双排支护桩在基坑围护中的应用

孟 鸣

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

现代城市水利工程建设中，对运行年代久远、防洪排涝等功能衰退的水利设施的拆除重建工程越来越普遍，而在城市建设进程中，水利设施周边的临河建筑也日趋增多，导致河道两侧可供基坑开挖的施工场地十分有限，且基坑施工过程中可能产生较大的沉降和位移，对临河建筑物的结构安全造成不利影响。这种基坑施工场地受限与建筑物功能多样性之间的矛盾，在城市化建设过程中已日趋突出。本文结合上海市青浦区西大盈套闸拆除重建工程实例，通过对基坑支护结构布置方案的优化比选及相关理论计算，探讨基坑施工场地受限条件下的基坑开挖及围护方案布置，为类似水利工程施工方案设计提供参考。

1 工程概况

新建西大盈泵闸位于现有西大盈套闸外闸首处，工程主要建设内容包括：拆除现有套闸外闸首、泵闸合建15 m3/s双向泵站＋12 m闸首、建设变配电及管理房等附属设施。泵闸基坑周边无重要市政管线及地下障碍物，基坑东岸房屋建筑较为密集，西岸除内河翼墙处有厂房建筑外，其余范围主要为农田。根据泵闸总体布置情况，基坑东岸侧最大开挖深度约6.3 m，结构边墙距离东岸房屋建筑距离最近处约7.6 m，基坑西岸侧最大开挖深度约8.3 m。

本工程为拆除重建工程，基坑开挖方式受老闸两岸现有场地条件及建筑物分布情况影响较大，基坑东西两侧场地条件不同，基坑东侧有房屋建筑，施工场地有限，不利于放坡开挖，基坑西侧场地条件开阔，施工条件较好，故如何在有限的场地条件下选取合适的基坑围护型式实施基坑开挖，保护基坑周边房屋建筑的安全，同时又充分利用现场有利条件，降低临时工程投资，是本工程实施的难点所在。

2 工程地质

根据地质勘查报告，工程区域内地下水主要为潜水。场地土层自上而下分别为：素填土、粘土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粉砂、粉质粘土及粘土等，其中粉砂层为含水层，具有微承压性质，施工期需考虑在基坑内采取降排水措施，各土层物理力学指标见表1。

表1 土层物理力学指标统计表

3 基坑围护方案设计

考虑本工程基坑两岸场地施工条件各不相同，基坑围护按基坑顺水流方向分为外河海漫段、外闸首及消力池段（对应泵房及进出水池段）、内河连接段三段分别进行设计。

3.1 外河海漫段及内河连接段基坑

3.1.1 基坑围护型式

外河海漫段东岸及内河连接段西岸均有房屋建筑分布，且房屋距离翼墙结构边线最近处不足1 m，基坑最大开挖深度4.95 m，基坑开挖作业需设置围护结构后再行实施，以确保房屋建筑的稳定安全。根据水工结构，外河海漫段东岸及内河连接段西岸翼墙墙身均为混凝土灌注桩+高压旋喷桩结构，该翼墙结构可直接于岸上干地钻孔进行施工，实施完成后翼墙桩身结构即可兼做基坑围护结构。因此，外河海漫段基坑东岸及内河连接段基坑西岸在进行基坑开挖时，无需另设围护结构，考虑将水工翼墙结构进行永临结合，基坑在钻孔灌注桩翼墙的围护下垂直开挖进行施工。

外河海漫段西岸场地开阔，地势平坦，场地主要为农田，基坑开挖深度4.8 m，具备放坡开挖条件。内河连接段东岸基坑尾段有房屋建筑，且距翼墙结构边线较远，距离约13 m，基坑开挖深度5.2 m，场地施工条件较好，亦具备放坡开挖条件。因此，外河海漫段西岸及内河连接段东岸段基坑考虑采用放坡开挖。

3.1.2 基坑开挖断面

外河海漫段东岸利用混凝土灌注桩+高压旋喷桩结构翼墙作为围护结构进行垂直开挖，开挖深度4.95 m；西岸采用两级放坡开挖，开挖深度4.8 m，第一级从地面3.5 m高程以1∶2.5边坡开挖至0.0 m高程，设2.0 m宽马道，第二级从0.0m高程以1∶1.5边坡开挖至-1.3 m高程，坡面挂网喷混凝土护面。

