雙排樁結合CSM支護在圓礫-卵石地區的應用研究

季家俊

上海勘察設計研究院有限（集團）公司 上海 200093

雙排樁支護結構由前排樁、后排樁、連梁與圈梁組成，具有剛度大、側向變形小、施工速度快、挖土便利等優點，在全國大范圍內得到了廣泛應用。受制于理論研究與計算軟件，雙排樁支護結構在工程設計中多按前后排樁同樁型、等間距、等長度的基本構型用理正軟件計算。但雙排樁體系中前排樁對控制支護結構變形、保持基坑穩定性的作用遠大于后排樁，基本構型易造成資源浪費，存在優化空間。

湖北荊州地區比鄰荊江，除淺部土層為黏土層外，下部土層均為深厚圓礫-卵石層。圓礫-卵石層透水性極強，且賦存承壓水、水位高，深基坑開挖時地下水控制難度高。CSM，即雙輪銑深層攪拌水泥土地下連續墻，是通過對原地層進行銑、削，并摻入水泥漿固化液充分攪拌而形成的止水結構，具有切削性能高、止水效果好、施工速度快、可靠性高等優點[1-2]，目前已得到廣泛應用。

本文以湖北荊州某大型商業綜合體為例，分析改進型雙排樁結合CSM止水支護結構在基坑工程中的應用。

1 工程實例

1.1 工程概況

背景工程位于湖北省荊州市，項目分為南、北2個地塊，地庫地下1～2層，基坑面積總計107 000 m2，基坑挖深5.0～10.3 m。基坑分區及周邊環境如圖1所示。依據湖北省基坑設計規范，地下2層從嚴按一級基坑、地下1層按二級基坑進行設計。

1.2 工程地質條件

基坑開挖范圍內主要土層依次為：①層填土、②層粉質黏土、③層粉砂夾粉土、④層細砂（局部分布）、⑤1層卵礫石、⑤2層圓礫、⑤3層卵石。其中⑤1層與⑤2層礫石粒徑大部分為2～10 mm，充填物主要為粉土及粉砂，級配較差；⑤3層卵石粒徑一般為2～5 cm，個別可達10 cm以上，顆粒較大。

擬建場地地下水由上層滯水、孔隙承壓水組成，承壓水水位埋深2.0 m。

圖1 基坑分區及周邊環境示意

1.3 基坑支護設計

本工程為大型深基坑工程，存在形狀不規則、挖深關系復雜、分期先后施工等問題。本文著重介紹地下2層一般區域支護設計，基坑挖深10.3 m。

1.3.1 基坑支護結構設計

擬建場地分布有深厚圓礫-卵石層，承壓水水位高，常規“單排樁＋多道錨桿支護”存在錨桿施工前側壁承壓水突涌的問題，故支護結構采取了可靠性高、安全性好的雙排樁支護。

雙排樁的前排樁采用φ900 mm@1 200 mm灌注樁，樁長19.2 m，插入比1∶1.1。后排樁采用φ900 mm@ 3 600 mm灌注樁，樁長15.7 m，插入比1∶0.7。前后排樁間距4.5 m。

前后排冠梁尺寸為1 200 mm×800 mm，連梁尺寸為900 mm×800 mm，間距3.6 m，混凝土強度等級為C30。

1.3.2 基坑止水設計

擬建場地底部為深厚圓礫-卵石層，土層粒徑隨深度增加而不斷加大，由礫石到圓礫再到卵石，基坑止水樁深部施工難度大，且無法隔斷承壓含水層。

擬建場地鄰近荊江，地下水與荊江有密切的水力聯系，地下水量豐富；深厚圓礫-卵石層滲透系數大，水力補給作用顯著，且承壓含水層穩定水位較高，基坑降水量大、難度高。有鑒于此，為可靠有效地止、降水，本工程采用厚700 mm的CSM止水，成槽深度27.2 m，深入坑底以下19 m，通過繞流作用隔水。基坑降水采用橋式鋼管井，井深21 m，并配以大功率水泵，疏干水位至坑底下1.0 m，以滿足施工要求。

基坑支護剖面圖2所示。

2 雙排樁支護結構設計參數分析

圖2 基坑剖面示意

本工程基坑設計計算采用啟明星軟件，該軟件能考慮雙排樁前后排不同樁長、樁間距的情形。相應計算結果如圖3所示。啟明星軟件計算結果與湖北省天漢軟件計算結果相近，并與基坑監測相符（支護結構最大測斜位移3.5 cm）。

