环境边界条件对基坑支护设计的影响

摘要：周边环境条件决定了基坑支护的设计方案。基坑支护设计为保证地下结构施工及基坑周边环境的安全，对基坑侧壁及周边环境采用的支挡、加固与保护措施，在对基坑周边环境六面体边界条件的非定常性加以消解的基础上进行的，而支护结构与周边环境的关系具体体现为临时结构与永久结构的关系,支护结构与邻近主体结构、支护结构的关系,坑中坑关系等,因此,设计实践中,在收益理念、施工组织、勘察监测、概念设计等方面都需要深化环境关照考量。

关键词：环境边界条件基坑支护设计方案

一、基坑支护的类型及其特点和适用范围

1.1 深层搅拌水泥土围护墙

深层搅拌水泥土围护墙是采用深层搅拌机就地将土和输入的水泥浆强行搅拌,形成连续搭接的水泥土柱状加固体挡墙。水泥土围护墙优点:由于一般坑内无支撑,便于机械化快速挖土;具有挡土、止水的双重功能;一般情况下较经济;施工中无振动、无噪音、污染少、挤土轻微,因此在闹市区内施工更显出优越性。水泥土围护墙的缺点:首先是位移相对较大,尤其在基坑长度大时,为此可采取中间加墩、起拱等措施以限制过大的位移;其次是厚度较大,只有在红线位置和周围环境允许时才能采用,而且在水泥土搅拌桩施工时要注意防止影响周围环境。

1.2 高压旋喷桩

高压旋喷桩所用的材料亦为水泥浆,它是利用高压经过旋转的喷嘴将水泥浆喷入土层与土体混合形成水泥土加固体,相互搭接形成排桩,用来挡土和止水。高压旋喷桩的施工费用要高于深层搅拌水泥土桩,但其施工设备结构紧凑、体积小、机动性强、占地少,并且施工机具的振动很小,噪音也较低,不会对周围。建筑物带来振动的影响和产生噪音等公害,它可用于空间较小处,但施工中有大量泥浆排出,容易引起污染。对于地下水流速过大的地层,无填充物的岩溶地段永冻土和对水泥有严重腐蚀的土质,由于喷射的浆液无法在注浆管周围凝固,均不宜采用该法。

1.3 槽钢钢板桩

这是一种简易的钢板桩围护墙,由槽钢正反扣搭接或并排组成。槽钢长6～8m ,型号由计算确定。其特点为:槽钢具有良好的耐久性,基坑施工完毕回填土后可将槽钢拔出回收再次使用;施工方便,工期短;不能挡水和土中的细小颗粒,在地下水位高的地区需采取隔水或降水措施;抗弯能力较弱,多用于深度≤4m的较浅基坑或沟槽,顶部宜设置一道支撑或拉锚;支护刚度小,开挖后变形较大。

1.4 地下连续墙

通常连续墙的厚度为600mm、800mm、1000mm，也有厚达1200mm的，但较少使用。地下连续墙刚度大，止水效果好，是支护结构中最强的支护型式，适用于地质条件差和复杂，基坑深度大，周边环境要求较高的基坑，但是造价较高，施工要求专用设备。

1.5 SMW工法

SMW工法亦称劲性水泥土搅拌桩法,即在水泥土桩内插入H 型钢等(多数为H 型钢,亦有插入拉森式钢板桩、钢管等) ,将承受荷载与防渗挡水结合起来,使之成为同时具有受力与抗渗两种功能的支护结构的围护墙。SMW 支护结构的支护特点主要为:施工时基本无噪音,对周围环境影响小;结构强度可靠,凡是适合应用水泥土搅拌桩的场合都可使用,特别适合于以粘土和粉细砂为主的松软地层;挡水防渗性能好,不必另设挡水帷幕;可以配合多道支撑应用于较深的基坑;此工法在一定条件下可代替作为地下围护的地下连续墙,在费用上如果能够采取一定施工措施成功回收H 型钢等受拉材料;则大大低于地下连续墙,因而具有较大发展前景。

二、支护方案设计案例

以天津地铁洪湖里车站为案例。天津地铁洪湖里车站是天津市地铁一号线工程组成部分之一，是既有地铁线路天津西站站点向北延伸新建的车站，车站主体结构全长175.3m，单层段长66.0m，宽19.9m，双层段长109.3m，最宽处30.3m,车站设南北两个通风道，4个出入口。车站所通过地区为滨海平原，地形平坦，房屋密集，建筑物多为平房，周围地下管线较多。本段地层主要为第四系全新统人工填土（Qh）、上部陆相层（Q3h）、第一海相层（Q2h）、中上部陆相层（Q1h）及更新统海陆交互相堆积层（Qp）。本工程地下水类型为第四系孔隙潜水，主要赋存于粘性土及砂类土中。地下水埋深0.9―2.6m（高程1.1―2.8m），水位变幅1.0―2.0m。车站基坑长177.3m，深12.5m，断面复杂，最宽处达30.7m，属大跨度、变截面、长条型深基坑。

2.1 支护设计方案

洪湖里站采用明挖顺作法施工，钻孔灌注桩加水泥搅拌桩复合型围护结构，钻孔灌注桩为主要受力结构，灌注桩直径0.8m，间距1.0m，采用C20钢筋砼。φ500@ 350水泥土搅拌桩主要用于止水、抗渗。支撑体系：横撑采用Φ624×12钢管，水平间距3.0m，竖向按基坑深度设3道；压顶梁为宽0.9m，高1.2m的C20钢筋砼梁；腰梁为三拼 I 36组合截面工字钢。支撑立柱为Φ400×8钢管，立柱基础为Φ800灌注桩；连系梁为I 36工字钢。原方案支护型式如图2所示，其支撑按国内类似基坑工程的通常做法将层距控制在4.5m左右，即第二层支撑处于双层段中层板（单层段顶板）之下，在施工侧墙期间，需将第二层支撑下落，这就在侧墙上增加了一道水平施工缝，增加了一步倒撑工序；跨度超过30m的支撑，为了提高其承载力，通常设置双排支撑立柱，跨度在20m左右的支撑，设置单排支撑立柱，将支撑自由长度控制在10m左右，但这造成了槽内立柱林立，严重制约了土方开挖及支撑架设速度，与深基坑工程“快开挖、快支护”的原则相矛盾。

结论

通过以上的讨论分析，周边环境边界条件对基坑支护设计有很大的影响，因此在做基坑支护设计方案时不得不将周边环境边界条件作为重要因素来考虑。稳定边界条件，就能减少设计工作强度和提升设计品位。基坑支护是一种特殊的结构方式，具有很多的功能。不同的支护结构适应于不同的水文地质条件，因此，要根据具体问题，具体分析，从而选择经济适用的支护结构。

参考文献

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[2] 陈爱华;建筑桩基技术规范;土木工程学报;（JGJ94-2008）

[3] 白云,汤竞;上海底下工程建设中的经验和教训探讨【J】土木工程学报，2007.40（5）