内河连接段西岸利用混凝土灌注桩+高压旋喷桩结构翼墙作为围护结构进行垂直开挖，开挖深度4.95 m，东岸采用两级放坡开挖，开挖深度5.2 m，开挖边坡1∶1.25，在1.00 m高程设置1.5 m宽马道，坡面挂钢丝网喷混凝土护面。

外河海漫段及内河连接段基坑开挖断面见图1～2。

图1 外河海漫段基坑开挖断面

图2 内河连接段基坑开挖断面图

3.1.3 开挖边坡稳定计算

边坡稳定计算工况：基坑外侧地下水位深度0.9 m，基坑内侧地下水位高程取基坑底以下0.5 m，坡顶施工荷载取20 kPa。

稳定分析计算采用瑞典条分法，计算公式为：

经计算，外河海漫段西岸边坡稳定安全系数Ks=1.949＞Kz=1.3，内河连接段东岸边坡稳定安全系数Ks=1.611＞Kz=1.3，满足规范设计要求，表明基坑设计开挖边坡是合理的。

3.2 外闸首及消力池段基坑

外闸首及消力池段基坑主体结构尺寸50.8 m×27.5 m。基坑西岸场地开阔，地势平坦，场地主要为农田，基坑最大开挖深度8.3 m；东岸房屋建筑分布密集，房屋距离外闸首边墙结构边线最近处约7.6 m，基坑最大开挖深度6.3 m，基坑开挖作业需设置围护结构后再行实施，以确保房屋建筑的稳定安全。

考虑本段基坑面积不大，基坑开挖深度较深，西岸施工场地较好，东岸施工场地条件受限，在选定基坑围护方案时，应综合考虑周边房屋建筑结构的安全、施工便利性、现场有利场地条件、围护结构投资等因素，满足基坑开挖支护的要求。

3.2.1 基坑方案拟定

根据上述本段基坑主要特性，结合现场实际施工条件，本文拟定两种设计方案，具体分述如下：

方案一：采用内支撑围护结构型式，在基坑东西两岸分别设置垂直围护桩，两侧垂直围护桩间再设水平向钢管对撑结构，基坑在东西两侧围护桩及对撑钢管的围护作用下实施垂直开挖，围护桩采用钻孔灌注桩。围护结构型式断面见图3。

方案二：采用悬臂式双排支护桩结构+放坡开挖的型式，在基坑东岸设置悬臂式双排支护桩，进行基坑垂直开挖，基坑西岸场地开阔，采用分级放坡开挖，围护桩采用钻孔灌注桩。该方案对东侧悬臂式围护结构设计要求较高，围护结构型式及放坡开挖断面见图4。

图3 对撑围护结构断面图

图4 悬臂式双排支护桩结构+放坡开挖断面图

3.2.2 方案比选

在本工程围护结构确定时主要考虑以下因素：（1）围护结构满足空间布置要求；（2）充分利用现场有利场地条件；（3）施工方便快捷；（4）满足基坑开挖支护要求；（5）围护结构工程造价低。

上述初拟的两种围护结构型式均能满足场地空间布置要求，均具有可行性。两种围护方案特点分述如下：

方案一：围护结构占用施工场地面积小，场地适用性强，基坑土方开挖量较小，对撑支护结构受力条件好，结构稳定性好；但未充分利用西岸开阔的施工场地条件，施工工艺复杂，围护结构施工工期长，对主体结构施工干扰较大，围护结构工程量大，工程造价较高。

方案二：西岸放坡开挖占用施工场地面较大，基坑土方开挖量较大，基坑对东岸悬臂式围护结构抗倾覆要求较高；但双排支护桩为刚架结构，受力条件好，侧向刚度大，受弯及抗倾覆性能好，桩顶位移小[1]，施工工艺简单，施工方便、快捷，并可充分利用西岸可用场地条件进行放坡开挖，大大减少围护工程量，加快施工进度，较低围护结构工程造价。

根据上述两方案自身特点及工程现场实际施工条件，本着因地制宜、布局合理、降低投资等原则，综合经济、技术等因素考虑，推荐方案二为外闸首及消力池段基坑围护方案。

3.2.3 推荐方案结构设计

经上述综合比选，外闸首及消力池段基坑东岸考虑设置悬臂式双排支护桩结构后垂直开挖，西岸采用分级放坡开挖。

双排灌注桩桩径0.8 m，前排桩桩间距1.0 m，桩长19 m，后排桩桩间距1.5 m，桩长12 m，前后两排灌注桩间距2.3 m。两排灌注桩间设置高压旋喷桩止水帷幕，桩径0.8 m，桩间距0.5 m，桩长18.5 m，共设置两排，排距0.5 m，前后排错缝排列。

