市政工程常用基坑支护结构的类型及设计原则

2014-01-08黄定江

城市道桥与防洪 2014年3期

黄定江

(合肥市规划设计研究院，安徽合肥 230041)

0 引言

我国大量的深基坑工程始于20世纪80年代，随着城市高层建筑的建设而迅速发展。近几年，由于城市道路、立交桥等工程的迅速发展，道路地下管网、地下泵房、下穿立交等都存在着基坑开挖问题。市政工程基坑周围通常存在交通要道、已建建筑或管线等各种构筑物，这就涉及到基坑开挖的重要问题，即要保护其周边构筑物的安全使用。而一般的市政工程基坑支护大多是临时结构，投资太大易造成浪费，支护结构不安全又势必会造成工程事故。因此，如何安全、合理地选择合适的支护结构并根据基坑工程的特点进行科学的设计是基坑工程要解决的主要内容。

1 市政工程常用基坑支护结构的类型、特点及其适用范围

支护结构的种类很多，应根据场地周边环境、开挖深度、工程地质与水文地质、施工作业设备和施工季节等条件综合考虑而因地制宜地选择合适的基坑支护结构类型。

（1）放坡开挖

当施工场地满足放坡条件，周围无重要建筑物时，一般均按放坡开挖。放坡开挖主要缺点是土方回填量大。采用放坡开挖的基坑开挖深度不宜超过7 m。基坑开挖深度超过4.0 m时，应采用多级放坡的开挖形式。放坡开挖的基坑边坡坡度应根据土层性质、开挖深度确定，各级边坡坡度不宜大于1:1.5，淤泥质土层中不宜大于1:2.0；多级放坡开挖的基坑，坡间放坡平台宽度不得小于1.5 m。

（2）钢板桩

钢板桩是异型型材的一种，是一种现代基础与地下工程领域的重要施工材料。随着锁口密封剂的使用及各种止水工具的应用，钢板桩逐步应用于柔软地基及地下水位较高的深基坑支护。钢板桩作为支护结构的一种类型，其优点是高强、轻质、隔水性好、耐久性强、可重复使用、安全性高、对空间要求低、环保效果显著。其缺点是抗弯能力较弱，多用于较浅基坑或沟槽；支护刚度小，开挖后变形较大，一般在桩身设置一道或多道支撑。

（3）人工挖孔灌注桩

人工挖孔灌注桩围护墙目前应用较为广泛，其多用于7～10 m的基坑工程。其优点为施工时无振动、无噪音、无挤土现象，对周围环境影响小；桩身强度高、刚度大，支护稳定性好，变形小。其缺点为劳动强度大、单桩施工速度较慢、安全条件差、桩间缝隙易造成水土流失，施工过程中易造成生产安全事故。人工挖孔灌注桩围护墙适用于粘土质地区，不得用于软土或易发生流沙的场地（淤泥、淤泥质土）、地下水位以下的砂层、粉土夹砂层和粉土、富含承压水砂岩强风化带（或残积层）区域），地下水位高的场地，应先降水后施工。

（4）预制钢筋混凝土板桩

预制钢筋混凝土板桩具有施工简单、现场作业周期短等特点，曾在基坑中广泛应用，但由于预制钢筋混凝土板桩的施打一般采用锤击方法，振动与噪音大，同时沉桩过程中挤土也较为严重，目前在市政工程中应用较少。

（5）地下连续墙

地下连续墙是在地面上采用一种挖槽机械，沿着深开挖工程的周边轴线，在泥浆护壁条件下，开挖出一条狭长的深槽，清槽后，在槽内吊放钢筋笼，然后用导管法灌筑水下混凝土筑成一个单元槽段，如此逐段进行，在地下筑成一道连续的钢筋混凝土墙壁。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。由于受到施工机械的限制，地下连续墙的厚度具有固定的模数，不能像灌注桩一样根据桩径和刚度灵活调整。因此，地下连续墙只有在一定深度的基坑工程或其它特殊条件下才能显示出经济性和特有优势。一般适用于开挖深度超过10 m、对防水、抗渗有较严格要求、邻近存在保护要求较高的建（构）筑物，对基坑本身的变形和防水要求较高的深基坑工程。在超深基坑中，例如30～50 m的深基坑工程，采用其他围护体无法满足要求时，常采用地下连续墙作为围护结构。其优点是施工时振动小，噪音低，非常适于城市施工；防渗性能好，由于墙体接头形式和施工方法的改进，使地下连续墙几乎不透水；墙体刚度大，用于基坑开挖时，可承受很大的土压力，极少发生地基沉降或塌方事故；适用于多种地基条件，从软弱的冲积地层到中硬的地层、密实的砂砾层，各种软岩和硬岩等所有的地基都可以建造地下连续墙。其缺点是在城市施工时，废泥浆的处理比较麻烦；用作临时的基坑挡土结构，比其它方法所用的费用要高。