圖3 基坑剖面計算結果

由圖3可見，雙排樁受力變形具有如下特點：

1）雙排樁支護結構作為懸臂支護體系，且由于基坑底部圓礫-卵石層土質較好，故基坑變形表現出典型的上大下小特征，最大變形點位于基坑開挖深度的一半附近。

2）前后排樁變形與受力特征基本一致，前排樁受力大于后排樁。

以本工程為例，分別保持其他設計參數不變，分析雙排樁排距、前排樁樁長、后排樁樁長、前后排樁樁間距變化對雙排樁變形與穩定性的影響。

2.1 雙排樁排距

依據湖北省基坑設計規范，雙排樁排距宜為2.5d～5.0d（d為樁徑）；依據國標，雙排樁排距宜為2.0d～5.0d。在基坑設計中，支護樁采用灌注樁時，樁徑通常為1/12h～1/10h（h為基坑挖深）。因此，雙排樁排距依據基坑挖深確定更能反映實質影響，即為0.3h～0.5h。

排距對基坑變形與穩定性的影響如圖4所示。

由圖4可見，雙排樁排距對基坑穩定性影響較小，對基坑變形影響較大。

2.2 前排樁樁長

本工程深部土層為圓礫-卵石層，土質較好，基坑穩定性主要由抗傾覆穩定性決定。不同前排樁樁長對基坑變形與穩定性的影響如圖5所示。

圖4 排距對雙排樁的影響

圖5 前排樁樁長對雙排樁的影響

由圖5可見，當基坑深部為硬土、底部無顯著硬土層時，前排樁樁長對基坑變形影響較小，對基坑穩定性影響較大。通過增加前排樁插入比，可提高基坑穩定性系數。

2.3 后排樁樁長

依據湖北省基坑設計規范，懸臂雙排樁的嵌固深度對于一般黏性土與砂性土，不宜小于0.5h（h為基坑挖深）；依據國標，相應嵌固深度不宜小于0.6h。不同后排樁樁長對基坑變形與穩定性的影響如圖6所示。

圖6 后排樁樁長對雙排樁的影響

由圖6可見，當基坑深部為硬土、底部無顯著硬土層時，后排樁樁長對基坑變形與穩定性影響較小。因此，可通過前后排長短樁的組合方式來優化雙排樁支護結構。

2.4 前后排樁樁間距

分別按以下3種前后排樁樁間距進行分析：

1）模式1：前排φ900 mm@1 800 mm，后排φ900 mm@1 800 mm。

2）模式2：前排φ900 mm@1 200 mm，后排φ900 mm@3 600 mm。

3）模式3：前排φ900 mm@1 200 mm，后排φ900 mm@2 400 mm。

不同模式下支護結構受力與變形計算結果如表1所示。

表1 不同樁間距條件下基坑內力變形計算結果

對比模式1與模式2，二者支護樁樁數相同，但由計算結果可見，采用雙排樁前排密樁、后排疏樁分布形式的基坑變形相對更小，雙排樁支護結構中前排樁對支護體系的貢獻更大。

對比模式2與模式3，在前排樁間距不變的前提下，后排樁間距對基坑變形基本無影響，主要影響的是后排樁的彎矩。

3 CSM的施工控制

本工程地下2層一般區域CSM成槽深度約27 m，施工需穿越圓礫、卵石層厚約15 m，確保CSM的成墻質量與垂直度控制是難點。設計與施工中主要采取如下措施：

1）采用往復式雙孔全套打復攪式成槽，施工過程中應保證施工機械的平整度和機架的垂直度，墻體的垂直度偏差不得超過0.5%。

2）水泥摻量20%，水灰比1.0～1.2，并摻入5%膨潤土以保持槽孔壁的穩定，防止坍孔。

3）雙輪銑下沉速度50～80 cm/min，提升速度80～ 100 cm/min，嚴格控制施工速度。

4 結語

以某大型基坑支護設計項目為例，介紹了圓礫-卵石地區改進型雙排樁支護結構的應用，得到以下結論和經驗：

1）雙排樁排距宜取0.3h～0.5h（h為基坑挖深），排距主要影響基坑變形，對穩定性影響較小。

2）雙排樁宜采取前排密樁、長樁，后排短樁、疏樁的改進形式，前排樁對支護體系的貢獻更大；宜通過前排樁插入比控制基坑穩定性，通過前排樁樁間距來控制基坑變形。

3）CSM切削性能高、止水效果好，適用于地下水位高、地下水量豐富、水力補給作用顯著的圓礫-卵石地區的深基坑工程。