上端放坡、下部排桩加锚杆的深基坑支护体系的施工技术研究

朱景哲 徐慧敏 严海明 徐 伟

1. 同济大学建筑工程系 上海 200092； 2. 朝鲜民主主义人民共和国平壤建筑综合大学建筑工程系 朝鲜平壤 999093

1 工程概况

工程位于浙江地区大型城市中，基坑影响范围内的工程地质土层缺失②砂质粉土和④淤泥质黏土。项目总建筑面积约16.5 万m2，分为2 个单体，其中1#楼高近百米，2#楼高约180 m。地下室为3 层，整体相连，建筑面积约为4 万m2。工程地下室基坑开挖面积17 500 m2，开挖深度分别为13.70 m、14.80 m和15.60 m，总土方量约22 万m3，基坑安全等级为一级。

根据基坑整体特性以及施工现场环境，确定支护形式为：开挖深度在7.40 m以上采用土钉墙或放坡开挖，开挖深度7.40 m以下采用拉锚式排桩围护结构，同时采用3Φ850 mm@600 mm三轴水泥土搅拌桩形成基坑外侧止水帷幕。钻孔灌注桩直径分别为800 mm和900 mm，中心距分别为1 050 mm和1 150 mm。桩身混凝土强度等级为C30。

1.1 周边环境

基坑东侧为一基坑深度基本相同的某大厦工程，两工程之间的道路需作为运土道路；南侧为一新建道路，路面下设有自来水管、电力管线和雨水管等，距离基坑围护桩约6 m；西侧为尚未开始施工的规划道路；北侧靠近地铁口，相距约25 m（图1）。

图1 基坑与周边环境关系平面示意

1.2 地质概况

该工程±0.00 m相当于黄海标高7.00 m，场地相对标高实为－1.40 m。基坑影响深度范围内的土层自上而下为：①1杂填土；①2素填土；③1黏质粉土；③2砂质粉土；⑤黏质粉土；⑥淤泥质粉质黏土和⑦粉质黏土。本工程区域内主要分3 层地下水，上层地下水性质属潜水，下层地下水性质属承压水及基岩裂隙水。承压水分布于下部的⑨1中砂层、⑨2圆砾层中，上部的⑥层、⑦层黏性土是相对隔水层，构成含水层的承压顶板。承压水受侧向径流补给，富水性好，具有明显的埋藏深、污染少、水量大、流速极慢等特点。潜水含水层的地下水位一般埋深于地表下1.30～2.53 m。

2 支护结构变形分析[1,2]

2.1 计算模型

由于本工程体量较大，且涉及构件非常多，故本文仅选取具有代表性的部分模型进行模拟。建立计算模型尺寸为长60 m、宽10 m、高30 m。数值模拟采用摩尔-库伦模型，设定边界的约束条件为：限定模型四周的水平位移和模型底部的竖向位移，模型顶端则为自由面[1]。同时，整个深基坑端部活荷载设定为20 kN/m2。

数值模型分析过程中，在整体开挖前进行初始分析，根据勘察报告及现场试验参数对不同层次的土体进行设置，并假设整个基坑进行1 道初始平衡，然后进行4 道分段开挖。首先进行第1段挖土，深度控制在2.4 m，基坑采用土钉墙进行支护；待前一步达到稳定后，进行第2段挖土，其深度控制在5 m；在土钉作业完成并达到稳定后，进行灌注桩的施工作业，作业完成后进行压顶梁浇筑，然后进行第3段挖土，在灌注桩顶作业预应力锚杆，等其达到稳定后，进行下一层土方的挖土作业，在最后一道预应力锚杆施工完成并达到稳定后，进行最后一层土方挖土作业直至挖土作业完成。

2.2 计算结果及分析

在基坑开挖前，整个基坑土体在初始条件下只承受自身重力，其应力应变较为匀称。基坑开挖完毕后，数值模拟所得基坑最大水平向位移为12 mm，最大沉降为12.2 mm。

结合模型分析可以发现：开挖后，在土体自重和外加荷载的作用下，整个基坑周边出现上部大下部小的水平位移状况，随着开挖的跟进，土钉墙作业、排桩施工完成后，桩锚体系也出现水平位移。

另一方面，随着开挖深度的增加，基坑下部土体的自重应力减小，引起坑侧土体的变形增大。在基坑完成后，土体沉降极值出现在土钉墙顶部，这主要是土钉墙在受到荷载后变形不断增大，使得端部受力加大带动变形的原因。

