復雜環境深基坑支護體系選型重要性分析

陳杰

（廈門象嶼港灣開發建設有限公司）

0 引言

隨著我國經濟的高速發展和城市人口密度的不斷增加，城市有限土地資源供應越來越緊張，高效開發和利用地底下的空間，是新時代城市規劃建設的重要研究、發展方向。開發地底下的空間，興建地下工程，就涉及深基坑工程，而深基坑工程中基坑支護的選型直接影響工程經濟效益、施工進度、施工安全及周邊環境的安全。

深基坑支護的目的是為了保護基坑內地下主體結構施工和基坑周邊建（構）筑物、地下管線、道路等的安全性，而對深基坑采取的臨時性的支撐保護以及有效控制地下水的措施。深基坑支護常見的結構形式有：放坡開挖、土釘墻（復合土釘墻）、拉森鋼板樁、排樁、重力式水泥土擋墻、地下連續墻和SMW 工法樁等。基坑支護還應包含地下水控制，地下水控制方法主要有：集水明排、降水、截水和回灌方法或其組合。

深基坑支護在整個項目建設過程占有重要地位，其結構選型和設計的科學與合理性，直接關系到地下結構施工和基坑周邊環境的安全，并影響到項目的施工進度和工程造價。

1 工程概況

某學校擴建項目位于校內預留發展用地，擴建建筑面積7447m2，采用樁基礎形式。場地內為學校內草坪，原始地貌為沖海積堆積階地，后期經工程建設（填海造地）回填平整。場地東側為已建城市道路支路；南側為城市主道路；西側為學校已建體育館；北側為已建教學樓。基坑開挖深度約5.1～5.6m，基坑底邊線周長340m，基坑面積為4200m2。

2 工程水文地質條件

2.1 工程地質條件

本工程位于閩南沿海城市，上部土層為人工填土①（層厚1.20～4.30m）、人工填砂②（2.70～5.80m）、海積淤泥③（0.30～1.90m）；下部為粉質粘土④（1.60～6.40m）、中砂⑤（0.40～5.20m）、全風化花崗巖⑥（0.90 ～6.40m）、砂土狀強風化花崗巖⑦（1.40 ～19.90m）：碎塊狀強風化花崗巖⑧（0.95～5.10m）。

2.2 水文地質條件

本場地紅線范圍內未見地表水系，地下水位埋深3.90～4.70m 之間，地下穩定水位埋深3.7～4.60m 之間，穩定水位標高為1.95～2.78m，根據該地區的水文地質資料，本項目場地地下水位年變化幅度大約在2.002～3.00m 之間，近3～5 年內最高地下水位標高約為4.00m，歷史最高地下水位約為5m。淤泥③、粉質粘土④為微透水層，為相對隔水層；填砂②、中砂⑤層屬強透水層，為主要含水層，富水性好；其余各巖土層均為弱透水層，富水性較差。

3 基坑支護設計

3.1 深基坑支護結構的設計原則及計算方法

深基坑支護結構設計主要以破壞后果嚴重程度，將支護結構劃分為三個安全等級。對于支護結構破壞、土體失穩或過大變形，對基坑周邊環境及地下室結構施工影響很嚴重的安全等級定性為一級，破壞結果與影響一般的安全等級定性為二級，破壞結果與影響不嚴重的安全等級定性為三級。深基坑支護結構一般采用承載力極限狀態與正常使用極限狀態進行設計與驗算。目前主要采用有限元法進行深基坑支護結構設計計算，這種方法可以有效的計入施工過程各種因素的影響，并在確保深基坑支護結構安全穩定的情況下，將支護結構最大限度進行優化，讓整改深基坑支護結構更加合理與經濟。

3.2 深基坑工程支護結構體系選型

鑒于基坑四周均有建（構）筑物，環境較復雜，結合基坑大小、開挖深度，工程地質、水文地質條件，施工設備、技術條件和季節氣候等綜合條件，以及支護結構體系施工造價等因素，經過比選、優化，最終選定SMW 工法樁+局部內支撐支護方案，具體比選方案如下：

⑴放坡開挖：優勢是造價低，施工便捷、進度快；劣勢是開挖土方量較大，穩定性和安全性差；適用于場地開闊，土層較好，周圍無建（構）筑物、地下管線等，安全等級三級的基坑，一般放坡高度≤5m。本項目場地、土層、周圍環境、基坑深度均不滿足，不選用。

⑵土釘墻：優勢是造價低，施工便捷、穩定可靠；劣勢是土質要求高，工期緊需投入較多設備；適用于非軟土土質，安全等級二、三級的基坑，基坑潛在滑動、場內有建（構）筑物和重要地下管線不適用；本項目場內四周有建（構）筑物不滿足，不選用。

