软土基坑围护结构水平位移控制措施

张金柱， 朱 剑， 贾 霄

(北京城建设计发展集团股份有限公司， 北京 100037)

软土基坑围护结构水平位移控制措施

张金柱， 朱 剑， 贾 霄

(北京城建设计发展集团股份有限公司， 北京 100037)

通过收集文献资料、概念分析和基于典型工程的定量计算，认为在控制围护结构水平位移的措施中，首道混凝土支撑能够避免由于轴力损失和地层预降水产生的桩顶位移，且投资增加较少，性价比较高，建议在软土基坑中优先选用；基坑内侧土加固控制基坑变形的效果很好，能减少围护结构的水平位移42%甚至更多，但投资增加较多，建议坑底以下为软土或变形控制标准较高时采用；增加围护结构截面尺寸对变形控制贡献有限，且投资较高，不建议优先选用，仅当其他控制措施无法达到设计要求时再考虑采用；增加基坑竖向支撑道数能够减少20%左右的围护结构水平位移，且投资增加幅度有限，建议变形要求较高时优先选用。

轨道交通； 软土基坑； 围护结构； 水平位移； 控制措施

《建筑基坑支护技术规程》[1]3.1.2强条规定，基坑支护应保证周边建(构)筑物、地下管线、道路的安全和正常使用。地铁工程往往位于城市已建成区，建(构)筑物和地下管线距离较近，建设环境复杂。明挖地铁车站，基坑深度一般不小于16 m，平面面积一般不小于4 000 m2，是典型的深大基坑。因此，如何保证周边环境设施的安全，是地铁车站基坑设计和施工中的重点和难点。基坑工程对环境设施的影响主要体现在坑外地层沉降上，而基坑工程自身的变形主要体现在支护结构的水平位移上，二者息息相关。一般认为，减小支护结构的水平位移是减小地层沉降的有效手段。本文拟在前人研究成果的基础上，并结合概念分析和典型工程的定量计算，初步分析常用的减小支护结构水平位移和地表沉降措施的机理、效果和性价比。希望得到基坑变形控制措施的定性和定量综合评价，供设计人员参考使用。

1 研究思路

1) 首先分析常用的基坑变形控制措施的机理和效果，然后对各种变形控制措施进行技术、经济综合比较，最后给出各种变形控制措施的适用性建议。

2) 常用的基坑变形控制措施主要有首道撑采用混凝土支撑、坑内土加固、加大围护结构截面尺寸、支撑竖向加密等方法。

2 基坑变形控制措施的机理和效果

2.1 首道撑采用混凝土支撑

2.1.1 混凝土支撑与钢支撑的刚度比较

首道混凝土支撑能够减小地表沉降基本已经成为共识，在富水软土地区应用广泛。相比钢支撑，首道混凝土支撑能够更好地控制基坑变形的原因，往往被认为是混凝土支撑具有更大的支撑刚度。

表1计算了φ609×16钢支撑间距3 m、6 m和800 mm×800 mm砼支撑间距为6 m、9 m时的支撑刚度和桩顶支点位移，计算时假定支撑长度为20 m，基坑首道撑每延米的轴力标准值为200 kN。从计算结果可以看出，对于单根支撑，混凝土支撑的压缩刚度约为钢支撑的3倍，混凝土支撑的刚度确实比钢支撑大，但由于首道撑支撑轴力往往较小，因此桩顶支点位移相差不大，例如两种支撑间距均为6 m时，支点位移仅相差1.32 mm。如果考虑到混凝土支撑往往采用更大的间距，则位移相差更小，例如钢支撑采用3 m间距，混凝土采用9 m间距，则两者位移几乎相同。因此可以得到初步结论，支撑刚度的差异不是混凝土支撑控制基坑变形明显优于钢支撑的主要原因。需要说明的是，首道混凝土支撑采用9 m间距时，端部一般设置八字斜撑。八字斜撑按600 mm×800 mm截面、斜撑在冠梁上支点与支撑支点间距3 m、斜撑与主撑30°夹角考虑，采用有限元法计算得到表1中的压缩变形量和支点位移。

