多种围护结构形式在软土地基基坑工程中的组合应用

摘要：基坑围护结构的选型应综合考虑基坑开挖深度、环境条件、土质条件、施工工期和造价等因素的影响。以某软土地基中的基坑工程为例，根据该工程的特点，采用内撑式排桩墙、拉锚式排桩墙、门架式围护结构和放坡开挖相结合的组合型围护结构，并取得到了成功应用，可为类似工程提供参考。

1 引 言

随着社会经济水平的不断提高，对地下车库、地下商场等地下建筑空间的需求也越来越大，为数众多的新建项目都在整个场地内设置连通的地下室以满足上述需求。这些项目中的基坑围护工程往往由于平面范围大，涉及不同的环境条件、工程地质条件或建设进度计划等，不宜采用单一的围护结构型式，而需要根据实际情况采用数种围护结构型式相结合的基坑围护方案，以在确保安全的前提下同时满足“经济”和“方便施工”的要求。

本文以某软土地基中的基坑工程为例，详细介绍了该工程的工程概况、地质条件、围护方案选择、围护体系具体做法、施工要求和应急措施以及基坑监测结果，可为今后类似工程的设计及施工提供参考。

2 工程概况

杭州某工程总用地面积45191m2，总建筑面积152967m2，共有9幢24～25层的高层住宅，设有一层连通地下室，地下建筑面积39990m2，基础形式主楼为钻孔灌注桩，地下车库为预应力管桩。设计基坑开挖深度为4.50～6.30m，设计基坑安全等级为二级。

本基坑周边环境条件具体情况如下：

（1）基坑东侧紧邻用地红线，用地红线以东为在建的市政道路，市政道路以东为在建的住宅项目。

（2）基坑南侧紧邻用地红线，用地红线以南为待建的河道，河道部分已开挖，未与市政河道连通，水面标高-2.500m，水深约2m，与基坑边的最小距离为12.1m。

（3）基坑西侧紧邻用地红线，用地红线以西为待建空地。

（4）基坑北侧与用地红线最小距离为0.9m，用地红线以北为已建的市政道路。道路下埋设有电力管线、污水管、雨水管、给水管、燃气管、通信管线等市政管线，与基坑边最小距离分别为1.9m～29.9m。

3 工程地质条件

根据本工程勘察报告，场地地层自上而下共分层，十七个地层亚层。基坑开挖影响深度范围内的土层依次有：杂填土，粘土，淤泥质粘土，粉质粘土，粉质粘土夹粉土和淤泥质粉质粘土。各土层主要物理力学性质指标见表1所示。

4 围护方案选择

综合基坑开挖深度、周围环境条件和工程地质条件等，本基坑具有以下特点：

（1）基坑平面尺寸大：基坑向南北宽度约200m，东西向长度约为210m，整个基坑周长约840m。

（2）基坑开挖深度一般：在4.50m～6.30m之间。

（3）地基土质较差，基坑底基本处于淤泥层中，该土层物理力学指标较差，但渗透性较小，对坑底抗管涌比较有利。

（4）场地地基土层厚度变化较大。尤其是对本基坑影响最大的淤泥质粘土层厚度变化较大。

（5）周边环境条件相对较好，主要保护对象是基坑北侧的已建道路和东侧的在建道路。

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

（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，尤其雨季时在渗流力作用下易产生整体失稳。因此只能在环境条件较好、开挖深度较浅的区域采用。基坑东侧售楼部区域因建设单位进度计划要求先于其它区域建成使用，因此在环境条件允许的情况下，局部采用放坡开挖以加快施工进度。

（2）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，因此不建议采用。

（3）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，可基本避免周边道路出现开裂现象，确保临近建筑物和地下管线的安全。但本基坑平面尺寸大，如全部采用内支撑方案，围护造价相对较高且施工周期相对较长。因此仅考虑在基坑四角局部设置角撑。

（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，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，弯矩则与开挖所深度的三次方成正比，因此只能在开挖深度较浅，环境条件较好的区域采用，本基坑不适合采用。

（5）复合土钉墙围护结构

土钉墙围护结构具有经济性好、施工方便、施工工期短等优点。在软土地基中采用土钉墙围护结构，当坑底处于软弱土层中时，为防止在基坑开挖过程中出现隆起破坏和整体滑移，可在坡脚打入水泥搅拌桩以形成复合土钉墙，有利于提高坡脚土体的承载力和基坑的整体稳定性，并减小围护结构的位移。复合土钉墙经济性好，但在软土地基中使用其围护结构变形偏大，基坑周边地面将不可避免地出现裂缝，因此不宜在环境要求高的区域采用。本工程中还存在土钉末端将超出用地红线的情况，因此也不适合采用。

（6）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。但由于其本质仍属于悬臂式围护结构，因此在软土地基中变形仍然偏大。本基坑东侧和南侧大部分位置环境条件较好，可考虑采用门架式围护结构。

（7）拉锚式排桩墙围护结构

拉锚式排桩墙围护结构通过预应力锚杆来为围护桩（钻孔灌注桩）提供支点，也具有受力合理、变形易控制、对周围环境影响小、经济性好等优点，同时可在基坑中形成较大的挖土空间，大大方便挖土施工，加快施工进度。在软土地基中，由于软粘土自身强度较低，常规锚杆施工时注浆可控性差，锚杆抗拔力小，施工质量难以保证。为改进上述不足，本基坑锚杆采用囊袋式土层预应力锚杆。浆囊袋注浆锚杆具有施工工艺简便、锚杆抗拔力大、施工质量易控制、经济性好等优点，特别适合于在软土地基基坑工程使用。