⑶重力式水泥土擋墻：優勢是造價低，施工較方便、進度較快；劣勢是穩定性和安全性較差；適用于淤泥質土，基坑深度≤7m，安全等級二、三級的基坑；本項目土層地質不滿足，不選用。

⑷拉伸鋼板樁：優勢是二次利用率高，造價較低，施工方便，工期短；劣勢是擋水性較差，懸臂抗彎能力較弱，開挖后變形較大；適用于懸臂支護＜4m，安全等級二、三級的基坑，懸臂支護≥4m 需設置內支撐，下部嵌固端需進入穩定土層，否則容易傾覆；本項目基坑深度、擋水性及四周環境均不滿足，不選用。

⑸排樁：優勢是穩定性和安全性好，變形小，設備簡單，施工技術成熟；劣勢是造價高，工期長；適用于較差土層，懸臂排樁高度≤6m，一般用于多層地下室深基坑，并采取錨索或內支撐控制變形，安全等級一、二級的基坑；雖然條件都滿足，但是造價高，經濟性較差，不選用。

⑹地下連續墻：優勢剛度大，止水效果好，最強支護結構形式；劣勢是造價較高，工期長，施工工藝和設備復雜，施工技術要求高；適用于條件差和復雜的地質，基坑深度大，周邊環境要求較高，安全等級一、二級的基坑，一般懸臂高度≤6m。因為工期長，造價高，不選用。

⑺SMW 工法樁：優勢是施工噪聲小，安全性和穩定性好，防水與支護相結合，H 型鋼可回收降低造價；劣勢是較深的基坑需配合多道錨索或內支撐；適用于軟土和地下水較豐富場地，安全等級一、二級的基坑。凡是適合應用水泥土攪拌樁的場合都可使用，沿海區域或地下室豐富的區域使用較多。因為本項目土質、水位、周圍環境等均適用，且H 型鋼可回收，造價相對排樁和連續墻較低，所以選用。

在完成基坑支撐結構選型后，為避免出現施工預算超過概算，進一步降低工程造價，充分利用場內條件和土力學性能等條件，對SMW 工法樁支護結構進行細化組合方案比選，具體如表1。

表1 SMW 工法樁支護結構組合形式比選

3.3 基坑支護結構體系設計

經過比選，本基坑采用SMW 工法樁+局部內支撐+局部懸臂+局部冠梁頂放坡組合支護體系。基坑內采用三軸攪拌樁作為止水帷幕，基坑內采用疏干井結算集水明排進行降排水。

⑴基坑北側和西側鄰近已建教學樓和體育館，采用φ850@600 三軸攪拌樁密插（局部跳插） 長12 米HN700×300×13×24 型鋼，在場地標高﹣1.00m 處設置1200×700 鋼筋混凝土冠梁，配合鋼筋混凝土內支撐。詳見圖1。

圖1 支護結構剖面圖

⑵基坑東側鄰近支路，采用φ850@600 三軸攪拌樁密插長15 米HN700×300×13×24 型鋼，在場地標高﹣1.00m 處設置1200×600 鋼筋混凝土冠梁。冠梁頂至用地紅線內采用坡率1:1 放坡。詳見圖2。

圖2 支護結構剖面圖

⑶基坑南側距離城市干道之間有6.0m 寬城市綠化用地，采用φ850@600 三軸攪拌樁調插長15 米HN700×300×13×24 型鋼，在場地標高﹣2.00m 處設置1200×600 鋼筋混凝土冠梁。冠梁頂至用地紅線2.0m設置放坡平臺，紅線外城市綠化用地2.5m 內采用坡率1:1 放坡。詳見圖3。

圖3 支護結構剖面圖

4 結束語

綜上所述，可以得到以下結論：

⑴深基坑支護結構選型和設計不僅要考慮其支護結構的安全性，還要測算工程造價和施工工期等各方面的綜合經濟效益。一個安全系數高、高性價比的基坑支護結構體系，要因地制宜，根據項目施工現場的實際情況，選用合理的支護結構形式，做到安全性、經濟性、適用性三方面統籌兼顧。

⑵城市地下空間開發日益發展，基坑支護設計日益復雜，單一一種支護方案已很難滿足復雜基坑的設計，應全面考慮地質條件、周邊環境和性價比等，選用多種支護方案進行組合性支護結構設計，達到設計優化、技術可靠和造價經濟的目的。

⑶SMW 工法樁+局部內支撐組合支護體系，既可作為支護體系，可擋土又可兼做止水帷幕，SMW 工法構造簡單，施工速度快，又可大幅縮短工期，對于濱海地區基坑可適用性強。