環形內支撐在軟土地區深基坑中的應用

陳永進

（福建省水文地質工程地質勘察研究院，福建漳州 363000）

隨著城市土地資源緊張日益加劇，面臨著場地空間有限、周邊環境復雜的窘境，為了提升地下空間的使用率，城區兩層地下室已成為標配，開發大型地下空間已成為一種必然[1]。本文以福建漳州某深基坑工程為例，通過該基坑支護面臨的技術問題、設計方案比選、基坑支護結構設計與施工效果評價分析等方面，探討環形內支撐在軟土地區深基坑的適用性，為類似工程起到參考作用。

1 工程概況

1.1 項目概況

工程位于漳州市水仙大街北側，場地北側、東側、西側為已建住宅樓，住宅樓均為老舊建筑，地基基礎為淺基，基坑頂放坡線與已建住宅相距約2.96m，南側距水仙大街紅線2.70m，北側距已建住宅約4.20m，東側距已有道路7.20m（其中還需有一條4.00m 寬的施工道路），本基坑周邊環境較復雜。

本項目建筑總面積約18565.10m2，其中地上建筑面積約11558.00m2，地下室為二層地下室，地下室建筑面積約為7007.1m2，±0.000 等于絕對標高6.90m，底板底相對高程為-8.45m，基坑開挖深度為7.75m，本項目周邊環境圖詳見圖1。

圖1 基坑周邊環境圖

1.2 地質概況

在基坑開挖影響范圍內，本場地各巖土層的分層如下：

①雜填土：黃褐色，稍密，稍濕，主要以粘性土、碎石、建筑垃圾回填為主，均勻性差，回填年限約20年，基本成自重固結，力學強度低，工程性能差。分布于整個場地，厚度為1.70～3.10m。

②耕土：灰褐、黃褐色，稍密，稍濕—飽和。主要由粘性土和植物根莖組成，密實度及均勻性差，基本完成自重固結，力學強度低，工程性能差。分布于整個場地，層頂埋深1.70～3.10m，層厚0.50～1.20m，層頂標高為3.78～5.50m。

③淤泥：灰色、深灰等色，流—軟塑，飽和。以粉粒及粘粒為主，富含腐殖質和貝殼碎片，具腥臭味。干強度中等，韌性中等，切面光滑，稍有光澤，搖震反應無。該層屬高壓縮性土，力學強度低，工程性能差。分布于整個場地，層頂埋深2.40～3.90m，層厚1.30～5.00m，層頂標高為2.66～4.60m。

④中砂：淺灰、灰色，以稍密—中密為主，飽和。成份以石英質中砂顆粒為主，其次為細砂，含量約為13%，磨圓度較好，顆粒分選性較差。泥質含量約20%，該層力學強度較高，工程性能較好。分布于整個場地，層頂埋深5.10～8.60m，層厚1.00～5.50m，層頂標高為-1.62～1.82m。

⑤粘土：淺黃色，可塑狀態，飽和，以粘粒、粉粒為主，局部含砂量較高，呈互層狀，無搖振反應，干強度、韌性中等，沖積形成，該層力學強度較高，工程性能較好。分布于整個場地，層頂埋深5.10～8.60m，層厚1.00～5.50m，層頂標高為-4.22～-1.33m。

⑥礫砂：淺黃、淺灰色，礫石約占35%，粒徑一般10～30mm，個別在50mm 以上，次圓狀，礫石約占25%，余為各粒徑砂及少量粘性土，呈飽和，總體呈中密狀態—密實，局部夾卵石，該層力學強度高，工程性能好。分布于整個場地，層頂埋深為12.30～14.60m，厚度為3.80～8.10m，層頂標高為-7.80～-5.38m。

⑦全風化花崗巖：褐黃、淺黃色，主要由石英、長石及云母等礦物組成，風化完全，原巖組織結構已基本破壞，已基本風化呈土狀，用鎬可挖，干鉆可鉆進，風化裂隙、節理發育，散體狀結構，屬極軟巖、極破碎，巖體基本質量等級為V 類，總體自上而下風化減弱，與下伏層呈漸變關系，無存在軟弱夾層、洞穴等，該層力學強度高，工程性能好。分布于整個場地，層頂埋深為17.70～21.50m，厚度為1.90～7.10m，層頂標高為-14.70～-10.63m。

