前撑注浆钢管支护体系在基坑工程中的应用

陈学成

（上海勘察设计研究院（集团）有限公司 上海200093）

0 引言

近年来随着施工技术的不断发展与进步，不同结构型式的围护体系不断涌现，且各有其特点及局限性［1］，因此结合工程的挖深、土层情况及周边环境，选择合适的支护工艺才能取得最佳的效果。前撑注浆钢管支护体系是近年发展起来的一种新型围护结构类型，使用钢构件代替传统钢筋混凝土支撑，实现无支撑直立开挖，在保证基坑安全的同时，可有效降低工程造价，极大提高挖土效率及缩短工期，该技术可广泛适用于挖深12 m 以内的基坑［2］，目前已在近百项地下1～2层项目中成功应用［3-5］。

1 工程实例

1.1 工程概况

上海市浦东新区某征收安置房项目总建筑面积165 581.41 m2，由10 幢16～18 层住宅及附属配套组成，整体设置1 层地下室，主楼采用桩筏基础，地库区域采用桩基+承台；基坑开挖面积约45 060 m2，周长约905 m，地下车库开挖深度为5.85 m，形状极不规则。

本工程西北侧为幼儿园，基坑边线距离幼儿园约10.2 m，该幼儿园为地上3 层局部4 层建筑物，采用PHC500（100）管桩，桩长31.0 m；其余三侧均为已建市政道路，道路下存在通讯、雨水、污水等多条市政管线，距离基坑边线5.7～22.9 m，周边环境相对复杂（见图1）。

图1 地下室形状及周边环境Fig.1 Basement Shape and Surrounding Environment

根据地下车库及建筑物布置，除4个角部外，其余基坑边线距离用地红线距离约2.5～3.2 m，场地利用率较高。

1.2 工程地质

上海位于东海之滨、长江入海口处，属长江三角洲冲积平原，拟建场地地貌单元属滨海平原地貌类型。勘探孔所揭露的65.0 m 深度范围内的地基土均属第四纪沉积物，主要由饱和的粘性土、粉性土、砂性土组成，根据地基土的成因、时代、结构特征及物力力学性质指标等综合分析，可划分为7 个工程地质层及亚层、次亚层（①～⑤、⑦、⑧层，上海统编第⑥层缺失），对本工程基坑有影响的主要为①～④层。

①层杂填土：场地内填土厚度在0.70～3.80 m，以碎石、砖块、建筑垃圾、生活垃圾为主，底部素填土以粘性土为主，土质松散不均，普遍分布。

②层粉质粘土：夹少量粉性土，中等压缩性，可塑～软塑状态，层厚0.50～2.10 m，填土较厚区域缺失。

③层淤泥质粉质粘性土：夹薄层粉性土，高等压缩性，流塑状态，层厚0.30～2.60 m，普遍分布。

③夹层砂质粉土：夹薄层粘性土，中等压缩性，稍密状态，层厚4.10～9.00 m，普遍分布。

④层淤泥质粘土：偶夹薄层桩粉性土，高等压缩性，流塑状态，层厚5.60～10.50 m，普遍分布。

土层物理力学指标如表1所示。

表1 土层物理力学指标Tab.1 Physico-mechanical Index

1.3 水文地质

拟建场地浅部土层中的潜水，其水位埋深随季节、气候等因素而变化。上海市年平均地下水埋深为地表面下0.5～0.7 m，低地下水埋深为地表面下1.5 m，设计时地下潜水位可取0.50 m。

第⑦层承压含水层埋深大于35.0 m，对本工程无影响。

2 基坑支护设计

2.1 工程特点

⑴面积较大，挖深较深，基坑面积达4.5万m2；基坑挖深5.85 m，属浅基坑类型中的深基坑。

⑵周边环境相对复杂，3倍基坑开挖范围内有幼儿园、市政道路及多条地下管线分布，保护要求相对较高，围护设计需充分考虑基坑开挖对已建建筑物、市政道路及市政管线的影响。

⑶基坑影响范围内第③层淤泥质土呈流塑状，其土性较差，具有含水量高、孔隙比大、强度低、渗透性差、灵敏度高的特点，土体抗侧力低，易产生蠕变；第③夹层砂质粉土渗透性较好，在动水条件下易产生流砂、管涌等不利情况；同时该层土含水量较大，止水桩宜隔穿该土层。

