软土地基中复杂环境条件下深基坑围护结构设计与变形控制

【摘要】基坑工程具有显著的环境效应。对于城市建设中周边环境条件复杂的深基坑工程，应优先考虑内撑式围护结构，并实行信息化施工。结合软土地基中环境条件复杂的某深基坑工程，通过围护结构选型、具体做法、计算分析结果、施工要求和监测结果。监测结果表明：该工程的设计与施工是成功的，可为其他类似工程提供参考。

1 引 言

由于城市建设步伐加快，越来越多的基坑工程需要在复杂的周边环境下进行施工。已有研究表明，基坑工程具有显著的环境效应。实际工程中因深基坑工程设计或施工不当而导致的面沉陷，楼房倾斜、开裂甚至倒塌，地下管线破坏等工程事故常有发生，因此基坑围护体系不仅要保证基坑自身的安全，还应保证临近建（构）筑物的安全和正常使用。在围护体系设计时要充分考虑围护结构与周围环境的相互作用，并在施工的过程中将基坑边坡的变形严格控制在容许范围之内，从而保证周边环境的安全。

本文以杭州软土地基中某深基坑工程为例，详细介绍了该工程的工程概况、环境条件、地质条件、围护结构选型、具体做法、计算分析结果、施工要求和监测结果，可为今后类似工程的设计与施工提供参考借鉴。

2 工程概况

杭州某项目建设用地面积33270m2，地下建筑面积79636m2，设有三层连通的地下室，基础形式采用钻孔灌注桩基础。设计基坑开挖深度为14.05～15.95m，设计基坑安全等级为一级。

本基坑地处城区，西北角紧邻保留工业厂房，基坑南侧临近规划地铁控制线（图1），周边环境条件较为复杂，具体情况如下：

（1）基坑东侧距离用地红线2.3m，用地红线以东为费家塘路，费家塘路上有电信管、燃气管、自来水管、雨水管、污水管和电力线等地下管线，埋深约1.40m～2.50m，与基坑边距离在3.5～25.1m之间。

（2）基坑南侧与用地红线最小距离为1.0m，用地红线以南为待建绿化带和长大屋路，现为空地。待建的长大屋路与基坑边最小距离为11.0m。另外，基坑南侧偏东段紧邻规划地铁控制线。

（3）基坑西侧与用地红线的距离为0.1m～8.6m，用地红线以西为永福桥路，永福桥路上有通信管线、雨水管、燃气管、污水管、电力管线等地下管线，埋深为1.2m～2.2m，与基坑边最小距离为1.5m～17.7m。基坑西北角有保留的厂房（浅基础），与基坑边最小距离为9.3m。

（4）基坑北侧距离用地红线5.0m，用地红线以北为东文路，东文路上有污水管、雨水管、燃气管、通信管线等地下管线，埋深为1.1m～1.9m，与基坑边最小距离为10.0m～24.3m。

3 工程地质条件

根据本工程地质勘察资料，地基土体可分为6个大层，8个亚层。基坑开挖深度影响范围内的土层依次为：杂填土，粉质粘土夹粉土，淤泥质粘土，粉质粘土夹粉土薄层和粘土。各土层主要物理力学性质指标见表1所示，典型地质断面如图2所示。

4 围护方案选择

综合场地地理位置、土质条件、基坑开挖深度和周围环境条件，本基坑工程具有如下特点：

（1）基坑开挖深度大：本基坑开挖深度在14.05～15.95m之间。

（2）基坑开挖面积大：基坑东西向最大长度为290m，南北向最大宽度为130m，整个基坑周长约820m。

（3）基坑形状相对规则，基坑宽度适中，便于设置内支撑。

（4）基坑开挖深度范围内存在有物理力学性质较差、厚度为6.20～11.30m的淤泥质粉质粘土，但坑底基本处于物理力学性质相对较好的粘土层中。各土层渗透性较小，对坑底抗管涌比较有利。

（5）周边环境条件复杂，基坑周边有保留厂房、道路需保护，南侧临近地铁控制线，需避免对今后地铁盾构施工造成障碍。

根据本基坑工程的开挖深度、环境条件和地质条件，可以考虑的围护方案包括：（1）放坡开挖；（2）复合土钉墙围护结构；（3）水泥搅拌桩重力式挡墙围护结构；（4）悬臂式围护结构；（5）门架式围护结构；（6）拉锚式围护结构；（7）内撑式围护结构。

（1）放坡开挖

放坡开挖是最为经济的围护形式，具有施工速度快、土方开挖方便等优点，在条件许可的情况下应优先采用。但在软土地基中边坡位移较大，稳定性较差，尤其在雨季时，在渗流力作用下易产生整体失稳。同时采用放坡开挖后土方开挖量和回填量大，且回填土密实度难以保证，在今后使用过程中容易出现地下室周边地面下沉的现象。因本工程开挖深度大，地基土质条件差且环境条件复杂，因此不具有采用放坡开挖的条件。

