高低桩留土反压结合中心岛多级支护体系在临地铁深基坑中的应用

汪 浩，刘双桥，宋 志，程 康，周 钦，魏强强

(中建三局集团有限公司工程总承包公司, 湖北 武汉 430064)

0 引言

随着城市地下空间的开发，一系列规模大、难度高的深基坑工程顺利实施，我国的深基坑工程设计和施工技术不断进步。有针对性地对特定类型的深基坑工程进行优化，以达到节约造价、加快建设速度的目的，成为近年来深基坑工程设计和施工的热点。悬臂多级支护技术是近年发展起来的新型节约型支护技术，多级支护结构主要指较大、较深的基坑工程采用的多种不同形式的分级开挖支护结构。多级支护体系在方案合理情况下，次级支护结构可以有效抑制主要支护结构被动区塑性剪切带的展开，各级支护结构协同工作能力良好，整体稳定性强。但若基坑开挖深度较大，采用悬臂式分级支护结构，容易出现第一级支护深度较大、位移难以有效控制的情况。

武汉梦时代广场项目深基坑长450m，宽240m，北侧紧邻轨道交通2号线宝通寺站站房，开挖深度达17.8m。北侧整体的支护方案为3级留土反压+结构支撑，但地铁宝通寺站B出口风亭区域距离地上结构较近，若采用整体方案中的3级留土反压+结构支撑，则会导致留土区域与地上结构边线冲突，导致后期结构施工进度受到影响(见图1)。为了避让地上结构，避免地下结构施工滞后影响地上结构施工，造成整体进度缓慢，减少反压土宽度至12.65m，又将导致基坑支护结构位移增大，不满足规范要求。基于此问题，项目设计方及总包单位对方案进行了多次研究和论证，最终采用了“高低桩+桩顶斜撑+多级支护+坑内预留土+结构楼板支撑”支护体系，经工程实践证明，该方案满足工程实际需求。

图1 3级留土剖面示意

1 支护结构设计

1.1 工艺原理

主动土压力作用于第1排高位桩，高位桩通过桩及桩顶斜撑形成的支护体系达到桩撑支护的位移控制效果，斜撑将支撑力传递至第2排低位桩，形成作用于低位桩的水平和竖向作用力。通过对不同斜撑角度下的支护体系进行变形分析，在水平力足够大于竖向力情况下，支护桩变形控制和稳定性控制得到加强，特别是第1排高位桩的变形减少比较明显。

高低桩顶部设置斜撑效果分析如图2所示。

图2 高低桩顶部设置斜撑效果分析

1)设置桩顶斜撑后，第1排高位桩由悬臂桩结构变为桩撑结构，位移控制效果得到提高，第2排低位桩由于斜撑杆件竖向力的作用，结构位移不会发生大的改变，因高低桩通过斜撑形成的整体连接，使得支护体系整体稳定性安全系数大幅提高。

2)低位桩桩顶弯矩也即最大负弯矩随支撑到高位桩桩顶距离的增加而增大，由于斜撑水平分力增加，桩顶斜撑显著增加了低位桩负弯矩，低位桩为悬臂式支护，表现出正弯矩为主的形态，当高位桩传递给低位桩造成的负弯矩有限时，并不会影响低位桩的结构配筋。

1.2 设计方案

“高低桩+桩顶斜撑+多级支护+坑内预留土+结构楼板支撑”支护体系如图3所示。

图3 支护设计方案

2 施工工艺

2.1 总体施工流程

支护结构由钻孔灌注桩、预留土、斜撑杆件3部分组成。灌注桩部分包括高低桩、冠梁、桩间挂网喷混凝土；预留土部分包括预留土体及坡面喷混凝土挂网。支护结构施工完成后，随主体结构、换撑结构的进度挖除预留土方和拆除斜撑。整体施工流程：施工支护桩及高位桩冠梁→开挖至低位桩平台→施工低位桩冠梁及斜撑杆件→开挖至基底，并按设计要求留土→施工底板斜撑，挖除留土→施工先做区地下结构，并施工换撑结构，拆除钢管斜撑，回填先做区地下室肥槽→施工后做区地下结构，回填后做区地下室肥槽。

2.2 施工工况

分为7个工况进行施工，如图4所示。

图4 施工工况示意

1)工况1 支护桩及冠梁施工。支护桩采用旋挖钻机施工，钻孔桩垂直度允许偏差值0.5%，桩位允许偏差50mm；桩底成渣不应大于50mm；采用隔桩施工方式，在灌注混凝土24h后进行邻桩成孔施工，并应注意内排低位支护桩的桩顶标高控制。