⑷除4 个角部外，大部分区域施工空间有限，基坑边线距用地红线仅有2.5～3.2 m。

⑸根据建设单位进度要求，施工工期较为紧张。

2.2 基坑支护设计

由于基坑边线距离用地红线较近，常规搅拌桩重力坝无施工条件，同时大面积布置支撑造价及工期代价均较大，故设计原拟采用SMW 工法桩+钢管斜抛撑［6-7］，局部重力坝的围护设计方案典型剖面如图2所示。由于项目工期要求较紧，同时有多幢主楼贴边，底板需分块形成，施工极为不便，另外基坑挖深相对较深，施工时初始变形可能较大，易对周边环境产生一定的影响。综合考虑到工期要求和施工方便，将钢管斜抛撑调整为前撑注浆钢管支护体系［8］，典型围护设计剖面如图3所示。

图2 钢管斜抛撑设计剖面Fig.2 Design Section of Steel Pipe Diagonal Bracing （mm）

图3 前撑注浆钢管支护体系设计剖面Fig.3 Design Section of Front-braced Grouting Steel Pipe Pile （mm）

其中前撑注浆钢管支护体系采用φ 273×10钢管，间距4 500 mm，桩长16 m，水平倾角45°，坑底以下设置注浆段，采用约束式注浆，单根钢管注浆量不少于4 t；坑边6 m范围设置200 mm厚配筋垫层，内配φ 10@200×200 双层双向钢筋网片；钢管穿底板区域设置环形止水钢片［9-10］。

前撑注浆钢管支护体系单桩的极限承载力标准值依照《建筑桩基技术规范：JGJ 94—2008》，按斜桩模式进行计算。结合《自稳式基坑支护结构技术标准：T/SCD A012—2018》，取安全系数为1.4。根据计算，钢管桩单桩承载力特征值约为650 kN。基坑开挖到底，如图4所示。

图4 基坑开挖到底Fig.4 Foundation Pit Excavation

前撑注浆钢管支护体系可随着三轴搅拌桩施工同步施工及养护，不占用绝对工期，可实现直立式开挖，较为便捷；同时前撑钢管与坑底配筋垫层组合有利于排桩对水平位移的控制，钢管与垫层有效连接可增强钢管压屈稳定，受压垫层反向受力可抵抗土体隆起，可大大提高支护结构的整体稳定性和抗倾覆稳定性。与传统混凝土支撑相比，避免了混凝土支撑的施工、养护及拆除，对比工期可节约3 个月以上，造价节省数百万元；与斜抛撑相比避免了主楼被切割施工及二次挖土的不利条件，同时避免了斜抛撑常规留土不当引起的初始变形过大的问题，造价较斜抛撑略高，工期约节省1～2个月。

3 承载力检测及基坑监测

3.1 前撑注浆钢管桩承载力检测

基坑开挖前随机选取3根前置式注浆钢管做静载试验，试验主要参数如表2 所示；由Q-s 曲线及s-lgt曲线（见图5）可以看出，最大沉降量为31.08 mm，单桩承载力均可达到650 kN，满足设计要求。

表2 单桩承载力参数Tab.2 Parameter of Single Pile Bearing Capacity

图5 Q-s曲线及s-lgt曲线Fig.5 Q-s Curve and s-lgt Curve

3.2 基坑监测

本工程前撑注浆钢管桩共计130 根，基坑开挖期间共对26根钢管桩进行轴力监测，根据监测数据轴力普遍在370～450 kN之间。

同时根据监测数据周边道路、建筑物及管线均小于报警值要求；CX4 基坑开挖至底板及传力带施工结束、钢管割除过程中的测斜变形如图6所示，根据施工结果来看，按照施工要求分层、分段开挖，及时浇筑垫层及底板，可以保证基坑安全性［11］。

图6 典型深层水平位移观测结果曲线Fig.6 Curve Chart of Typical Deep Horizontal Displacement Observation Results

4 工程经验及总结

⑴施工速度较快；SMW 工法施工一定距离后即可跟随施工，基本不占用绝对工期。

⑵注浆钢管桩区域应采用岛式开挖，并及时浇筑坑边配筋垫层，钢管和垫层的有效连接对控制周边变形，增强钢管压屈稳定及抵抗土体隆起极为有利。

⑶以本工程为例，注浆钢管桩区域可实现直立式开挖，避免了斜抛撑引起的二次挖土；同时解决了斜抛撑往往因留土不足导致的初始变形较大及主楼切割施工的难题。

⑷注浆钢管桩拆除较为灵活，对周边环境保护较为有利；当存在对变形要求较为严格区域时可针对性采取穿墙后拆的方式，如本工程临近幼儿园区域。

5 结语

目前本项目地下结构已施工完成，基坑已回填，注浆钢管支护体系的运用不仅满足了建设单位对工期及周边环境保护的要求；同时无内支撑设计也简化了现场的施工步骤及流程，大大提升了土方的开挖效率，对施工速度有明显的提升。