表1 支撑刚度及支点位移比较

2.1.2 可避免轴力损失引起的围护结构水平位移

钢支撑由钢管和活络头组成，如图1～2所示。钢支撑架设就位后，设于活络头内部的千斤顶开始工作挤压钢支撑，达到设计轴力后，通过钢楔锁定支撑轴向变形和轴力。因此，活络头在钢楔锁定之前为可伸缩的机构，钢楔锁定后才成为单向受压的结构，钢楔的锁定效果直接影响支撑结构的支撑刚度。当钢楔锁定效果不佳产生滑移或温度变化、外力扰动产生滑移时，钢支撑轴力就会损失进而发生桩顶位移。在实际工程中，也经常发生支撑轴力损失，需要补加轴力的情况。混凝土支撑与冠梁浇筑成整体，不存在钢支撑轴力损失的问题，因此能够更好地控制基坑变形。

图1 首道钢支撑组装示意Fig.1 Assembly of the first steel bracing

图2 活络头Fig.2 disconnectable coupling

表2中收集了北京、上海、宁波等地的5个工程的监测数据[2-6]。其中上海、宁波的3个工程采用了首道混凝土支撑，北京的2个工程采用首道钢支撑。文献中的围护结构水平位移监测结果如图4所示。这些监测数据能够说明以下问题：

1) 采用首道混凝土支撑，支撑架设完成后桩顶水平位移增加量很小，即说明混凝土支撑能够有效控制桩顶变形。

2) 采用首道钢支撑，支撑架设完成后桩顶位移仍然明显增加。工程4桩顶总位移约8 mm，桩体最大位移约16 mm，支撑架设后桩顶位移增加约6 mm，增加量约占桩顶总位移的75%，约占桩体最大位移的37.5%；工程5桩顶总位移约13 mm，桩体最大位移约20 mm，支撑架设后桩顶水平位移增加约13 mm，增加量约占桩顶总位移的100%，约占桩体最大位移的60%。

以上数据和分析说明了混凝土支撑可以避免轴力损失引起的围护结构位移，从而减小地表沉降。工程3首道撑架设前桩顶位移达到了约20 mm，这里无法探究导致其桩顶位移偏大的原因。虽然初始桩顶位移较大，但架撑后位移增加量很小，这恰恰证明了即使某种原因导致桩顶初始位移较大，混凝土支撑依然能够有效控制桩顶位移。

表2 部分工程桩顶位移统计

注：案例1～5分别见图3(a)～(e)。

图3 案例1～5的围护结构水平位移监测结果Fig.3 Monitoring results of lateral displacement in case 1～5

2.1.3 可减小围护结构水平位移

郑刚等[7]在天津地铁3号线某车站基坑工程开展了现场潜水预降水试验与测试，发现基坑开挖前的潜水预降水即可引起地下地连墙向坑内的位移(见图4)。如果降水前不施工墙顶侧向支撑，地连墙将发生悬臂型侧移，实测墙顶最大侧移可达近10 mm；如果降水前施工墙顶侧向支撑，地连墙将发生内凸型侧移，墙体最大侧移发生在墙顶以下一定深度处，墙顶侧移显著减小，墙体最大侧移也大大减小。

图4 预降水试验监测结果Fig.4 Monitoring results of pre-dewatering experiment

为了控制降水引起的围护结构水平位移，设计时可以要求施工现场先架设首道支撑，再进行地层降水。但是必须注意到以下两个问题：

1) 架设钢支撑的速度要远大于浇筑混凝土支撑的速度。

2) 地层降水费用主要是电费，降水费用与降水时间成正比，施工现场在经济效益的驱动下，会尽量减少降水时间。

基于上述分析和现场调研发现，首道撑采用钢支撑时，为加快施工进度，现场往往先降水后架设首道支撑；首道撑采用混凝土支撑时，为了节省降水费用，现场往往先架设首道支撑再进行施工降水。从这个角度分析，混凝土支撑相比钢支撑能够更好地控制围护结构水平位移。

