護結構的設計不僅關系到基坑開挖及周邊建（構）筑物的安全，而且直接影響著土方開挖以及地下室結構施工等成本，即要做到受力合理、施工方便、節省工期。

本基坑工程分為一層和二層地下室區域，開挖深度不一，基坑周邊環境條件多變。根據基坑特點結合建設開發順序，基坑圍護方案設計思路基本可分為兩種。第一種方案，將地下一層區域與地下二層區域分割后獨立考慮，先深后淺，地下二層深坑區域采用內支撐模式，地下一層淺坑區域采用重力壩或放坡等支護方式。第二種方案，充分考慮基坑各部位挖深及基坑周邊空間條件，采取互不干擾、靈活多變的多種支護方式，從而盡可能規避采用對撐這一對施工影響較大的支護型式。

3.1 可行方案一

第一種方案為地下二層區域采用鉆孔灌注樁結合三軸深攪樁止水帷幕+兩層鋼筋混凝土支撐，地下一層區域采用重力式水泥土擋墻，如圖2所示。兩層地下室區域方案具體參數如下：圍護樁采用φ800@1000鉆孔灌注樁，有效樁長18.5m，采用φ850@1200三軸攪拌樁止水，有效樁長15.5m，坑內被動區采用水泥土暗墩加固。立柱樁采用φ800鉆孔灌注樁有效樁長20.00m。鋼筋混凝土圈梁截面尺寸為1200mm×800mm，鋼筋混凝土圍檁截面尺寸為1300mm×800mm。采用角撐加對撐形式，第一、二層鋼筋混凝土支撐截面尺寸分別為800mm×800mm，900mm×800mm。

3.2 可行方案二

第二種方案為地下一層區域仍采用重力式水泥土擋墻，北側及南側地下一層區域可考慮先行卸土至開挖深度，其與地下二層區域之間高差顯著減少，采用重力式水泥土擋墻處理；東西兩側純兩層地下室挖深約8.0m，且東側距離紅線較近，需采用支撐方式。方案二采用SMW工法門架+前撐式注漿鋼管斜撐的圍護形式，如圖3所示，方案具體參數如下：

圖2 基坑支護方案 1

基坑東西兩側（挖深8.05m）圍護結構采用雙排SMW工法樁門架，φ850@1200三軸攪拌樁內插700×300H型鋼，門架前后排距6.0m/4.0m，有效樁長均為19.2m，前排為型鋼隔一插一，后排型鋼隔二插一，前后排樁壓頂梁截面尺寸分別為1400mm×800mm，1200mm×800mm，通過400mm厚鋼筋混凝土面板使前后排圍護樁連成整體。支撐結構前撐式注漿鋼管樁采用φ377×10mm規格，有效樁長為27m，確保樁端進入坑底以下不少于5m，水平傾角為45°；單根水泥用量不少于6t，最終注漿壓力不小于1.5～2.0MPa，注漿完成后鋼管內填滿20～40mm級配的碎石，并用水泥漿液灌滿，水泥強度等級P.O42.5。

圖3 基坑支護方案 2 及監測點布置

3.3 方案比選

通過從安全性、施工便利性、經濟性及工期等多角度比較上述兩種圍護方式。

3.3.1 安全性

兩種方案都能確保圍護結構體系安全可靠。

3.3.2 施工便利性及節材降耗方面

方案一中，灌注樁施工過程中會產生大量泥漿，泥漿需要外運并特殊處置，混凝土支撐系統需要較長時間養護方可進行下一層土方開挖，流水作業較難實現，且內支撐交錯縱橫嚴重影響挖土效率。方案二中前撐式注漿鋼管支撐的使用可使基坑各邊相互獨立，支護形式的選擇更為靈活，使整體方案大為優化。注漿鋼管支撐與圍護樁一起施工，基本同步施工完成，后續土方施工可實現坑內大面積土方整體開挖，且其拆撐速度快并可穿插進行。

從綠色施工角度看，方案一灌注樁施工過程中的泥漿如處置不當會產生環境污染，此外，后期必須耗費較長時間和精力進行內部支撐梁的破解拆除工作，同時產生大量的建筑垃圾并需外運處理，鋼材僅作為廢品處理，材料基本無可回收部分；方案二則沒有上述問題，不僅SMW工法樁中H型鋼可回收，鋼管斜撐亦可部分回收，節材且環保。

