双排桩结构在有限空间的基坑支护中实施对策研究

黄书葵

深圳市赤湾商业发展有限公司 广东 深圳 518000

21世纪后进行大规模高层建筑建设，使得岩土工程快速发展。由于城市人口密度加大，迫切需要合理开发地下空间。目前各大城市兴建各类地下商场等，工程建设会遇到深基坑设计问题。随着超高层建筑的建设，基坑规模向更大面积方向发展。我国开始在深基坑中使用双排桩支护结构，双排桩支护结构是将密集的单排悬臂桩中部分桩向后移，沿深基坑长度方向形成类似门架空间结构体系，发挥空间组合桩的整体刚度效应。支档因开挖引起不平衡力，达到控制变形的目的。具有整体刚度大、不需加设内支撑、施工便捷等特点，适用于基坑空间较大的工程项目。

1.基坑工程概述

建筑工程发展随着科技的进步不断发展，在建筑形式上趋于复杂化，表现为城市高层建筑大量兴起、地下铁路增多、建筑集中于人口密度较大的市中心，在基坑平面外无足够空间保证工程放坡[1]。因此建筑工程需要设计大规模支护系统，工程中普遍采用的支护结构为深基坑支护结构。深基坑支护工程涉及工程结构与岩土力学等方面课题，针对基坑工程地区特点较强、施工技术较严的特点，施工中应确保做到安全可靠。

基坑工程是具有时代特点的岩土工程课题，涉及土力学中典型的强度和稳定问题，人类土木工程频繁活动促进基坑工程的发展。随着西方国家大量高层建筑的大量涌现，对基坑工程要求不断提高，迫使工程技术人员从新的角度审视基坑工程课题，使得许多新的理论方法得以出现。二战后欧美发达国家在工业化进程推动下，为修建城市地铁出现大量基坑工程。世界各国学者投入研究[2]。我国基坑工程起步较晚，改革开放初期高层建筑不断涌现，基坑开挖深度不断增加，多数城市进入旧城改造阶段，深基坑开挖为基坑工程课题注入了新的内容。

由于基坑工程复杂性，基坑工程发生事故概率很高。许多支护结构内力高于设计值，很多工程发生事故，主要对支护结构与地基相互作用问题认识不够。要求用完善的理论解决基坑支护工程中的问题，任何工程方面的课题发展是理论与实践结合促进的成果。基坑工程出现新的支护形式会带动新的分析方法产生。放坡开挖可追溯至远古时代，随着开挖深度增加，产生支护开挖。支护型式的发展有很多种，最早的基坑支护方法是放坡开挖，随后发展轻型支档结构，如锚杆支护、地下连续墙等多种支护型式。放坡开挖土方量大，很多建筑基坑采用放坡开挖[3]。支护结构原材料常用的有钢混桩，通过加固改良周围土地方法的水泥土挡墙等。钢混桩分为钻孔灌注桩、预制桩等。

2.双排桩支护结构简介

悬臂支护结构是基坑支护常见的形式。常用的有板桩墙等，将板桩墙等间隔排列形成挡土结构，嵌入土体部分提供抗力平衡基坑侧壁对支护结构施加的压力。由于施工简单，从经济性、作业性方面分析为较好的支护结构类型。适用于软土地区基坑深度不大于5m，地下水位较深地区基坑深度不大于10m。由于桩顶水平位移，随着基坑开挖深度增加，解决问题方法是对悬臂桩墙加设支撑，双排桩支护是有效技术手段。

双排桩支护结构是空间组合悬臂支护结构，在深基坑工程中得到广泛应用。将密集的单排悬臂桩中间部分桩后移，形成双排支护空间结构体系。适用于基坑侧壁安全一、二、三等级，位移较小可用于深基坑[4]。双排桩支护结构体系在基坑工程中应用始于80年代末，目前已有不少计算模型，主要根据经典土压力理论确定压力计算模型，用平面有限元法计算模型，双排桩支护结构体系研究体现在工程上的优越性。目前工程中常用的分析方法是运用极限平衡法，由于有些假定条件不符合实际，其缺点逐渐暴露。土抗力法复杂度居中，目前技术规程推荐M法，考虑支护结构与土体相互作用的影响，理论上比极限平衡法更合理。缺点是无法考虑土体本构特性。

双排桩支护结构体系为悬臂类空间组合支护，支护桩按需要采用不同的排列组合，前后排有连梁拉接，发挥空间组合桩整体刚度，支档因开挖引起不平衡力，达到控制变形与相邻 环境安全的目的。双排支护结构是在桩顶用刚性连系梁把前后排桩连接的空间支护结构，双排桩支护结构体系特点体现在前后排桩分担主动土压力，后排桩兼起支档作用；充分利用桩土作用土拱效应，增强支护结构稳定性。双排桩支护结构体系缺点是设计计算方法不够成熟，基坑周边需要一定空间。

3.双排桩支护结构在基坑中的应用

3.1 工程概况

拟建某汽车客运站位于主城区，工程占地面积约50000㎡，基坑约280×130m，局部为六层宾馆，结构采用框架结构，基坑局部开挖深度约14m。周边环境复杂，南侧为某轨道交通线。工程主体设计单位要求项目基坑围护定为永久性支护，基坑安全等级为一级。场地第四系地层厚度不大，地基主要以粘性土为主，地形地貌复杂，水文地质条件复杂，勘察期间地下水位埋深1.65-6m,区段存在不良地质作用，基坑底标高约3-10m。

