型钢水泥土搅拌墙在滨海软土地基深基坑中的工程实践

周 婉

上海建工集团工程研究总院 上海 201114

随着城市化进程不断加快，在用地愈发紧张的城市中心，结合城市建设和改造开发大型地下空间已成为一种必然[1]。超大面积深基坑工程的数量在上海地区呈现出不断上升的趋势[2]，同时上海作为典型的软土地区，地面多分布滨海沉积相的软土，其具有含水率高、孔隙比大、压缩性高、灵敏度高等地质特性，对基坑开挖影高响较大[3]。

型钢水泥土搅拌墙（SMW工法）是一种在连续套接的三轴水泥土搅拌桩内按一定间隔方式插入型钢形成的复合挡土隔水结构，在软土地基中有广泛应用。本文以上海某新建高档服装服饰生产基地项目的基坑工程设计为例，探讨型钢水泥土搅拌墙围护形式在软土地基中的应用实践。

1 工程概况

上海某新建高档服装服饰生产基地位于闵行区。拟建建筑包括1栋4层产业楼、4栋8～13层产业楼，设置整体2层地下车库。地下车库为钢筋混凝土框架结构，工程桩采用PHC管桩。本工程基坑面积约33 700 m2，周长约1 021 m，总体呈狭长梯形，普遍开挖深度10.3 m，靠边集水井深坑区域开挖深度11.6 m。

本工程东侧为莲花南路，道路下分布有少量市政管线，道路上空高压电缆线距基坑约10.3 m；南侧为规划四路、某构件厂、若干活动房及砖砌体仓库等；西侧为淡水河；北侧为南潮浜。用地红线与基坑间的距离很近，为6.2 m左右（图1）。

图1 基坑周边环境示意

2 场地地质条件

本工程拟建场地属滨海平原地貌，开挖深度范围内的土层主要包括饱和黏性土、粉性土和砂土，呈水平层理分布。场地东北角沿地下车库边线有一处暗浜，浜填土厚约1.10 m，层底埋深约3.54 m，主要为灰黑色流塑状淤泥。场地内对开挖有影响的承压含水层为第⑦层砂质粉土，其相对隔水层为第③、④、⑤1及⑥层。经初步估算，该基坑承压水安全系数均大于1.05，可不考虑承压水头对基坑稳定性的影响，但拟建场地北邻南潮浜，西邻淡水河，在基坑开挖设计与施工中仍需采取有效的防渗漏措施。

3 基坑支护方案设计

3.1 方案选型

综合分析本基坑的规模、地质条件、结构形式及工期要求等因素，总结出本工程的特点如下：

1）拟建场地除浅层一定厚度的填土和粉质黏土外，普遍分布有第④层淤泥质黏土，其厚度达12 m左右。基底标高位于该土层中，且基底以下淤泥层厚度较大。该淤泥质黏土呈流塑状态，属于高压缩性、低强度的软弱土层。

2）基坑面积及开挖深度大，时空效应显著，长时间的开敞施工会增大围护结构变形、坑底隆起和地表沉降。因此，需要通过合理的支撑平面布置和科学的整体工序安排，以有效控制基坑变形，保证工程安全实施。

3）业主方对本工程工期及造价要求较高，整个基坑开挖施工周期必须控制在6个月内。这就要求设计方合理选择支护方案和基坑分区开挖方案，施工方严格遵循分区施工流程与土方开挖要求，确保基坑现场施工的质量与安全。

针对上述特点，并结合上海地区的类似工程经验，本基坑工程曾考虑了2种支护方案：

1）钻孔灌注桩＋水泥土搅拌桩止水＋内支撑。钻孔灌注桩施工工艺成熟，围护桩刚度较大，对变形控制能力强，结合水泥土搅拌桩作为止水帷幕，弥补了自身的防渗缺点；但钻孔灌注桩的养护时间较长，造价相对较高。

2）型钢水泥土搅拌墙＋内支撑。型钢水泥土搅拌墙作为一种复合挡土止水结构，没有开槽或钻孔的工序，减少了对邻近土体的扰动，对周围环境影响小，并具有较好的刚度和止水性能，能够满足本基坑的挡土及隔水要求。同时，型钢水泥土搅拌墙养护时间短，可有效缩短施工工期、降低施工措施费，内插型钢能重复回收利用，造价较经济。