2.2 坑内土加固

2.2.1 水泥固化土的强度

对于软土基坑，尤其是坑底位于淤泥和淤泥质土的基坑，为了保证基坑安全，控制围护结构变形，往往会进行坑底加固，加固工艺一般采用三轴搅拌桩加固。为了减少加固量，一般采用“抽条+裙边”的方案，最常见的抽条加固为宽度3 m，净距3 m，裙边宽度3 m，抽条和裙边加固深度为坑底以下3 m。坑底加固区水泥掺量一般为18%，即强加固区；地面至坑底部分水泥掺量一般为8%，即弱加固区。强加固区一般要求无侧限抗压强度为0.8～1.2 MPa，根据现场检测结果和实际开挖观测情况，强加固强度均能满足要求。弱加固强度一般不作要求，但从现场开挖后的情况看，加固体强度均有显著提高。现场加固效果如图5所示。

图5 南京某地铁车站坑内土加固效果现场Fig.5 Reinforcement effect of the soil pit in a metro station of Nanjing

许宏发等[8]试验结果表明，水泥掺量为7%～20%时，水泥固化土抗压强度与水泥掺量接近线性正比关系，7%掺量的水泥土抗压强度为18%掺量水泥土抗压强度的57.5%(见图6(a))。

张天红等[9]试验结果表明，水泥掺量为5%～10%时，水泥固化土抗压强度与水泥掺量接近线性正比关系，5%掺量的水泥土抗压强度为10%掺量水泥土抗压强度的60%(见图6(b))。

汤怡新等[10]试验结果表明，水泥掺量为5%～10%时，水泥固化土抗压强度与水泥掺量接近线性正比关系，5%掺量的水泥土抗压强度为10%掺量水泥土抗压强度的20%～35%(见图6(c))。

图6 试验成果Fig.6 Experiment results

阮锦楼等[11]试验结果表明，水泥掺量为10%～50%时，水泥固化土抗压强度与水泥掺量接近线性正比关系，10%掺量的水泥土抗压强度为20%掺量水泥土抗压强度的50%(见图6(d))。

在笔者了解到的实际工程中，弱加固区的强度现场均未检测，也未查到相关文献资料，本文根据上述文献资料成果和强加固区的无侧限抗压强度一般不小于0.8 MPa的现场检测结果推断，弱加固区的无侧限抗压强度一般为0.16～0.4 MPa。需要说明的是，上述文献资料成果基本为室内试验结果，与实际工程会有差异，且强弱加固区加固体的强度比例与地层条件和加固工艺息息相关，因此本文推断的弱加固区强度仅为无检测结果条件下的暂估值。

2.2.2 水泥固化土的抗剪强度指标

基坑计算时需要输入土体抗剪强度指标c值和φ值，下面主要探讨加固体的c值、φ值及其与原状土的差异。

1) 加固体的内聚力。马军庆等[12]研究(见图7)认为，水泥土的无侧限抗压强度qu与内聚力c之间的关系式为

(2)

图7 水泥土抗压强度与内聚力的关系Fig.7 Relationship between compressive strength and cohesion of cement-soil

根据公式(2)和本文2.2.1节中暂估的加固体强度，强加固区内聚力c=176.6 kPa，弱加固区内聚力c=67.2～116.5 kPa，可见无论强加固区还是弱加固区，内聚力均较大。即使与性状良好的黏性土相比，c值也有较大幅度的提高。

2) 加固体的内摩擦角。马军庆等研究认为，内摩擦角与土中粗颗粒含量的多少有关，粗颗粒含量越多，内摩擦角φ越大。淤泥水泥土φ=25°～30°，黏土水泥土φ=27°～32°，粉土水泥土φ=30°～35°，含砂质水泥土φ=34°～40°。抗压强度小时取小值，抗压强度大时取大值。根据该研究成果，对于应用加固最多的淤泥和淤泥质土，强加固区水泥土内摩擦角可取30°，弱加固区水泥土内摩擦角可取25°。