（2）复合土钉墙围护结构

土钉墙围护结构经济性好、施工方便、施工工期短、设备轻便、能承受较大变形，具有良好抗动荷载的能力，可随时调整土钉间距和长度或采取加固措施，目前在软土地基中开挖深度在5.5m以下的基坑工程中得到了广泛的应用。本基坑开挖深度和软土层厚度较大，因此不适宜采用复合土钉墙围护。

（3）水泥搅拌桩重力式挡墙围护结构

水泥土重力式挡墙也具有施工速度较快，土方开挖方便等优点。但在软土中应用时围护结构位移偏大，对周边环境影响较大，容易引起基坑周边地表开裂。由于围护结构的宽度较大（一般为开挖深度的0.6～0.8倍），需占用一定场地，同时围护结构造价并不低，因此不适宜采用。

（4）悬臂式围护结构

悬臂式围护结构具有施工方便、施工速度快等优点；但在软土地基中变形大，极易引起周边地表开裂；同时悬臂式围护结构承受的剪力与开挖深度的二次方成正比，弯矩则与开挖深度的三次方成正比，故其经济性较差，因此也不适宜采用。

（5）门架式围护结构

双排桩门架式围护结构通过前后排钻孔灌注桩、压顶梁和联系梁形成一个刚度相对较大的门架，从而提高围护结构整体的抗变形能力。由于不设置内支撑，因此具有施工速度快，施工方便等优点。但本基坑开挖深度和软土层厚度较大、环境条件复杂，因此不适宜采用门架式围护结构。

（6）拉锚式围护结构

拉锚式排桩墙围护结构通过预应力锚杆来提供支点，具有受力合理、经济性好等优点。但考虑到本基坑环境条件复杂、软土厚度较大，采用拉锚式围护结构风险性大，因此不适宜采用。

（7）内撑式围护结构

内撑式围护结构具有受力合理、变形易控制、可靠性高、对周围环境影响小等优点，但围护造价相对较高且施工周期相对较长。本基坑宽度适中，比较适合于设置内支撑。同时考虑到本基坑处于软粘土地基中，开挖深度大，且周边环境复杂，有工业厂房需保护，需严格控制变形，因此采用以大直径钻孔灌注桩为排桩墙的内撑式围护结构。此外，基坑南侧部分围护桩位于规划地铁控制线范围内，为避免对日后地铁盾构施工带来不利影响，故局部采用SMW工法桩作为挡土结构。在本工程地下室施工完毕后拔出型钢，以免形成地下障碍。

综合上述分析，根据“安全、经济、方便施工”的原则，确定本基坑主要采用内撑式围护结构。其中大部分围护墙采用钻孔灌注桩排桩墙，局部采用型钢水泥土搅拌墙。

由于基坑开挖深度较大，基坑外侧的软弱土可能从钻孔灌注桩之间的空隙挤入基坑中，故在排桩墙外侧单独设置封闭的水泥搅拌桩帷幕。本基坑采用三轴水泥搅拌桩形成止水帷幕。

对于地表处的雨水和施工用水，在基坑周边地面处设置贯通的地面排水沟，并在沿排水沟一定距离处设置集水井。将地面雨水和施工用水集中后，排入下水管网。

根据现场情况，决定在基坑内设纵横向排水沟，并每隔20m左右设坑底集中排水井，以有组织的进行基坑内排水工作。

5 围护体系具体做法

1）钻孔灌注桩排桩墙

根据基坑变形与稳定要求，本基坑排桩墙采用直径为1000～1100mm的钻孔灌注桩形成，桩中心距为1200～1300mm，混凝土强度等级为C25。在排桩墙后采用Φ850@600三轴水泥搅拌桩相互搭接以形成止水帷幕。

2）SMW工法桩

基坑南侧规划地铁控制线范围内挡土结构采用型钢水泥土搅拌墙。型钢水泥土搅拌墙采用三轴搅拌设备，按套接一孔法施工。搅拌桩桩径为850mm，中心距为600mm，采用42.5级普通硅酸盐水泥，水泥掺入量22%，水灰比1.5，要求水泥土28d无侧限抗压强度不低于1.0MPa。三轴搅拌桩中插入H700×300×13×24型钢，H型钢穿过压顶梁并高出压顶梁顶面0.5m。型钢水泥土搅拌墙兼作为挡土结构和止水帷幕。

