排桩-土钉墙复合支护体系在深基坑中的应用

孙钦宏

（中铁十六局集团城市建设发展有限公司，北京 100018）

0 引言

近年来由于各类工程项目基坑深度较深及周边环境复杂等特点，深基坑支护工程成为了整个工程项目施工中的一个重、难点工程，而复合土钉墙技术的发展大大减少了深基坑支护施工的工期和费用支出。复合土钉墙技术是将深层搅拌桩、排桩、预应力锚杆等支护结构与土钉墙结合起来[1]，互相弥补各自的技术缺点和使用限制，使其针对不同的基坑工程制定相应合理的支护方案，它可以大大的提高基坑支护的安全性和经济性，获得了越来越广泛的认可和使用[2]。

1 工程概况

1.1 工程概况

包头控制中心工程位于包头市青山区建设路与建华路交口，是包头市轨道交通、地下综合管廊的核心调度指挥机构。该工程地上结构分为主楼和裙楼两部分，主楼23 层，功能为管廊控制中心及附属办公，裙楼5 层，功能为轨道交通控制中心。地上建筑面积总计6.8 万平米。该工程地下室层数为2 层，地下建筑面积总计14300 平米。基坑平面尺寸为156.9m×52.6m，开挖深度为9.5m～11.5m。基坑西侧距离建华路约51.1m，北侧距建设路约250m，东侧距天福广场小区约100m，南临本项目二期地块，周边有电缆、光缆、燃气管道等地下管线，施工条件复杂。

1.2 地质、水文条件

1）工程地质概况

场地地貌单元为阴山山脉山前冲洪积扇边缘。

该地段属于白彦花构造凹陷盆地，该凹陷盆地为鄂尔多斯断块与阴山纬向构造带之间的构造。盆地内堆积着第三、四系的堆积物，新构造运动发育的地壳运动是以垂直运动为主，其具有孕震构造。

拟建场地内天然地层依据其岩性、工程性质不同划分为十个工程地质层位，分述如下。

2）水文地质概况

场地地下水为赋存于砾砂层的孔隙潜水，主要受大气降水补给，受气候影响较大。地下潜水稳定水位为-7.07～-10.27 米左右，根据区域水文地质资料，变化幅度为1.0-2.0 米。

2 支护方案设计

基坑围护结构类型的选择应施工中主要控制后插钢筋笼工艺及水下混凝土灌注、地质和水文地质情况、基坑特点、施工技术、工程造价以及当地施工经验等诸多因素，因地制宜，选择技术安全可靠、经济合理的支护型式。基坑的围护结构形式要尽量满足施工安全、技术成熟、环境保护、造价合理、工期短、利于文明施工等要求[3]。

表1 地质分布表

根据包头市当地经验，场地工程地质水文地质特性等综合因素，可采用的围护结构方案主要有桩撑、桩锚、土钉墙方案，分别对以下三种常见技术方案进行经济、技术比选。

2.1 桩锚方案

由于地质资料中部分土层锚固体极限粘结强度标准值较低，锚索计算长度较长，经计算第一道锚索长度为15m，第二道锚索长度为20m，局部超出道路红线。而且锚索方案遗留地下永久障碍物，本工程周边紧邻道路，可能对控制中心后期工程及周边市政工程产生影响。

2.2 土钉墙方案

由于地质资料中部分土层锚固体极限粘结强度标准值较低，土钉计算长度较长，经计算土钉最长需18m，不合理。此外由于坑底以上有砂性土层，导致受稳定性控制的放坡坡率较小，经计算为1:0.4,土方开挖回填量大，无法发挥土钉墙的优势。

2.3 桩撑方案

混凝土支撑刚度大，整体性好，对基坑变形的控制较为理想，且对周边环境影响小。经过计算仅需一道混凝土支撑加桩顶放坡即可满足要求，综合考虑工程地质条件、水文地质条件、周围环境条件、施工技术、基坑特点及工程造价等相关因素，本工程基坑支护初步拟定采用桩撑方案，降排水工程采用双轴混凝土搅拌桩止水帷幕+坑内疏干井。经计算初步图纸设定为基坑围护桩采用直径0.8m@1.2m 钻孔灌注桩，桩长17m；局部桩长20m，间距1.0m。竖向采用一道混凝土支撑，支撑水平间距为8 ～12m，混凝土支撑截面为0.8m×0.8m，系杆尺寸0.6m×0.6m。桩顶放坡4.5m～6.3m。围护桩顶设一道混凝土冠梁，冠梁尺寸为1.0m×0.8m。止水帷幕采用一排φ700mm@500mm 双轴水泥土搅拌桩。此方案最终测算造价为1352.8 万元，虽适用性较好，但总体造价较高，且施工周期长。