3.2 支护方案

经比选后，本基坑最终确定采用型钢水泥土搅拌墙＋内支撑的支护形式。型钢水泥土搅拌墙采用φ850 mm@600 mm的三轴水泥土搅拌桩内插H700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型钢，坑内竖向设置2道钢筋混凝土水平支撑体系，以减少围护结构水平位移，保证支护体系整体稳定（图2）。其中，水泥土搅拌桩采用套接一孔法施工，普遍区域型钢布置采用“插二跳一”形式。靠边深坑区域则采用“密插”的布置形式。2道内支撑净距达4.6 m，满足运土车行车高度要求和结构的施工空间要求。同时，考虑到基坑呈不规则长条形，为便于组织土方开挖、加快流水施工搭接速度并缩短工程工期等，支撑平面布置采用对撑、角撑结合边桁架的形式，在支撑中部留设有7个较大的作业空间。为进一步方便施工车辆的运输和挖机停靠，方案中结合支撑布置设置了部分施工栈桥，采用钢板路基箱栈桥板结合钢筋混凝土栈桥平台及坡道，以提高施工效率并降低施工技术措施费。

图2 围护结构典型剖面

4 环境影响数值分析

在型钢水泥土搅拌墙结合内支撑系统的支护方案下，为明确基坑开挖对基坑变形及周边环境的影响，本工程采用平面有限元的方法进行分析。分析时，选取基坑东侧高压电缆线位置为危险剖面，结合施工工况，模拟分析基坑、围护结构及周边地表情况，以了解在施工开展过程中周边环境的变化趋势，以便及时采取有效的控制措施。

在数值模型分析中采用Hardening-soil（硬化土）模型模拟土体，以线弹性模型中的梁板单元模拟围护结构，模型边界条件采用标准边界。施工步包括：场地平整，施工周边围护体；基坑预降水后，开挖至第1道支撑底标高，浇筑施工第1道钢筋混凝土水平支撑；分层分区开挖至第2道支撑底标高，浇筑施工第2道钢筋混凝土水平支撑；分层分区开挖土方至基底。

图3、图4给出了最危险工况下土体及围护结构的变形云图。当基坑开挖至基底时，围护结构最大水平位移30.77 mm，基坑东侧地表最大沉降18.91 mm，与规范规定的变形控制指标相比有一定的余量，表明采用型钢水泥土搅拌墙结合内支撑的围护方案能够将基坑开挖对周边环境的变形影响控制在允许范围内。

图3 开挖至基底时水平变形云图

图4 开挖至基底时垂直变形云图

5 主要技术要求

5.1 土方分层分区开挖

本工程基坑面积较大，整体呈狭长梯形状态，基坑开挖过程中产生的时空效应显著。为能在最大限度控制基坑变形以减小对周边环境影响的前提下保证施工速度，土方开挖需严格遵循“先撑后挖、限时支撑”的原则，采取分层分区分块开挖、分段施工的方法，以减少基坑开挖卸荷后围护体无支撑暴露的时间和空间。

本工程结合支撑体系的平面布置形式，采用了分层分区分块的方法进行土方开挖。按支撑道数竖向分3层进行开挖。

1）第1层土方开挖对周边环境影响较小，因此，采用由中间向东西两侧大面积退挖的方式同步开挖至第1道支撑底，之后及时浇筑形成第1道钢筋混凝土支撑和栈桥。

2）第2层土方按照尽早形成南北向对撑、减少基坑无支撑暴露时间和空间的原则，分成4个分区，各分区按盆式开挖并及时浇筑支撑，使得局部支撑系统及时形成并发挥作用，直至整个支撑体系形成。该层土方分区开挖的先后顺序为：A2→B2→C2→D2（图5）。

图5 第2层土方开挖分区示意

3）第3层土方根据基础底板后浇带位置及主楼基础位置分成2个分区，各分区按后浇带位置分块开挖。该层土方分区开挖的先后顺序为：A3→B3（图6）。

图6 第3层土方开挖分区示意

5.2 大角撑抗剪键设置

考虑到基坑呈狭长形的特点，支撑平面在4个角部均采用了3～5道角撑的布置形式。为确保在基坑施工过程中外侧的水土压力能通过支撑杆件有效传递并相互平衡，在角撑区域受力较大的第2道围檩与围护结构间设置抗剪措施（图7），控制角撑变形。

图7 抗剪键布置示意

6 结语

本工程属于深、大基坑工程，在综合考虑地质特性、周边环境条件及工期需求等实际因素后，采用了型钢水泥土搅拌墙围护结合内支撑的支护结构形式。目前，该工程全部结构施工已完成，整个基坑工程采用信息化施工和动态控制方法，通过合理的土方开挖，严格控制施工质量，基坑开挖实施过程中周边土质未出现扰动、下沉开裂及较大变形等现象，整体情况良好，为工程在既定时间内竣工提供了保障，具有一定的社会与经济效益，可为今后类似工程提供参考经验。