3）水平支撑体系

水平支撑体系采用角撑和对撑相结合系统。该形式的支撑杆件受力明确，且比较独立；同时在基坑中部形成较大的挖土空间，大型机械可直接进入坑内挖土并设置挖土的临时通道，加快挖土和出土速度。

在支撑的竖向布置上，采用三道钢筋混凝土内支撑，支撑及压顶梁混凝土强度等级均为C30。支撑梁的垫层采用100mm厚C10素混凝土再加铺隔离油毛毡一层。

4）竖向支承系统

竖向支承系统上部采用井字型钢构架，下部尽可能利用工程桩，部分采用新增Φ800钻孔灌注桩。钢构架上部伸入支撑400mm，下部插入钻孔灌注桩内3000mm。

在内撑式围护结构设计计算中，结合基坑施工过程，共考虑开挖、支撑、换撑和拆撑等十三种工况。

6 本工程基坑开挖严格遵循以下施工要求进行：

（1）严格控制基坑边超载，除出土通道外，基坑四周8m范围内施工超载不得超过20kPa。施工车辆应在基坑边指定的路线和位置行驶、停放，土方应及时外运。

（2）施工顺序应遵循“先撑后挖”的原则，在支撑及压顶梁达到设计强度后方可进行下层土方开挖。

（3）土方开挖应严格根据设计工况，按照“分层、分块、对称、平衡、限时”的原则进行。具体应结合后浇带位置采用分块、分层进行开挖，以充分发挥基坑的空间效应，缩短基坑全面暴露时间。但在土方开挖过程中应注意控制土坡的高差（不宜大于1.5m）和坡度，防止坑内土体滑坡。

（4）基坑挖土施工应做到“五边”即：边挖、边凿、边铺、边浇、边砌，坑底无垫层时间不应超过24小时，确保基坑土体不长期暴露，提高基坑稳定性，并尽早施工地下室底板。

（5）压顶梁及支撑严禁堆载，挖土机械不得直接碾压在支撑上。挖土机械需通过时，应在支撑两侧填土（填土面应高出支撑顶面），并铺设路基箱后方可通行。

（6）挖土过程中严禁挖斗撞击支撑及立柱。

此外，为应对突况，基坑开挖前在现场备有一定数量的应急钢管、型钢和砂包等应急材料，以便发现异情后采取卸土、回填、设临时支撑等应急措施。若发现开挖土方后围护结构水平位移超过警戒值，立即采取增加临时钢支撑等措施，条件许可的情况下可采取坑外卸土，必要时采取回填、坑内砂包反压措施。若止水帷幕出现渗漏，则应及时进行补漏处理，现场应配备注浆设备和材料，采用压力灌浆、化学灌浆等手段进行补漏处理。

7 监测数据分析

本基坑监测内容如下：

（1）基坑周边深层土体的水平位移监测：临近保留厂房处预警值为40mm，其余区域为50mm，位移发展速率不得连续三天超过3mm/天；

（2）钢筋混凝土支撑内力监测：第一道支撑预警值为7500kN，第二道支撑预警值为10000kN，第三道支撑预警值为8500kN；

（3）基坑周边道路、厂房及地下管线沉降观测。

根据监测结果，各监测孔深层水平位移最大值为21.41～37.79mm，均小于预警值。

典型深层水平位移曲线的计算和实测值对比可知，变形曲线的数值和分布均较为接近，均为“弓形”分布。

各支撑轴力监测点测得轴力最大值为4052～6993kN，均小于预警值。保留厂房也未出现开裂现象。

上述监测数据表明：整个基坑都是在安全状态下作业施工，基坑围护结构稳定，对周边重点保护的建筑物、市政道路及管线均无明显影响，使整个工程顺利完工。由此说明：该基坑的围护设计及施工是成功的。

8 结论

通过本基坑工程的设计、施工与监测得到以下结论：

（1）内撑式围护结构，能够有效控制基坑围护结构的位移和弯矩，大大降低基坑开挖对周围环境的影响，具有良好的可靠性。对于城市复杂环境下的基坑工程，应优先考虑采用。

（2）施工监测工作十分重要，在深基坑过程施工中，应根据现场反馈的监测数据及时调整施工方法和施工顺序，实现信息化施工，从而较好的控制基坑变形，降低对周围环境的影响。

参考资料：

[1] 建筑基坑支护技术规范[S]，中国建筑工业出版社， 2012

[2] 深基坑工程设计施工手册[M]，中国建筑工业出版社，龚晓南，1998.7

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[7] 孙钧等著.城市环境土工学[M]. 上海科学技术出版社， 2005

[8] 汪乃权，章一群，俞建霖.复杂环境条件下基坑围护结构变形与稳定控制 [J]. 浙江建筑，2009，06：36-39.