2.2.3 对基坑围护结构水平位移的影响

以南京某地铁车站工程为例，对比分析地层加固对围护结构水平位移的影响。该地铁车站总长为160.7 m，标准段宽为20.7 m，标准段底板埋深约为16.75 m。采用明挖顺作法施工，支护结构体系为“地下连续墙+水平内支撑”，首道撑采用混凝土支撑，其余采用钢支撑。地质条件较差，采用三轴搅拌桩工艺对坑内被动区土体进行“抽条+裙边”加固，抽条和裙边宽度为3 m，抽条净距为3 m，加固深度为坑底以下3 m。坑底以下为强加固区，水泥掺量为18%，坑底以上为弱加固区，水泥掺量为8%。

根据本文2.2.1节，坑底强加固区水泥土无侧限抗压强度按0.8 MPa考虑，弱加固区水泥土无侧限抗压强度按0.16 MPa考虑。根据本文2.2.2节，计算得到强弱加固区加固体的抗剪强度指标如表3所示。

表3 南京某地铁基坑的地层抗剪强度指标

土体加固后，c值和φ值提高，m值提高，从而起到抑制基坑变形的作用。抽条加固面积为50%，偏于安全不考虑裙边作用时，坑内土体的m值可取原状土m值和加固土m值的平均值。根据《建筑基坑支护技术规程》4.1.6条，m值计算公式如下：

m=(0.2φ2-φ+c)/vb

(3)

式中,vb=10 mm

根据公式(3)计算得到的原状土和强弱加固区加固体的m值如表4所示。

表4 南京某地铁基坑的地层m值

采用同济启明星深基坑支护设计软件和荷载结构模型，计算得到围护结构最大水平位移如表5所示。

表5 南京某地铁基坑的围护结构水平位移计算值

可见，地层加固能够明显减小围护结构的水平位移，仅考虑强加固区作用时，围护结构最大水平位移减少了29%，同时考虑强加固和弱加固作用时，围护结构最大水平位移减少了42%。同时应注意到，地基加固后能增强基坑稳定性，可适当减少围护结构的插入比，该有利方面本文暂未考虑。

2.3 加大围护结构截面尺寸

加大围护结构截面尺寸，提高围护结构刚度，能够有效减少围护结构的水平位移。对于软土地区的地下2层地铁车站基坑，常用0.8 m厚连续墙，变形要求较高时也可以考虑采用1 m厚连续墙。围护结构的每延米截面惯性矩和围护结构最大水平位移如表6所示。

表6 不同厚度连续墙的截面惯性矩和最大水平位移

根据计算结果，相比0.8 m厚连续墙，1 m厚连续墙围护结构刚度增加了95%，围护结构最大水平位移减少了18.6%。

2.4 减小竖向支撑间距

基坑支撑的竖向间距越小，支撑体系的刚度越大，对围护结构的支撑作用也越强。对于地下两层站基坑，有设置竖向3道支撑和4道支撑2种方案，也有设置倒撑和不设置倒撑2种方案，组合起来是4种方案。以800 mm厚连续墙为例,对支撑不同支撑方案的变形控制效果进行比较(见表7)。

表7 不同型号围护结构的最大水平位移计算值

根据计算结果，相比3道支撑，3道支撑+1道倒撑围护结构最大水平位移减少5%，4道支撑围护结构最大水平位移减少16%，4道支撑+1道倒撑围护结构最大水平位移减少22%。同时应注意到，支撑竖向加密后，可减小围护结构内力，并减少围护结构的含钢量，该有利方面本文暂未考虑。需要说明的是，上述位移计算结果为针对某工程案例计算所得，其规律具有普遍性，但具体的定量关系不具备普遍性，竖向支撑数不同时围护结构水平位移的比例关系，与工程水文地质条件、开挖步序、各道支撑的竖向标高等因素有关。