在工程实际监测结果中，与模型相同位置观测点水平向位移数据为13.72 mm，沉降为12.20 mm。比较后可以发现：基坑水平位移数据与实际监测相差12.5%，而基坑沉降数据与实际监测相差11%。基于计算模型只为实际工程具有代表性的一部分，且相差均控制在15%范围内，可认为处于受控范围。

根据设计方案、数值模拟和监测结果分析可以看到：上部采用土钉墙、下部采用桩锚体系的设计中，桩锚体系会使土钉墙的受力稍大于设计值，主要是因为会形成一个后续的受力与位移[2]。

3 主要施工技术

3.1 支护施工技术

3.1.1 土钉墙施工

本工程土钉墙的施工流程为：降水→开挖工作面→修整坡面→喷射第1层混凝土→土钉定位→安设土钉→注浆→绑扎钢筋→喷射第2层混凝土→设置排水管。在土钉墙的施工过程中，应注意以下控制要点：

（a）开挖工作面时，要分层分段开挖，每段长度不得超过25 m，跳段开挖；先开挖道口工作面，待道口土钉完成后再开挖其余部分的工作面。

（b）土方开挖与设置土钉相协调，按照设计规定的分层开挖深度和设置土钉的顺序分段开挖。

（c）采取任何开挖手段时，严禁边坡壁超挖或松动边壁土体。

（d）边壁土体暴露时间不得超过规定时限。

3.1.2 土方开挖及回填

由于土体的不均匀，同时随着基坑空间扩大和加深，在挡土墙外侧土压力和水压力的作用下，支护结构可能会发生变形和位移，因此为确保基坑和围护结构的安全，在进行土方开挖前需对周边土体进行检测。

（a）本工程由西向东进行开挖，再由基坑东侧路线向北运出。考虑基坑中没有内支撑，故直接采取分层分区流水作业形式开挖，根据基坑尺寸及深度、后浇带划分4 个区块，每个开挖区块分8 个开挖层，承台采取跳挖法施工，每块每层开挖厚度不得大于1.5 m。

（b）挖土在土钉支护区时，应贯彻分层、分段的环岛式挖土原则，分层土方的开挖厚度为土钉上下排的垂直间距，到上层土钉墙全部施工完毕保养72 h后方可开挖下层土方，分段长度控制在25 m左右。

（c）挖出土应及时运出场地，同时对运土车及挖机停留、运行路线进行加固，以确保土体的稳定。

土方的回填必须严格按照设计及规范要求分层分段压实回填，控制回填土的含水率和干密度等。本工程基坑开挖量大，深度深，所以土方的回填是一个重点。本工程主要采用以下措施进行土方的回填：

（a）基坑外围回填土材料应采用黏性土，填土中不得含有草、垃圾等有机质；

（b）现场挖出的淤泥、杂填土及有机质含量大于8%的腐殖土不能作为回填土，其余的土可作为回填土；

（c）回填前应对备用的回填土进行试验，确定最佳含水量，并做密实性试验；

（d）回填土应分层夯实，回填土辗压密实度需大于94%；

（e）当有地下管线复位等工程时，土方回填需要与管线施工密切配合，协商进行。

3.2 基坑降排水

本工程基坑内外采用自流深井降低地下水位，深井井底标高为－20.50 m。坑内共设自流深井45 口，间距约20 m；坑外共设自流深井61 口，间距约12 m。同时，为了避开承台、地梁、后浇带等位置，对深井位置进行了适当调整，并实施预打设。

基坑外地表排水具体措施为：表层土开挖后，在基坑周边砌筑300 mm（宽）×500 mm（深）的排水沟，内侧用水泥砂浆抹面，拦截雨水及深井降水抽出的水，汇总流入集水井最终流入市政管网。

3.3 基坑监测

为保证基坑的安全施工，以及避免因基坑变形过大而导致周边建筑、管线等发生倾斜或破坏，本工程在施工过程中对基坑的侧向变形和沉降等内容进行了实时监测。主要监测内容有：基坑深层土体水平位移、地下水位、锚杆轴力和周围市政道路及管线的沉降。

监测工作从布点、读取初读数开始，开挖期间一般每天监测1 次，并形成相应报表，及时上报有关单位。

4 结语

本工程在施工前，利用FLAC3D对深基坑的开挖及支护进行模拟，能够准确地预测工程施工对周边环境产生的影响，为支护结构的优化提供了有力的技术支持。

在施工过程中，对主要的施工环节如土钉墙施工、基坑降排水等，通过分段分层开挖、合理布置自流深井等手段，有效地控制了基坑变形，从而较好的保护了基坑周边建筑及市政道路和管线，达到了理想的效果。

此类工程支护结构只能应用在特定的工程水文地质条件中，如果土的物理力学性质较软弱，地下水位较高，则不能使用。