沈志国
安徽欧鹏房地产开发有限责任公司
摘要：基坑围护结构选型需考虑安全、造价、工期等多方面因素。本文以华东某地区某基坑工程设计实例为基础，对水平内支撑、斜抛撑及内抛式注浆钢管三种支撑体系进行了比选分析，提出了既满足基坑自身安全和环境保护要求，又在造价、工期方面较为经济的围护方案，以期对该地区相似工程基坑围护设计提供参考。
关键词：基坑围护;方案比选;水平内支撑;斜抛撑;斜撑钢管
1 概况
1.1 工程概况
拟建建筑物包括公寓、酒店、办公楼、配套商业以及1层地下车库，均拟采用桩基。基坑面积约为34300m2，周长约830m，大面积开挖深度约为6.25m。基坑东、南、北三侧均为市政道路，且道路下方均敷设有大量管线。周边环境示意如图1所示。
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图1 基坑周边环境示意图
1.2 工程地质
拟建场地属于滨海平原地貌类型。拟建场地绝地标高为+4.50m，现为空地，总体较为平坦，局部有堆土，地势略有起伏。基坑开挖深度影响范围内的土层有如下特点：
第①层填土，表层多为建筑垃圾，局部有水泥地坪，下部以粘性土为主，含石子、碎砖及腐植物根茎，土质松散不均匀，在拟建场地内均有分布，厚度变化较大，约1.50m～4.50m，平均厚度为 2.51m。
第②层灰黄色粉质粘土夹粉性土，含云母，氧化铁斑点及铁锰质结核，土质不均匀，呈可塑～软塑状，具中等压缩性。该层土土性较好。
第③层灰色淤泥质粉质粘土夹粉性土，含云母、有机质，局部夹较多砂质粉土，土质不均匀，呈流塑状，具高等压缩性。拟建场地内均有分布。
第④层灰色淤泥质粘土，为流塑状，强度低，压缩性高，土质均匀，工程力学性质差。
第⑤1-1层灰色粘土，含有机质、泥钙质结核及半腐植物根茎，土质较均匀，呈软塑状，具高等～中等压缩性。拟建场地内均有分布。
各土层的物理力学性质参数如下表。
表1 基坑围护设计参数表
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1.3 水文地质
拟建场地地下水类型有浅部土层中的潜水及深部第⑦层中的承压水。
潜水：根据详勘报告，勘察时钻孔中潜水稳定水位埋深为1.2～2.6m，绝对高程为+3.23～+3.86m，潜水补给主要为地表水及大气降水。
承压水：根据最不利工况的高水头3m进行抗承压水稳定性计算，本工程一般底板开挖深度范围抗承压水稳定性满足规范要求。
1.4 不良地质
本次勘察期间，场地内北侧基坑内部分布有几处暗浜。浜土厚度一般在1.20～3.10m 之间，浜底标高一般介于1.62～0.12m 之间，浜填土以灰黑色粘性土为主，土性极差。
2 基坑围护体系选型
本工程周边环境较为复杂，距离道路和管线较近，基坑挖深在6.25m-6.95m，地下室距离用地红线大部分在5.00m左右，考虑地下室施工预留操作面0.80m，则围护施工空间仅4.20m左右，无法采用放坡开挖，同时也不宜采用搅拌桩重力坝的围护形式，主要有以下几点原因：
1）围护空间有限仅4.20m（局部市政管线侵入红线，围护空间不足），双轴搅拌桩施工存在困难，预计现场很难满足施工8排搅拌桩，挖深6.25m的基坑，基坑变形会比较大；同时，考虑周边管线较多，大范围施工搅拌桩，有较大的挤土影响。
2）若采用坑内补强形式的重力坝（挖深6.25m一般需坝体有效宽度约4.80m，挖深6.95m所需坝体有效宽度约5.20m-5.70m，局部靠边深坑挖深预计会超过7.20m，采用搅拌桩重力坝风险较大），坝体内部需设置一定刚性桩，如型钢或灌注桩，但此类纯门架围护形式也很难控制基坑变形，在软土地区，一般仅在处理小范围局部深坑，采用此类围护形式的项目，根据经验，基坑变形会达10.00cm以上，难以确保周边环境和道路管线的安全。
3）由于基坑挖深在6.25m以上，采用重力坝围护时，基坑造价并不节约，特别是针对局部深坑位置，挖深超过7米，采用重力坝加强或椅子型重力坝，都很难保证基坑安全，造价也较高。