3.3.3 造價

造價測算結果詳見表2。由測算結果可見，方案二造價比方案一造價節省約100萬元（造價節省約6.2%），造價上面略勝一籌。

表2 兩種支護方案經濟性比較

3.3.4 工期

工期測算結果詳見表2。方案一由于內部支撐梁施工及養護周期較長，后續土方開挖作業的難度相對較大，加之后期的支撐梁拆除作業等，工期總體不占優勢；而方案二則由于上述施工的便捷性，拆撐作業工作量少，工期優勢突出，總工期節省顯著，較方案一可縮短工期約45天。

在確保圍護結構和施工安全的前提下，工期得到合理壓縮，對于降低施工單位的綜合成本、加速開發企業的資金回籠進而減少銀行貸款利息壓力，綜合效益巨大。

綜合上述因素，經比選，本工程圍護體系最終選擇方案二。該支護方案已成功實踐，方案二中主要圍護體系SMW工法門架+前撐式注漿鋼管斜撐典型剖面及現場施工實體如圖4～圖5所示。

圖4 前撐式注漿鋼管支撐典型剖面圖

圖5 前撐式注漿鋼管支撐

4 基坑圍護結構的監測

基坑工程問題具有綜合性和復雜性，理論計算結果和實測結果存在一定差異；此外前撐式注漿鋼管支護體系為新穎支護技術，在該地區為首次使用。綜上為確保工程安全，對基坑實施監測是必需的［3］。監測點布置如圖3所示。本文以基坑西側中部最具有代表性的W53沉降位移監測點和CX13深層位移監測點為例進行解讀，監測結果如圖6～圖8所示。具體分析如下：施工工況為，2017年11月2日C8號樓（緊鄰上述兩監測點）開始開挖，11月26～27日C8號樓南北兩側地庫相繼開始挖土，12月10日墊層相繼施工，12月25日地庫及C8號樓底板相繼完成。施工期間，最大沉降變形速率出現在12月6日，如圖6、圖7所示，沉降速率為6.21mm/d，水平變形速率為2.8mm/d，沉降速率超過4mm/d，但持續時間僅為1d，未觸及報警線；12月25日以后基坑變形即已穩定，累計沉降量15.6mm，坑頂水平位移累計值為28.54mm，均小于報警值30mm。基坑施工工況與圖6～圖7監測結果吻合度很高，即在大面積開挖至坑底時變形速率達到峰值，后由于支護體系發揮作用，變形速率顯著變小，但變形持續發展，直至底板及底板換撐構件施工完成，變形趨于穩定，累計變形達到峰值，所以基坑開挖至設計標高為基坑工程高風險工況之一，此時應做好統籌協調，及時封閉底板。

圖6 W 53 地面沉降變形觀測結果曲線圖

圖7 W53 地表水平位移觀測結果曲線圖

根據CX13深層位移監測結果，如圖8所示，基坑開挖到設計標高時（2017年12月中下旬）累計最大水平位移值為14.74mm，測點深度為4m，小于報警值30mm。但由于本案處于厚軟土地層，淤泥質土具有蠕變特性，如圖8中2018年以后監測數據顯示深層位移并未收斂，因此在基坑開挖至設計標高后支撐點以下深層水平變形仍會繼續發展，應引起重視。

圖8 CX13 深層水平位移觀測結果曲線圖

5 結 論

本工程施工過程中各監測指標均在設計控制范圍內，未出現險情，實踐證明SMW工法門架+前撐式注漿鋼管支撐應用于本工程是成功的。從本工程的實踐可得出以下幾點結論。

1）建設工程為一系統工程，建設開發的順序對支護方案的選型有重大影響，統籌考慮，多角度多方案的優化比選有利于提高工程經濟效益、社會效益。

2）前撐式注漿鋼管支撐體系較常規內撐方案在節約工程造價、節省工期、施工便捷性方面有明顯的優勢。此項技術為專利技術，后續如大規模推廣運用相信會有一定的議價空間，節約工程造價方面優勢會更明顯。

3）基坑挖土的順序和方法對支護結構穩定和安全有重要影響。必須根據設計工況及實際情況完善施工方案并切實落實，如有變化應及時進行相應調整。

4）信息化施工是地下工程重要一環，基坑工程的復雜性和理論依據的經驗性決定了監測是必須的，這是修正設計、指導施工、確保基坑工程安全與穩定的關鍵措施之一。基坑工程更好的開展離不開理論計算結果的指導，同時，實際監測數據能夠驗證設計方案的合理性，也可作為對理論設計的結果補充。

5）淤泥、淤泥質軟土具有蠕變特性，底板完成后深層水平位移仍會繼續發展，應引起重視注意監測，具備條件后盡快完成坑壁回填。