图1 排桩-土钉墙支护体系剖面图

综上，深基坑支护的几种常用方案因为适用性较差，均已被排除，项目组通过对周边项目的考察，查阅相关文献，考虑采用两种支护结构结合的方案，以充分做到“扬长避短”，达到满足项目施工的所有目标，即排桩-土钉墙复合支护技术。经过设计计算，维护结构方案确定如下：基坑总体方案采用一级放坡+钻孔灌注桩排桩+一道预应力锚索，坑外管井井点降水。桩顶放坡坡率根据不同区域土层特性采用1:1.3～1:1.5.围护桩采用直径0.8m@1.5m 钻孔灌注桩，桩长为13.5m～15.5m。竖向采用一道预应力锚索，锚索长度21m，水平间距1.5m，锚索材料钢绞线抗拉强度标准值为1860MPa。围护桩顶设一道0.8m×0.8m 混凝土冠梁，如图1所示。

采用排桩-土钉墙复合支护技术，具有以下明显优势：①兼有桩锚支护体系的刚度大、支护稳定性好的优点和土钉墙施工工期短、经济性好的优点，与桩锚方案相比，减少土方分层施工的间歇时间，有效缩短工期。②工程造价低，排桩土钉墙复合支护结构造价约为桩撑支护体系的60%。

3 施工与监测

3.1 施工质量控制重点

1）钻孔灌注桩

由于基底砂层中存在潜水，所以护坡桩采用长螺旋钻孔成桩、压灌混凝土、后插钢筋笼的施工工艺。施工中主要控制后插钢筋笼施工工艺和水下混凝土灌注施工过程，确保护坡桩成型后不出现断桩现象。待桩身混凝土强度达到设计值的70%后，采用低应变动测法检测桩身完整性。

2）预应力锚索

钻孔直径为150mm，钻孔过程中需用测斜仪控制钻孔方向。注浆采用二次注浆工艺，锚索安装后进行一次常压注浆，待一次注浆强度达到5MPa 后，进行二次高压注浆，确保孔内水泥浆密实。由于本工程紧邻本项目二期地块，土体内遗留的锚索很可能成为二期工程基坑施工时的障碍物，因此施工中注意严格控制孔位偏差，并对每根锚索的最终成型位置做好精确的定位记录，在竣工图上做好详细的标注，以便后期施工时作为参照。

3.2 基坑变形及沉降监测

为确保支护结构的安全，需在基坑使用周期内，在基坑周边设置监测点，对基坑进行不间断的变形监测。当监测结果超过报警值时，应及时疏散施工人员，必要时采取回填措施，保障人员人身安全[4]。监测点布置位置见图2。

图2 基坑监测点平面布置图

本工程自2017年6月土方开挖开始，至2018年3月，基坑监测数值见下表2。

表2 基坑检测结果

通过在基坑使用过程中的持续监测得到的基坑变形数值全部满足《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）[5]中的相关要求，基坑边坡和周边地面未出现裂缝，基坑安全得到有效保障[6]。

4 效益分析

排桩-土钉墙复合支护体系在本工程中应用效果良好，并取得了较大的工期效益和经济效益，较桩撑方案节省工期约1.5 个月，造价降低40%，见下表3。

通过上述效益分析，证明了排桩-土钉墙复合支护及管井降水方案在本工程中的适用性远大于桩撑形式支护及止水帷幕疏干井降水方案，且在施工和使用过程中，具有良好的可操作性。

5 结语

1）复合土钉墙支护技术在周边环境复杂的条件下，能充分发挥其“复合技术”中各部分的优点。在本工程中，排桩-土钉墙复合支护体系充分利用了桩锚结构的刚度大和土钉墙施工灵活的特点。

2）实践中，优化深基坑支护方案的目的在于使最终所选的方案能达到项目预定的安全、工期、造价等多个目标的要求[7]，方案决策问题是解决多目标情况的决定性格因素，总体支护方案的选择具有成败决定性作用。本工程中选择了排桩-土钉墙复合支护体系及管井降水方案，是本工程全面完成预设目标的前提[8]。

表3 经济效益分析表