综上所述，针对本基坑周边环境特点及基坑自身的条件，考虑基坑安全和对周边环境的保护要求，不建议采用重力坝围护或者门架式灌注桩的围护方案。
排桩结合内支撑的围护型式安全性较好，适用于基坑周边环境比较复杂的工程。适用于本工程的排桩围护型式主要有如下两种：
1）SMW工法桩：型钢水泥土搅拌墙即在连续套接的三轴水泥土搅拌桩内插入型钢形成的复合挡土止水结构，内插型钢可在基坑施工完成后回收利用，经济性好，刚度和止水性能均较强，对于基坑面积不太大、施工周期6个月以内有较好的技术经济优势。但SMW工法桩由于自身工艺特点，对基坑变形较敏感，变形超过一定范围后，SMW工法水泥土搅拌桩易产生开裂从而带来严重影响基坑安全的渗漏水问题。本工程周边环境较为复杂，不建议采用SMW工法围护。
2）钻孔灌注桩：钻孔灌注桩施工工艺成熟，对周围环境影响小，围护桩刚度较大，对变形控制能力强，结合搅拌桩作为止水帷幕，弥补了自身的防渗缺点。根据本工程的开挖深度和开挖规模，采用钻孔灌注桩排桩的围护型式可以满足基坑安全性与环境保护要求，故建议采用钻孔灌注桩。
3 支撑体系选型
支撑的选型应在安全的基础上，尽可能考虑到有利于开挖土方和提高施工速度，并能在按期完工的基础上加快了施工进度，减少整体工期以及相关费用。
3.1 水平内支撑
水平支撑主要有钢筋砼支撑及钢支撑两种。考虑到本基坑开挖面积较大，水平钢支撑整体稳定性较差，难以满足安全要求。
钢筋混凝土支撑能够根据基坑的具体形状，选择合理的布置形式；能够通过选择合理截面尺寸，调整支撑刚度，从而控制围护变形。钢筋混凝土支撑布置灵活，便于分块施工，可以预留较大的出土空间，方便土方开挖。钢筋混凝土支撑为现场浇筑，施工简单，质量易控制。
另一方面，钢筋混凝土支撑造价较高，同时还需设置竖向支撑系统即立柱桩等，支撑整体造价较高。钢筋混凝土支撑养护期较长，且支撑拆除也较比较复杂，需要编制专门的施工组织方案。拆除后产生的废弃混凝土处理费用也较为高昂，且处置不当将对环境造成影响。
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图2 混凝土支撑平面布置图
3.2 斜抛撑
斜抛撑最大的优点是可节约内部支撑造价，经济性较好。适用于面积较大，可盆式开挖的基坑，有利于加快土方开挖和基础施工。但除支撑本身材料及施工造价外，常规斜抛撑还有以下费用需要另外考虑：
1.坑边留土临时护坡费用以及留土加固费用；
2.斜抛撑下方的土体二次开挖费用，特别是当周边无挖土空间需要在斜抛撑下方掏土运输时，增加将显著增加；
3.斜抛撑方案需要切割底板，底板二次浇筑，需要增加止缝钢板等附加措施；
4.采用斜抛撑方案，底板无法一次完成，也就影响了项目的装修和交付时间，整体工期预计会相对斜撑钢管增加2个月左右，考虑本项目为商业项目，财务成本将大幅增加。
采用斜抛撑方案，基坑变形较大，最终变形量为三个工况变形的叠加：一是基坑内部土方开挖时产生的变形；二是斜抛撑下方土方开挖时产生的变形；三是斜抛撑拆撑时产生的变形。根据同地区多个类似项目积累的工程经验，本基坑开挖围护结构三次变形的累加值预计会超过6-8cm。
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图3斜抛撑典型剖面图
考虑到本工程主楼靠近基坑开挖边线，常规斜抛撑方案需要切割主楼底板，将对主楼施工造成不便。本工程北、东、南三侧基坑开挖边线与道路和管线距离均较近，常规斜抛撑二次挖土的施工空间受到限制，大部分区域基本上不具备可操作性。同时，采用斜抛撑会造成地下室施工工期加长，考虑本基坑环境特点，采用斜抛撑有可能会造成整体工期延误2个月以上，造成财务成本较高，同时基坑暴露时间过长也对控制变形不利。
3.3 斜撑钢管结合局部角撑