3 软土基坑变形控制措施的性价比分析

基坑设计，既要保护环境，又要经济合理，因此对本文介绍的4种变形控制措施进行技术、经济分析。由于物价存在地域性和周期性，因此在经济分析中，综合经济指标与工程所在的地区和建设时间有关，本文中为估算值(见表8、9)。

表8 综合经济指标估算值

表9 各种变形控制措施经济、技术对比

4 结论

本文对首道撑采用混凝土支撑、坑内土加固、加大围护结构截面尺寸、支撑竖向加密4种基坑变形控制措施的机理和效果进行了分析，并结合变形控制效果和工程投资对4种措施进行了综合比较，得到以下结论和建议：

1) 首道混凝土支撑能够避免由于轴力损失和地层预降水产生的桩顶位移，且投资增加较少，性价比较高，建议在软土基坑中优先选用，也可与其他变形控制措施混合使用。

2) 基坑内侧土加固控制基坑变形的效果很好，能减少围护结构的水平位移42%甚至更多，但投资增加较多，建议坑底以下土为软土和变形控制标准较高时采用。

3) 增加围护结构截面尺寸对变形控制贡献有限，且投资较高，不建议优先选用，仅当其他控制措施无法达到设计要求时再考虑采用。

4) 增加基坑竖向支撑道数能够减少20%左右的围护结构水平位移，且投资增加幅度有限，建议变形要求较高时优先选用。

[1] 建筑基坑支护技术规程：JGJ—2012[S].北京：中国建筑出版社，2012.

Technical specification for retaining and protection ofbuilding foundation excavations： JGJ-2012[S]. Beijing： China Building Material Industry Publishing House， 2012.

[2] 贾坚,谢小林.上海软土地区深大基坑卸荷变形机理[J].上海交通大学学报,2009,43(6):1005-1010.

JIA Jian, XIE Xiaolin. Unloading deformation mechanism of deep-large excavation in Shanghai clay area[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2009, 43(6): 1005-1010.

[3] 丁智,王达,虞兴福,等.杭州地铁新塘路、景芳路交叉口工程深基坑监测分析[J].岩土工程学报,2013,35(增刊):445-451.

DING Zhi, WANG Da, YU Xingfu, et al. Monitoring and analysis of deep foundation pit at Xintang Road-Jingfang Road cross of Hangzhou metro[J]. Chinese journal of geotechnical engineering， 2013, 35(Supplement): 445-451.

[4] 沙爱敏,吕凡任,邵红才,等.某商业中心深基坑变形监测与分析[J].施工技术,2014,43(4):101-104.

Sha Aimin, Lü Fanren, Shao Hongcai, et al. Monitoring and analysis of a deep foundation excavation[J]. Construction technology， 2014, 43(4): 101-104.

[5] 常江,张君.北京地铁义和庄站基坑支护结构及变形监测[J].中国安全生产科学技术,2009,5(3):149-153.

CHANG Jiang， ZHANG Jun. Support structure and deformation monitoring of excavation Pit in Yihezhuang station of Beijing subway[J]. Journal of safety science and technology, 2009, 5(3): 149-153.

[6] 李涛,周妍,宋常军,等.北京地铁6号线一深基坑监测与分析[J].基础与结构工程,2011,29(5):117-120.

Li Tao， Zhou Yan， Song Changjun, et al. Monitoring and analysis of a deep foundation pit of Beijing Metro Line 6[J]. Foundation and structure engineering， 2011, 29(5): 117-120.

[7] 郑刚,曾超峰.基坑开挖前潜水降水引起的地下连续墙侧移研究[J].岩土工程学报，2013,35(12):2153-2163.

ZHENG Gang， ZENG Chaofeng. Lateral displacement of diaphragm wall by dewatering of phreatic water before excavation[J]. Chinese journal of geotechnical engineering， 2013, 35(12): 2153-2163.

[8] 许宏发,马军庆,华中民,等.水泥土抗压强度经验公式研究[J].勘察科学技术,2009,(1):3-6.