2 市政工程基坑支护结构的选型

基坑支护的目的是确保基坑开挖自身坑壁的稳定及施工安全、保证周围临近结构物、地下管线的安全、便于基坑开挖施工及地下工程建设。基坑支护型式的合理选择，是基坑支护设计的首要工作，应根据地质条件，周边环境的要求及不同支护型式的特点、造价等综合确定。安全是基坑支护结构的核心问题,不仅仅要考虑支护体系自身的安全,确保基坑开挖施工的顺利进行,又要保证周围结构物、地下管线的正常使用。支护结构的经济性指的也不仅仅是支护结构自身的造价,还应该考虑到施工工期、安全等各方面的综合经济效益。一般当地质条件较好，周围环境要求较宽松时，可以采用放坡或放坡结合钢板桩型式支护；当周边环境要求高时，应采用较刚性的支护形式，以控制水平位移，如灌注桩或地下连续墙；当地质条件特别差，基坑深度较深，周边环境要求较高时，可采用地下连续墙。

3 市政工程基坑支护结构的设计要求

基坑支护结构设计应该根据其破坏后果的严重性分别采用不同的安全等级。若破坏后果很严重应采用一级安全等级，破坏后果一般的采用二级，破坏后果不严重的采用三级。基坑支护作为一个结构体系，应要满足强度、稳定和变形的要求，即通常规范所说的承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求。对于基坑来说，所谓承载能力极限状态就是支护结构破坏、倾倒、滑动或周边环境的破坏，出现较大范围的失稳；所谓正常使用极限状态就是指支护结构的变形或周边土体产生的变形过大，影响正常使用。

对于市政工程而言，因工程建设多位于城区，对变形要求相对严格。基坑支护结构在土侧压力的作用下若发生较大位移,那么周围的地表势必会出现下沉,有可能导致周围的结构物出现开裂,影响其正常使用，若变形量过大,甚至会造成周围建筑物倾斜、倒塌,地下管线断裂等情况。因此,在进行市政工程基坑支护结构设计时必须确保支护结构的位移量控制在允许范围以内，施工时一般要求进行变形监测。

基坑支护结构变形监测报警值见表1。

表1 基坑支护结构变形监测报警值

4 工程实例

（1）合肥工业大学排水泵站深基坑支护

合肥工业大学排水泵站位于合肥工业大学校内，紧邻马鞍山路（城市快速路），周边分布有教师宿舍楼（砖混，5层）、研究生院教学楼（框架，6层）、横穿马鞍山路人行地道等构筑物，泵站平面位置见图1。从平面位置来看，场地狭小。现场地面标高为18.9～20.1 m，而泵房基底设计标高为10.1 m，埋深接近自然地面下约9.0 m，为保证交通及施工安全须设挡土结构。

图1 泵站平面位置（单位：cm）

根据地质钻探资料，场地内分布有杂填土、淤泥质杂填土、粘土，粘土层的物理力学指标见表2。该场地地下水类型为上层滞水和粘土层中少量孔隙水，无一定自由水面，水量不大。

表2 粘土物理力学指标

因该工程位于高校内，且周边分布有教师宿舍、教学楼、城市交通干道，安全问题极其重要。经综合分析现场地质及施工条件，决定采用人工挖孔灌注桩支护。经结构计算，确定桩直径d=1.0 m，混凝土强度等级为C25，桩中心距为1.5 m，桩深5.0 m，桩顶标高根据实际情况略有不同，桩长H为13.8 m、12.4 m、11.9 m。为加强桩的整体性，在桩顶设1 000 mm×500 mm的冠梁。共有36根桩，要求施工时交错施工，并进行现场监测。施工期间未出现异常情况，较好地实现了设计期望。

（2）巢湖市景城路雨水出口沟槽基坑支护

巢湖市景城路雨水出口管道（管径2.2 m）紧邻湖光路（城市快速路），距湖光路边线最近仅3.5 m，沟槽底距地面约5 m。场地①层杂填土、①1层淤泥质素填土、②1层粉质粘土、②2层淤泥质粉质粘土均为软弱土，③层粘土夹砾石为中硬土，拟建雨水管道位于②2层淤泥质粉质粘土层。场地地下水类型在勘探深度范围内主要为上层滞水及层间水，上层滞水主要分布于①层杂填土及①1层淤泥质素填土中，水量较丰富；层间水主要分布于②2层淤泥质粉质粘土中，水量较丰富。

因该工程紧邻城市交通干道，场地为软弱土且地下水丰富，决定采用U型钢板桩支护，见图2。经结构计算，确定采用400×170 U型钢板桩（见图3），桩身总长10.5 m，外露5.0 m，并在桩顶设一DN200间距4 m的钢管做为横撑。工程于2013年8月建成投入使用，施工期间未出现异常情况。