斜撑钢管支撑是一项基坑支护新技术，可取代常规方案的支撑体系，特别适合取代常规的斜抛撑钢管方案，有利于优化施工流程及工期；可实现敞开式开挖土方，无支撑施工、养护和拆除工况，无换撑工序，节省施工工期。
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图4 斜撑钢管典型剖面图
斜撑钢管施工流程如下：
工况一：施工围护SMW工法桩、灌注桩+止水帷幕搅拌桩。
工况二：施工注浆钢管，并跟踪注浆。
工况三：施工顶圈梁，降水。
工况四：分块分层开挖裙边土方及配筋垫层。
工况五：分块分层开挖至坑底，浇筑配筋垫层、底板。
工况六：施工地下结构至±0.00，割除注浆钢管。
本支撑体系的技术优点主要有以下几点：
1.融合多项国家专利。代替了原有复杂的支撑体系，施工内容大大减小。
2.受力体系类似常规的斜抛撑，但基础底板无需二次浇筑。
3.施工速度较快，且可实现土方的敞开式开挖，施工工期大大节约。
4.无支撑施工、养护和拆除工况，地下结构施工可连贯进行。
5.无换撑工序，节约成本及工期。
6.有利于基坑的风险控制，内抛式支撑可在基坑回填后割除，基坑变形可控，本工程基坑变形可以控制和内支撑变形相似。
7.绿色环保，环境及社会效益明显。钢筋、混凝土等材料用量远少于常规方案，又避免了拆撑时对环境的二次噪音、粉尘污染。
该工艺一般用于1~2层地下室基坑，目前已经在同地区几十个工地获得了成功应用，最大的应用即是解决常规斜抛撑二次挖土和减少地下室施工工期，现场施工的照片如下：
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图6 注浆钢管开挖现场照片2
3.4 支撑形式比选
对本工程而言，上述三种支撑形式在变形控制、造价、工期、施工难度、绿色环保等方面的对比如下表所示。
表2 基坑支撑形式比选
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综上，斜撑钢管方案在技术性、经济性、环境友好性方面都较其他两方案有较大优势。本项目基坑围护结构应优先考虑钻孔灌注桩+斜撑钢管的结构形式。
4 结论
本工程为某地区基坑围护设计典型案例，经过比选，围护形式采用钻孔灌注桩+斜撑钢管体系。考虑到基坑开挖面积较大，钢筋混凝土水平内支撑方案虽然能够较好的满足基坑安全要求，但在造价和工期上都不具有优势。常规斜抛撑方案虽然造价较低，但变形控制能力一般，且需要对底板进行二次浇筑，工期难以保证，造成财务成本大幅升高。斜撑钢管方案可实现敞开式开挖土方，无支撑施工、养护和拆除工况，无换撑工序，大大缩短工期，减少造价；其变形控制可达到水平内支撑相似水平，且钢筋、混凝土等材料用量远少于常规方案，又避免了拆撑时对环境的二次噪音、粉尘污染。经过技术、经济、环保的综合比选，本项目基坑围护结构应优先考虑钻孔灌注桩+斜撑钢管的结构形式。对于开挖面积较大而开挖深度有限，且施工空间受到限制的基坑工程，本案例有一定参考价值。
参考文献：
[1]DG/TJ08—61—2010 基坑工程技术规范[S]. 上海: 上海市城乡建设和交通委员会, 2010. (DG/TJ08 —61 —2010 Standard code for design of excavation engineering[S]. Shanghai: Shanghai Urban and Rural Construction and Transportation Committee, 2010. (in Chinese)).
[2]陈海涛,王伟,李伟,李纲.超前注浆端承钢斜撑在基坑工程中的应用[J].建筑施工,2017,39(09):1335-1336+1342.
[3]王艳.水平支撑+斜抛撑的深基坑支护案例[J].山西建筑,2014,40(13):72-74.
[4]郭代培. 基坑工程地下一、二层交界区支护体系的设计与分析[D]. 上海: 上海岩土工程勘察设计研究院有限公司, 2014.