西岸采用三级放坡开挖，开挖深度8.3 m，第一级从地面3.9 m高程以1∶2.5边坡开挖至0.0 m高程，设置2 m宽马道，第二级从0.0 m高程以1∶1.5边坡开挖至-2.0 m高程，设置2 m宽马道，第三级从-2.0 m高程以1∶1.5边坡开挖至-4.4 m高程，坡面挂钢丝网喷混凝土护面。

3.2.4 结构稳定计算

（1）开挖边坡稳定计算

边坡稳定计算工况：基坑外侧地下水位深度0.9 m，基坑内侧地下水位高程取基坑底以下0.5 m，坡顶施工荷载取20 kPa。

稳定分析计算采用瑞典条分法，计算公式采用公式（1）。经计算，外闸首及消力池段西岸边坡稳定安全系数Ks=1.940＞Kz=1.3，满足规范设计要求。

（2）基坑稳定计算

1）计算条件

围护结构沿基坑东岸取单位长度按弹性地基梁计算[2][3]。东岸房屋建筑作用力等效为竖向分布荷载及沿基坑方向作用的力矩。桩后施工荷载考虑20 kPa。基坑外侧地下水位深度0.9 m，基坑内侧地下水位高程取基坑底以下0.5 m。基坑安全等级为三级，环境保护等级为二级。

2）支护桩顶位移及沉降计算

根据《基坑工程技术规范》，确定东岸地面最大沉降量为15.75 mm，桩顶最大水平位移18.9 mm。

由计算结果知，地表最大沉降量为15 mm＜15.75 mm，桩顶最大水平位移为10.36 mm＜18.9 mm，满足本工程设计位移及沉降要求。

经计算，前排桩最大弯矩205.26kN·m，最大剪力为106.74kN。后排桩最大弯矩339.26 kN·m，最大剪力为94.32 kN。结构内力位移包络线及地表沉降线（三角形法）见图5和图6。

图5 内力位移包络图

图6 地表沉降曲线图

3）整体稳定性验算

整体稳定性验算采用以下公式进行计算：

经计算，整体稳定安全系数Ks=2.934＞1.25（允许值），满足设计整体稳定性起要求。

4）抗隆起稳定性验算

抗隆起安全系数采用Prandtl(浦朗德尔)公式进行计算：

经计算，抗隆起安全系数Ks=2.818＞1.7（允许值），满足设计抗隆起要求。

5）抗管涌验算

抗管涌稳定安全系数按下式进行计算：

经计算，抗管涌稳定安全系数Ks=6.167＞1.5（允许值），满足规范设计要求。

（3）对房屋建筑的影响

根据地表沉降曲线，而基坑东岸房屋近基坑侧一端距基坑边约3.4 m，沉降值为11 mm，房屋远离基坑侧一端距离基坑边约59.4 m，沉降值为0 mm，则房屋的倾斜率为0.196‰，根据《上海市基坑工程技术规程》（DG/TJ08-61-2010）中有关规定，基坑附近建筑物的基础允许倾斜值为4‰，因此基坑对环境的影响满足基坑工程的环境保护等级要求。

综上述，外闸首及消力池段采用的双排支护桩围护方案能够保证本段基坑及东岸房屋建筑结构的稳定安全。

3.2.5 监测结果

通过在基坑周边埋设沉降位移监测点，可以监测围护结构的变位情况。基坑实测数据见表2。

表2 基坑监测成果与计算结果对比表 单位：mm

根据基坑监测数据，双排支护桩结构桩顶水平位移及桩后地表沉降实测值与理论值接近，且均小于理论值，因此，推荐方案维护结构稳定性比较好。

4 结语

随着城市化建设，水利工程基坑开挖可能会遇到更多的施工场地受限的问题，本文结合工程实例，将永久结构与临时围护结构有机结合，并采用单侧悬臂式双排支护桩替代内支撑围护结构型式，同时充分利用可用场地进行放坡开挖，大大减小了临时工程投资，且周边房屋建筑结构的稳定安全也得到了保障，实现了工程设计目标，可为今后类似工程的设计和施工提供参考。