XU Hongfa， MA Junqing, HUA Zhongmin et al. Study on empirical formula of cement-soil compressive strength[J]. Site investigation science and technology， 2009, (1): 3-6.

[9] 张天红,周易平,叶阳升,等.水泥土的强度及影响因素初探[J].中国铁道科学,2003,24(6):53-56.

ZHANG Tianhong， ZHOU Yiping， YE Yangsheng， et al. Intesity of cement soil and influencing factors[J]， China railway science, 2003, 24(6): 53-56.

[10] 汤怡新,刘汉龙,朱伟.水泥固化土工程特性试验研究[J].岩土工程学报,2000,22(5):549-554.

TANG Yixin， LIU Hanlong， ZHU Wei. Study on engineering properties of cement-stabilized soil[J]. Chinese journal of geotechnical engineering, 2000, 22(5): 549-554.

[11] 阮锦楼,阮波,阳军生,等.粉质黏土水泥土无侧限抗压强度试验研究[J].铁道科学与工程学报,2009,6(3):56-60.

RUAN Jinlou， RUAN Bo， YANG Junsheng, et al. Experimental study on cement-soil unconfined compressive strength of silty clay[J]. Journal of railway science and engineering, 2009, 6(3): 56-60.

[12] 马军庆,王有熙,李红梅,等.水泥土参数的估算[J].建筑科学,2009,25(3):65-67.

MA Junqing， WANG Youxi， LI Hongmei， et al. Study on the relations of cement-soil parameters with compressive strength[J]. Building science, 2009, 25(3): 65-67.

HorizontalDisplacementControlofSupportingStructureinSoftSoilFoundationPit

ZHANGJinzhu,ZHUJian,JIAXiao

(Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Limited, Beijing 100037)

By data and conceptual analysis and quantitative calculation of typical engineering, following conclusions about the horizontal displacement control of supporting structures are reached: the first concrete support can avoid the top displacement of the pile due to axial force loss and pre-dewatering, and reduce investment, which is cost-effective, and recommended as first choice for the soft soil foundation pit; deformation can be effectively controlled by strengthening the inner side of the foundation pit, this method may reduce the horizontal displacement by more than 42%, and incur higher costs, it is suggested to be used while the soil under the pit bottom is soft or the requirements of deformation control standards are strict; increasing the cross section area of the supporting structures plays a limited role in controlling deformation, which may lead to higher investment and should not be a prime choice; however, it might be adopted when the design requirements cannot be met by other measures; increasing the number of vertical supporting structures can reduce the horizontal displacement by about 20%, and will not push up the costs too much; therefore, it is recommended as the first choice when the deformation requirements are stricter.

rail transit; soft soil foundation pit; supporting structure; horizontal displacement; control measurements

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.06.011

U231

A

1672-6073(2017)06-0062-07

2017-02-16

2017-03-06

张金柱，男，硕士，从事地铁等地下工程的设计与研究，zjz_ce@163.com

(编辑：郝京红)

2017年城市轨道交通基础设施智慧建造与安全运维高峰论坛隆重召开

由中国土木工程学会轨道交通分会支持，轨道交通工程信息化国家重点实验室、中国智慧基础设施联盟(iS3)协办，RT轨道交通发起主办的“2017年城市轨道交通基础设施智慧建造与安全运维高峰论坛”于2017年10月20日-21日在无锡隆重举行。会上发布了《2017上半年中国轨道交通基础设施及智慧化发展报告》并对2017年下半年-2018年市场进行详细预测。《2017上半年报告》更着重关注中国城市轨道交通基础设施智慧建造领域，不仅对2017上半年设计咨询、土建施工、第三方监测市场进行了详细的回顾和统计，而且对中国城市轨道交通基础设施智慧建造领域的几十位专家进行详实的采访，并将采访内容整理成文，帮助读者对中国城市轨道交通基础设施智慧建造领域的概念、市场现状、现存问题及解决方案、未来发展预测等内容准确把握。

摘编自http：//www．chinametro．net/20171026