2 主要基坑支護技術問題

（1）擬建場地位于水仙大街以北，其余各側為已建老舊居民樓，除東側距已有道路7.20m（其中還需有一條4.00m 寬的施工道路），各側基坑邊坡頂邊線均受已建成的道路及居民樓限制，而地下室開挖深度較深，基坑如出現較大變形將嚴重影響到已建老舊居民樓、周邊道路及埋設于道路下管線的安全。

（2）本項目的地質條件較差，存在深厚的軟弱土層及滲透性強的砂層，且基底下不透水粘土層厚度不均，部分基底下粘土層缺失，基坑開挖以后將產生較大位移，這對基坑設計和之后的施工增加不少難度。

3 基坑支護設計方案

3.1 設計方案比選

針對基坑支護技術問題，最常采用支護形式有排樁+止水帷幕、地下連續墻、SMW工法樁等結合內支撐的方式：

（1）排樁+止水帷幕：根據地層情況，鉆孔灌注樁可采用長螺旋壓灌灌注樁，屬于不擠土樁，對周圍環境影響較小，可通過樁徑調整合理的側向剛度；止水帷幕可根據開挖深度、經濟性及止水效果選擇三軸攪拌樁、高壓旋噴樁、水泥土攪拌樁等。本基坑距離已建老舊建筑和道路較近，且基坑開挖深度較深，采用防滲性效果較好的三軸攪拌樁進行止水,適用于深度在15m范圍以內的基坑。

（2）SMW 工法樁：采用三軸攪拌樁內插型鋼，剛度相對鋼筋混凝土較小，對控制變形位移不利，適用于飽和粘性土地區開挖深度7m以內的基坑（若土體強度較好，開挖深度10～11m 以內的基坑亦可考慮此方案）[2]，不適合周邊環境對位移要求嚴格的基坑，因此本項目不適用。

（3）地下連續墻：側向剛度大，同時具備擋土止水效果，工藝成熟，適合基坑深大和周邊環境變形要求高的基坑。但其工藝復雜且造價高，如果該地連墻能同時作為地下室外墻則會比較合理，因此本項目不適用。

綜上所述，該項目采用鉆孔灌孔樁+止水帷幕結合內支撐的支護形式較為合理。具體的基坑支護平面布置圖詳見圖1。

3.2 排樁選型

排樁有灌注樁、管樁，因本基坑較深，樁身彎矩要求較大，且周邊環境對變形要求嚴格，優先采用未擠土鉆孔灌注樁，本項目采用長螺旋壓灌灌注樁，該工藝未擠土，成樁速度快,質量能得到保證。鉆孔灌注樁樁徑0.9m,樁間距1.4m,樁長13.0～14.2m。

3.3 三軸水泥攪拌樁止水擋土帷幕

基坑外側有流塑狀態的淤泥和中砂且基坑較深，止水帷幕采用三軸攪拌樁止水效果最好，同時止水帷幕能起到擋土的效果。三軸攪拌樁樁間距0.60m，樁徑為0.85m，搭接0.25m，基坑支護典型剖面圖如圖2 所示。其中三軸攪拌樁進入淤泥層下粘土層不小于1.5m，三軸水泥攪拌樁的水泥摻量為不小于360kg/m3。

3.4 環形內支撐布置

內支撐分為鋼筋混凝土支撐和鋼結構支撐兩種。鋼結構支撐安裝速度快，拆除方便，傳力路線明確，但作為角撐等斜向受力構件時效果較差；鋼筋混凝土支撐通過選擇合理的截面尺寸，調整支撐剛度，剛度較好，控制變形效果較好，但安裝拆除比較復雜。本項目周邊環境為老舊居民樓，且距離較近，為控制好變形，內支撐采用鋼筋混凝土支撐。場地整體放坡1.5m，冠梁與內支撐層同一水平層，根據基坑深度考慮，只需設置一道內支撐層即可滿足要求。冠梁尺寸0.8m×1.2m，環梁尺寸0.8m×1.5m，聯系梁尺寸0.8m×0.8m，混凝土強度等級均為C30。內支撐平面布置圖詳見圖3。圖中所示環形梁直徑為58.5m，共布置16 根立柱樁。其中立柱為角鋼鋼格構柱,立柱埋設于已提前打設的樁徑0.9m的長螺旋鉆孔樁內。

