组合式双排桩支护结构在软土地区基坑工程中的设计与实践

上海建工集团工程研究总院 上海 201114

1 基坑工程概况

1.1 工程概况

浦江镇125-4地块位于上海市闵行区，北邻陈行公路，南侧毗邻周浦塘，西侧为浦秀路，东侧为浦锦路。主体工程包括地上多幢高层公寓、多层商业，以及商业街、企业会所与酒店式公寓3个区域的地下1层整体车库，地下车库均为钢筋混凝土框架结构，采用桩筏基础。

基地内部地势较平坦，东侧和北侧的周边环境比较复杂：基坑东侧浦锦路下分布有3条市政管线（最近的1根电力管线进入场地内部），与基坑之间的距离为1.28～5.40 m，且在基坑开挖过程中不予搬迁，成为该侧支护结构施工的关键；基坑北侧陈行公路下埋设有多条市政管线，最近的电力管线与基坑间距4.80 m，对围护选型有一定限制。基坑南侧23 m外为周浦塘防汛通道，西侧浦秀路下的管线与基坑间距均在8.50 m之外。

基坑平面形状接近矩形，总面积约为4.70×104m2，周长约为974 m，普遍开挖深度为5.30 m。

1.2 工程地质条件

根据所掌握的地质勘察资料，本工程场地为上海地区滨海平原典型软土地层，拟建场地深55.00 m范围内的地基土属第四纪全新世及上更新世沉积物，主要由饱和黏性土、粉性土及砂土组成，一般呈水平层理分布。本基坑开挖涉及的土层主要有：②褐黄-灰黄色粉质黏土，③灰色淤泥质粉质黏土夹黏质粉土，④灰色淤泥质黏土，⑤1a灰色黏土，⑤1b灰色粉质黏土夹黏质粉土，⑥暗绿-草黄色粉质黏土。

对本工程设计及施工有影响的地下水主要是浅部土层的潜水，对混凝土有弱微腐蚀性。拟建场地潜水受大气降水及地表径流补给，地下水静止水位埋深为1.40～2.01 m，其绝对高程为2.63～3.75 m。

2 基坑支护方案

2.1 方案选型

受用地红线的限制，本基坑除西南侧的企业会所区域可采用水泥土重力式围护墙外，其他侧均缺乏足够的施工空间。

在综合考虑各方意见、场地土层条件、施工可行性、经济性等因素后，本工程在北侧商业街区域单独分坑并采用SMW工法桩+1道水平钢支撑的支护形式；东侧酒店式公寓区域为保护场地内的电力管线，在东北和东南角均采用SMW工法桩+1道钢筋混凝土角撑的支护形式，该侧中部则采用水泥土重力式围护墙内套打双排桩的悬臂自立式组合支护结构，避免了内支撑的设置，结合合理的挖土施工方案，能有效控制围护体变形，确保邻近管线的安全和正常使用[1,2]。

2.2 组合式双排桩支护结构

双排桩支护结构将前后排钻孔灌注桩通过压顶梁和横向连梁连接形成空间门架式支护结构体系，具有较大的侧向刚度，可以有效控制基坑的变形，且双排桩支护结构为超静定结构，在复杂多变的外荷载作用下能自动调整结构本身的内力，使之适应复杂的荷载条件。在本工程基坑中利用双排桩侧向刚度大的特点，作为水泥土重力式围护墙的补强措施，而搭接施工的水泥土重力式围护墙也弥补了双排桩不具隔水功能的缺陷，二者各尽所长，协同作用，形成了有效的新型挡土止水结构。

本工程中组合式双排桩支护结构的具体布置形式如图1、图2所示：水泥土重力式围护墙采用格栅式φ700 mm@500 mm双轴水泥土搅拌桩，挡墙宽4.70 m；墙内设置双排钻孔灌注桩，灌注桩选用φ700 mm@2 000 mm，呈前后排矩形对齐布置。

图1 组合式双排桩支护结构平面示意

图2 组合式双排桩支护结构剖面示意

2.3 挖土施工方案

本工程基坑面积达4.70×104m2，属于超大面积的基坑工程，施工工期较长，时间较难把握，大规模的土方开挖对周边环境影响较大，容易造成基坑暴露时间过长，对保证相邻环境的安全存在一定的风险。