因基坑周边与用地红线距离较近，锚杆打设范围需超出用地红线，因此本基坑采用可回收式预应力浆囊袋注浆锚杆。在基坑土方回填后可将锚杆主筋回收，不会对周围环境形成地下障碍。该技术目前已在杭州多个基坑围护工程中取得了成功的应用，大大节约了围护工程造价，节约了施工工期，取得了显著的经济效益和社会效益。

本工程西侧和北侧紧邻用地红线，因此考虑采用可回收式预应力浆囊袋注浆锚杆与围护桩形成的拉描式排桩墙围护结构。

综合上述分析，根据“安全、经济、方便施工”的原则，确定采用放坡开挖、门架式围护结构、拉锚式围护结构和内撑式围护结构相结合的围护方案。

由于场地地基土质较差，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。对位于老河道范围的围护结构，局部设置双排水泥搅拌桩帷幕，以提高其挡土止水的可靠性。

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。

基坑内根据现场情况设纵横向排水沟，并每隔20m左右设坑底集中排水井，进行有组织排水。

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600mm的钻孔灌注桩形成，桩中心距为900～1000mm，混凝土强度等级为C25。在排桩墙后采用直径为500mm的单轴水泥搅拌桩相互搭接形成止水帷幕。

2）水平支撑体系

水平支撑体系采用角撑形式。该形式的支撑杆件受力明确，且比较独立，有利于分块施工；同时在基坑中部形成较大的挖土空间，可大大加快挖土和出土速度。

在支撑的竖向布置上，采用一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C15素混凝土再加铺隔离油毛毡一层。

3）竖向支承体系

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Φ700钻孔灌注桩。钢构架上部伸入支撑300mm，下部插入钻孔灌注桩内2000mm。

4）拉锚体系

锚杆采用可回收式预应力浆囊袋注浆锚杆。锚杆采用锚杆钻成孔，成孔直径为120mm，倾角为15度。杆体采用Φ15.24（7Φ5）无粘结高强度低松弛钢绞线。锚杆锚固段外套Φ250囊袋。

5）门架式围护结构

门架式围护结构的前后排桩均采用Φ600和Φ700钻孔灌注桩。前后排桩之间通过压顶梁和帽梁连接，形成门架。压顶梁和帽梁高度为400mm，混凝土强度等级均为C30。

6 施工要求及应急措施

本基坑围护结构严格按照下列要求施工：

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

（2）结合后浇带位置分块分层进行土方开挖，以充分发挥基坑的空间效应，缩短基坑全面暴露时间。在土方开挖过程中注意控制土坡的高差和坡度，防止坑内土体滑坡。

（3）压顶梁和支撑严禁堆载，挖土机械不得直接碾压在支撑上。挖土机械需通过时，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。挖土过程中严禁挖斗撞击支撑及立柱，严禁超挖。

（4）基坑挖土施工做到“五边”即：边挖、边凿、边铺、边浇、边砌，坑底无垫层时间不超过48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）基坑先开挖至底板底标高后，再分批开挖出承台、地梁及电梯井位置。距基坑底30cm土方以及承台和电梯井采用人工开挖。

此外作为应急措施，基坑开挖前在现场准备一定数量应急材料，以便在发现异常情况时可及时采取措施。现场配备注浆设备和材料，若止水帷幕出现渗漏，则及时采用压力灌浆、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）基坑开挖过程中周边深层土体的水平位移监测：深层土体水平位移预警值为40mm，位移发展速率不得连续三天超过3mm/天。

（2）地下水位观测：预警值为变化幅度超过500mm/天。

（3）支撑轴力监测：预警值为2500kN。

（4）锚杆轴力实时监测：预警值为150kN。

（5）基坑周边道路及地下管线沉降观测。

监测结果显示，各测斜孔最大累计位移为41.35mm，与设计目标接近，其余各监测项目均未达到预警值，施工过程中对周边重点保护的市政道路及管线无明显影响，表明在整个基坑施工到完成过程中基坑围护体系都处于稳定安全状态，本基坑的围护设计及施工是成功的。

8 结论

通过本基坑的设计、施工与监测，得到以下结论：

（1）基坑设计过程中，应根据工程实际环境条件、地质条件和开发进度要求等选用适宜的围护结构型式，必要时可采用多种围护型式组合使用。

（2）对于软土地基中开挖深度一般、平面尺寸大的基坑工程，只要有合理的设计和施工组织措施，相较于内撑式排桩墙围护结构，采用门架式围护结构或拉锚式排桩墙围护结构同样能保证基坑安全施工，而且能大大加快施工进度，取得较好的经济效益。

（3）施工过程中应重视应急措施准备和基坑监测工作。通过监测可及时了解围护体系的受力状况，对设计参数进行反分析，以调整施工参数，指导后续施工，遇异情可及时采取措施。基坑监测是保证基坑安全的一个重要的措施。

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

[3] 龚晓南. 基坑工程特点和围护体系选用原则[A]. 中国土木工程学会第八届年会论文集[C]. 1998

[5] 高大钊主编.土力学与基础工程[M]. 中国建筑工业出版社， 1998

[6] 《基坑工程手册》编辑委员会[编]，刘建航，侯学渊主编.基坑工程手册[M]. 中国建筑工业出版社， 1997

[7] 孙钧等著.城市环境土工学[M]. 上海科学技术出版社， 2005

作者简介：

徐森跃，男（1963.04―），汉族，浙江余杭人，本科，高工，研究方向：建筑工程

金国华，男（1964.07―），汉族，浙江东阳人，本科，工程师，研究方向：建筑工程施工与管理工作