图1 工程位置图

3.2 基坑支护方案

由于基坑开挖面积较大，对地面变形有严格支护要求，综合考虑道路及土层组合等条件，避免基坑开挖对地下管线及相邻轨道交通的影响非常重要。基坑大面积采用排桩加内支撑支护形式造价高，影响施工进度，难以保证安全性。采用锚桩支护锚杆施工对临近城轨线有影响。经多方案对比采用混合支护结构形式[5]。西北侧BE段采用单排桩+锚索支护形式，采用钻孔灌注桩进行支护，桩间采用φ500@1400旋喷桩止水，锚索采用7φ5/束预应力钢绞线。东北侧FG段基坑开挖深度为10.45m,前后排桩采用φ1200@1400钻孔灌注桩19.0m，连梁厚600mm，前后排桩间采用φ500@1400高压旋喷水泥土桩止水。在排桩间部分区段加设高压旋喷桩加固。

基坑开挖深度较大，基坑西侧有规划建设地铁线限制范围，三面支护特殊场地条件使得基坑设计条件复杂。项目主体设计单位要求地下室不能承担基坑侧壁回填土传递土压力。南侧AM紧邻火车站，基坑设计受环境限制，MA基坑段开挖深度为10.45m,前后排桩采用φ1200@1400钻孔灌注桩19m,连梁厚500m，前后排桩间采用φ700@1400旋喷水泥土桩止水，后排桩长为18m,坑内侧加设高压旋喷桩加固。

双排桩结构设计计算复杂，土压力难以确定，双排桩门架式支护结构需要考虑前后排桩整体抗力性能，桩间连梁作用，考虑支护中发挥的作用。目前普遍的双排桩计算模型是基于室内模型实验的平面架钢模型。假定将前后排桩与桩顶连梁视为底端嵌固，基坑开挖后连梁不产生转动，前后排桩在连梁标高处水平位移相等。

主动土压力可假定作用于后排桩，应用较多的矩形排列情况，前排桩主动土压力Eaf=△σa=ασa,后排桩主动土压力Eab=（1-α）σa.根据前后排桩滑动土体占桩后土体总量体积比例关系确定侧土压力，α=2L/L0-(L/L0）2，φ为土摩擦角，L为双排桩外侧排距；L0=Htan(45°-φ/2),H为基坑深度。将双排桩假定为钢架，对前后排桩弯矩计算，依据基坑支护技术规程，内力采用增量法计算。抗倾覆稳定性验算依据《建筑基坑支护技术规程》按单排桩考虑，计算结果满足要求。

3.3 监测结果分析

为保证施工安全性，确保紧邻轨道交通线与周边建筑安全，采用信息化施工监测。监测内容包括：深层土体侧向位移；支护结构桩钉水平位移；基坑周边地表沉降。分析BE段桩顶水平位移随时间变化曲线，基坑北侧桩锚段D3测点累计水平位移量最大，次最大点水平位移值为24.3mm，D43为AM段基坑较长边中间处冠梁水平位移，最大值为14.1mm，小于理论分析极限平衡状态位移值。土方开挖中桩顶水平位移变化随深度加大。水平位移累计变化量持续增加，桩顶水平位移曲线趋于稳定，呈现变化速率前快后慢。

比较桩锚段与双排桩支护段桩顶水平位移最大值小于单排桩最大水平位移值，为同条件下桩锚段桩顶最大位移变形值的55%，原因是单排悬臂桩增设锚索支护形式，依靠桩体嵌入基坑土深度承担桩后土压力，桩顶与桩身变形较大。双排桩顶水平位移较小，保持坑壁稳定，满足相邻施工环境安全。分析桩锚支护段CX3支护桩侧向位移情况，最大侧向位移值为40.9mm，支护结构底部位置侧向位移为0。土方进行开挖中桩体侧向位移增大，土方开挖至基坑底部，侧向位移变化速率减小，表明底板浇筑后桩体侧向位移得到控制。分析前后排桩距4m处不同时刻桩间土侧向位移变化曲线，位移曲线呈向坑内抛物线形状。随着土方开挖支护结构件土体侧向位移呈较大向坑内变化趋势，受到开挖方式等因素影响，桩体底部位置向坑外发展趋势。

结语

目前工程完成主体地下室施工。支护桩顶水平位移随基坑土体开挖增大，呈现明显抛物线型阶梯状变化。双排桩支护段桩顶水平位移较小，桩锚支护结构桩身侧向位移随开挖深度增加，曲线变化规律呈鼓肚型。双排桩支护结构整体侧向位移较小，曲线变化规律呈开口向上抛物线形状。监测结果表明该支护结构对施工场地周边环境限制的工程能满足要求。随着双排桩前后桩排距增加，不同排距转交处桩间土侧向位移值小于不同排距发生侧向变形。由于对支护结构受力机理理论研究不成熟，计算模型存在较大差异，施工中加强现场监测非常重要。