因此，有必要制定合理的施工方案，通过优化挖土施工工序，并对东侧、北侧坑外管线采取针对性的保护措施，以达到控制变形的目的。具体如下[3-7]：

1）根据时空效应原理，结合基础底板和后浇带的分布情况，将整个基坑分成面积不超过2 500 m2的19个区块分层、分段进行土方开挖；

2）土方开挖过程中，应尽量缩短基坑无支撑暴露的时间和减少无支撑暴露的空间，围护体无支撑暴露时间不超过24 h，无支撑暴露宽度应小于30.00 m；

3）开挖到基底时，应及时浇筑施工垫层底板，形成刚性换撑机制，并及时反压回填土体，控制变形；

4）对于东侧、北侧紧邻管线区域，除分层、分段、跳槽开挖外，还应视情况采取诸如开挖暴露、悬吊保护等措施，以确保安全。

3 计算理论

双排桩的计算较为复杂，首先是作用在双排桩结构上的土压力难以确定，特别是桩间土的作用对前后排桩的影响难以确定，桩间土的存在对前后排桩所受的主动及被动土压力均产生影响；再者，由于有后排桩的存在，双排支护结构墙背土体的剪切角将发生改变，剪切破坏面不同，将导致土体的主动土压力发生变化。

笔者认为应综合考虑上述因素的作用，以对前后排桩所受土压力进行修正，并将水泥土重力式围护墙的抗侧刚度作为强度后备，仅考虑其防渗作用，从而建立合理的组合式双排桩支护结构简化计算模型。

3.1 计算模型

弹性抗力法是我国建筑行业规程规定的支护结构计算方法，既可计算支护结构的内力，又能粗略地考虑支护结构与土的相互作用，从而估算支护结构的水平位移，因此，在支护结构设计计算中得到了广泛的应用。

由于单桩常采用杆系有限元分析法，在该法基础上，提出基于弹性地基梁m法的弹性抗力法来考虑前后排桩土相互作用的模型。在该模型中，桩体采用弹性地基梁单元，地基水平反力系数采用m法确定，在一定程度上考虑了桩与土在水平方向上的相互作用；在桩侧设置考虑桩与土摩擦的弹性约束，并在前排桩桩端处设置弹性约束以模拟桩底反力对抗倾覆的作用，如此建立组合式双排桩支护结构简化计算模型如图3所示。

图3 前后排桩土相互作用计算模型

该模型的另一个重要特点是：考虑到双排桩间距一般较小，桩间土类似水平方向受压缩的薄压缩层，因此，采用在前后排桩之间设置弹性约束的方式来反映桩间土体压缩性的影响。

3.2 计算过程

根据上述计算模型，考虑前后排桩与连梁的变形协调，假定连梁与前后排桩顶冠梁均为刚性连接，计算本工程组合式双排桩典型剖面，具体计算过程简述如下：

1）基坑开挖深度为5.30 m，前后排桩呈矩形布置，桩径0.70 m，桩间距为2 m，入土深度均为11.20 m，桩长15.85 m；

2）连梁截面尺寸为600 mm×600 mm，排距为2.00 m，与桩顶的连接按刚接考虑；

3）桩顶冠梁截面尺寸为1 100 mm×700 mm，刚度为3.00 MN/m；

4）弹簧的反力系数计算采用m法，m值按土层性质在1.50～3.00 MN/m4间取值，桩底采用单链杆支承约束，以此代替桩土之间摩擦力的作用，水平向不约束；

5）土压力采用郎肯主动土压力计算，并考虑20 kPa的地面施工超载，内力计算按分步增量法模拟。

从计算结果（图4）可见，桩身位移呈现出典型的悬臂式挠曲变形曲线，最大位移22.60 mm发生在桩顶附近，在设计允许的变形控制值范围内[8]。

图4 内力、变形包络示意

4 有限元模拟分析

在计算分析上，传统的竖向弹性地基梁法计算简单，但是通过单一参数考虑土与结构的相互作用偏经验性，缺乏统一的标准，且无法分析基坑开挖对周边环境的影响。利用有限元法能够对邻近建（构）筑物复杂环境下的基坑施工进行模拟，并对环境的变形进行预测和分析，从而积极地采取一些措施，保护周边建筑和基坑本身的安全。

4.1 有限元模型的建立

在本基坑有限元分析中，土体采用Hardening-Soil模型，同时考虑剪切硬化和压缩硬化，围护结构采用线弹性模型，按平面应变考虑，利用对称性进行分析，并遵循Mohr-Coulomb破坏准则。