圖3 內支撐乎面布置圖

4 基坑結構設計計算

本基坑支護結構設計分為剖面單元計算和支撐系統的整體驗算。

4.1 剖面單元計算

支護剖面的計算：結構計算、截面計算、抗傾覆驗算、整體穩定性驗算、抗隆起驗算，因有的剖面坑底就是砂層，抗突涌不用驗算。

具體工況如下：

工況1：開挖土方至冠梁底標高（2.3m處）；

工況2：設置支撐系統；

工況3：開挖土方至基坑坑底標高（7.75m處）；

工況4：底板施工并設置地下室底板與圍護樁間傳力帶；

工況5：地下一層頂板施工,并設置頂板與圍護樁間傳力帶；

工況6：回填至支撐底并拆除內支撐。

剖面計算是按平面應變問題進行內力與變形的計算，采用深基坑支護結構軟F-(SPW7.0版)計算，巖土體基坑支護計算參數表見表1。

表1 巖土體基坑支護計算參數表

地下室開挖完畢后，計算結果內力位移包絡圖見圖4，內力取值表見表2。

表2 內力取值表

圖4 內力位移包絡圖

從圖4 內力位移包絡圖得知樁最大位移在內側坑底往上的位置,樁負彎矩在最大位移處。彎矩圖和剪力圖中兩條曲線分別為彈性支點法和經典土壓力方法得出的計算結果，均能滿足要求。

4.2 內支撐系統整體驗算

內支撐系統整體驗算采用三維空間整體分析方法，通過深基坑7.0軟件支護布置導入之前各個剖面單元計算結果，經過網線布置、內撐布置，最終通過深基坑三維整體計算，見圖5內支撐整體驗算圖，滿足各個工況下樁體水平位移在30mm 以內，且冠梁、支撐梁截面尺寸和配筋均能滿足計算結果要求。

圖5 內支撐整體驗算圖

5 施工效果評價分析

本工程自2020 年3 月24 日開始施工圍護樁，共施工圍護樁180 根3425m，立柱樁15 根230m。為了保護三軸攪拌樁止水帷幕效果，等圍護樁先行一段時間后，再重新平整場地分段施工?850mm三軸攪拌樁，共施工430根5160m，施工過程順利，施工進度按計劃進行。長螺旋鉆機及三軸攪拌樁機退場并進行清理場地后，即進行第一層土方開挖（開挖至冠梁底），至2020 年9 月26日內支撐梁施工完畢，開始分層開挖土方，至2021年3月16日基坑土方回填完成。歷經近一年的基坑監測，冠梁頂部最大累計水平位移量22mm，基坑頂最大累計沉降量18mm，均未超出預警指標；各個監測點的支撐軸力都未超過（60%～70%）的構件承載能力設計值。從第三方監測結果可知，基坑在開挖及使用階段，變形穩定，未出現險情。詳見圖6基坑支護效果全貌圖。

圖6 基坑支護效果全貌圖

6 結語

（1）老城區中對于周邊環境復雜，且地質條件不好的軟土地層中的深基坑，應選用剛度較大，控制變形為主的支護，本項目采用排樁+鋼筋混凝土內支撐支護形式滿足要求。

（2）本項目采用圓環內支撐受力結構體系為空間體系,能夠較好的發揮拱的受力特點,將基坑四周產生的土壓力通過聯系梁和環梁大部分轉化為軸壓力,有效地利用混凝土材料良好的抗壓特性，同時大大減少了土方的開挖和運輸的難度[3]。

（3）對于存在深厚的淤泥層及透水性較強的砂層（承壓水），基坑四周的防滲尤為重要，選用三軸攪拌樁止水帷幕效果好，是基坑支護設計成功的關鍵。

（4）本項目存在深厚透水性強砂層，有中砂、礫砂，為承壓水?？拥滓韵麓嬖诤癖〔痪恼惩翆?，且基坑場地內有部分坑底以下粘土層缺失，止水帷幕雖有部分進入粘土層，但并未完全隔絕坑內與坑外的水力聯系，基坑開挖及地下室施工過程中，坑內管井降水應持續進行，保持坑外與坑內水位的動態平衡。降水過程應及時監測坑外地下水位，坑外水位如下降超過預警值，應及時調整坑內降水量，并采用應急方案補充坑外水源，以免水位下降過多，引起軟土層沉降，進而引發周邊房子沉降。