在参数方面考虑了3种应变参数：主偏量加载引起的塑性应变、主压缩引起的塑性应变以及弹性卸载或重加载的卸荷模量。

模型边界条件采用标准边界，土体采用15节点2-D等参单元，模型以开挖深度的5倍宽度为基坑影响范围，最终确定本基坑模型的总尺寸为60 m×30 m。

4.2 有限元计算结果分析

当基坑开挖至基底时，围护结构、地表沉降及电力管线位移计算结果如图5～图9所示。

图5 开挖至基底时总位移

图6 开挖至基底时水平位移

图7 开挖至基底时竖向位移

图8 双排桩前、后排桩的水平位移

图9 管线竖向位移

由图7可见，当基坑开挖至基底时，水泥土重力式围护墙顶最大侧移24.10 mm，坑外地表最大沉降-20.00 mm，对照规范允许的变形控制值尚有一定余量，表明在本基坑采用水泥土重力式围护墙内套打双排桩的组合支护方案是稳定可靠的。

图8显示开挖至基底时，组合支护结构中前排桩最大水平位移22.80 mm，后排桩最大水平位移16.90 mm，变形曲线非常接近，表明连梁刚接能够调整双排桩的变形和内力特征，减小结构位移，协调正负弯矩。

由图9可见，在基坑开挖过程中，坑外电力管线竖向最大沉降为13.00 mm，表明基坑开挖对周边地下管线的影响可控制在其允许的范围之内[9]。

5 实测数据对比分析

在本基坑施工过程中，对基坑支护体系及周边环境安全进行了有效的监测，为信息化施工提供参数。施工期间还可根据监测资料及时控制和调整施工进度及施工方法，对施工全过程进行动态控制。

现将基坑东侧组合式双排桩支护区域的基坑顶部变形及坑外管线沉降等数据整理后汇总如下：

从实际监测曲线可以看到，围护桩顶部侧向变形随基坑开挖深度的增加而迅速增长，日变量约2 mm；这种变形增长在基坑开挖至基底，底板垫层浇筑施工后逐渐趋于稳定，该阶段变形约占总位移量的15%。在土方开挖过程中，围护结构顶部最大水平位移量为28.60 mm，与数值模拟的计算结果十分接近（图10）。

图10 围护桩顶部水平位移曲线

图11是实测的坑外地表沉降曲线，在开挖初期，地面略有不规则隆起，随着开挖的进行，组合式支护结构内力调整迅速稳定，地表沉降不断增大并趋于收敛，最大变形值为-4.90 mm，表明该组合结构对环境的保护效果良好，达到了预期目的。

图11 坑外地表沉降曲线

电力管线变形与坑外地表沉降曲线趋势一致，管线最大沉降-4.10 mm，最大差异沉降2.00 mm，表明由于基坑开挖造成的管线绝对沉降及不均匀沉降均较小，经现场查看，周边路面也未出现明显裂缝，可见基坑工程在实施期间对周边环境的影响较小（图12）。

图12 坑外电力管线沉降变形曲线

6 结语

1）双排桩能够利用自身的较大刚度对水泥土重力式围护墙起到补强作用，优化围护结构尺寸，显著减小墙体位移，而水泥土重力式围护墙也弥补了双排桩无法阻隔地下水的缺陷，二者经过共同作用，其复合抗侧能力将得到显著提高。

2）监测结果表明，本工程基坑和周边环境的变形在设计要求范围以内并有良好的安全储备，表明在水泥土重力式围护墙内套打双排钻孔灌注桩形成的组合式支护结构是一种行之有效的支护方式，既能保证围护结构安全经济、有效加快施工进度并节约工程投资，又能有效保护周边敏感环境，且便于土方开挖。

3）采用基于弹性地基梁m法的弹性抗力法来考虑前后排桩土相互作用的模型进行理论分析，并结合Hardening-Soil本构模型进行基坑开挖的数值模拟，可以比较好地反映基坑变形趋势，得出比较贴合实际的结果。

4）基坑变形不仅取决于土体性质和围护结构本身，在很大程度上还受土方开挖速率和开挖方式的影响。因此，在大面积基坑开挖时，贯彻分层、分段、分块、限时开挖的原则，加强对土方超挖、围护体无支撑暴露时间和空间的控制，能有效减少围护结构侧向变形，保证基坑安全。

5）在深基坑工程实践中应加强监测措施，做到信息化施工，尤其当基坑开挖至基底时，需适当加密监测频率，结合动态监测及时采取措施、预防险情，并制定针对性应急预案，在监测值超出预警值后，迅速采取措施，确保周边环境的安全。