2)工况2 留土开挖、施工低桩冠梁和斜撑。为控制高位桩变形，按设计要求进行留土反压，支撑杆件定位误差±20mm，均采用支撑节点坐标定位。

3)工况3 中心岛式开挖土方至基底，施工连梁，按设计要求留土反压。土方开挖应遵循分层开挖原则，留土反压区按照要求留设坡度，并进行喷锚支护。

4)工况4 施工底板钢管斜撑，应注意底板与钢管斜撑交接处节点施工，斜撑施工完成后，挖除留土反压区预留土。

5)工况5 施工先做区地下室结构，由于设置有钢管斜撑，该斜撑穿过大量地下室结构，需按要求设置钢管斜撑穿地下室结构节点。

6)工况6 施工高低桩区域楼板换撑，换撑强度达到后拆除钢管斜撑，对穿楼板区域按照节点施工完善。

7)工况7 对先做区地下室结构进行肥槽回填，并施工后做区地下室结构，最后对后做区地下室结构肥槽进行回填，地下室结构施工完成。

2.3 施工关键节点

梦时代广场北侧基坑临近地铁宝通寺站B出口风亭区域，因设置钢管斜撑导致产生底板交接处节点和大量穿楼板节点。其中2个典型节点如下。

1)钢斜撑与底板交接处节点 重点注意底板施工时预留好节点钢筋，底板混凝土强度达到5MPa即可在底板上支设节点模板，预埋支撑垫板(见图5)。

图5 钢斜撑与底板交接处节点

2)钢斜撑与外墙交接处节点 斜撑与结构板、墙交接面处为椭圆，现场实际预留洞应做成矩形，外墙处应埋设300mm高止水钢板，按照外墙施工缝处理，以免后期有渗漏风险(见图6)。

图6 钢斜撑与外墙交接处节点

3 有限元分析

3.1 建模过程

本文使用MIDAS GTS 软件计算，采用一维梁单元模拟围护桩、混凝土支撑、钢斜抛撑、楼板、柱等结构，单元截面形状及大小按实际施工图确定。通过设置梁单元的间距以实现围护桩、混凝土支撑等构件力学行为的平面模拟。

根据地铁宝通寺站2号风亭与基坑的剖面位置关系，利用MIDAS GTS 软件建立基坑开挖模型，如图7所示。

图7 基坑开挖计算模型

根据施工流程，将整个过程划分为如下8个分析步。

1)分析步1 地应力平衡。在考虑重力荷载及地面超载等先期荷载的作用下，完成内力计算，软件自动平衡地层变形，要求在本分析步完成后，地层变形量<10-5m。

2)分析步2 宝通寺站主体结构及2号风亭施工。移除车站主体结构及2号风亭范围内的土体单元，转换车站主体结构及2号风亭单元属性，激活车站及风亭的梁、柱单元，位移清零。

3)分析步3 围护桩施工，激活围护桩单元。

4)分析步4 先期开挖至楼梯间基坑底标高，施工混凝土斜撑和连梁。移除基坑楼梯间标高以上的土体，激活连梁、混凝土斜撑等结构单元。

5)分析步5 留反压土放坡开挖至地下室基底标高，施工钢斜撑。移除基坑内除反压土外的土体单元，激活钢斜撑单元。

6)分析步6 施工地下室主体结构。依次激活地下室的板、墙、柱单元。

7)分析步7 拆除混凝土斜撑、钢斜撑，施工楼梯间结构。依次移除混凝土斜撑、钢斜撑单元，激活楼梯间侧墙、板单元。

8)分析步8 施工地下室及上部结构。激活地下室结构单元、施加上部结构荷载。

3.2 分析结果

经建模分析，地层最大水平位移出现于围护桩中部，约为7.55mm；地层最大竖向位移出现于基坑底部，约为37mm。基坑反压土开挖完成后，地铁车站及2号风亭的最大水平位移约3.23mm，最大竖向位移约7.08mm。基坑开挖导致地铁车站及2号风亭的水平、竖向位移均较小。

4 施工监测

4.1 监测方案

为确保施工安全并控制对周边环境的影响，在结构施工过程中，需在结构内部埋设监测元件和监测点。

1)测斜管主要埋设于支护桩内和预留土前端，并且在支护桩内部通长埋设，用于测量桩身水平位移随深度变化关系及预留土水平位移随深度变化关系。

2)正弦式钢筋计埋设于支护桩及桩顶连梁内。在支护桩桩身前后两侧同时布设，桩身一侧按深度均布8个，在桩顶连梁内上下面各布设1个，用于监测桩身内力随深度变化情况及双排桩连梁内力。

3)在基坑外侧一定范围内设置分层沉降监测点。按等深度埋设沉降环，通过监测沉降环深度变化情况，确定不同深度处土体沉降情况。

4)轴力计布设于桩顶斜撑杆件上，用于监测桩顶斜撑杆件支撑轴力，从而评估桩顶斜撑杆件对结构楼板、柱、梁的影响。

4.2 监测结论

截至回填完成前的最后一次监测，工程北侧临近地铁施工段最大水平位移10.23mm，周边环境最大沉降量24.70mm，满足设计及地铁管理部门的要求。

5 结语

结合武汉梦时代广场项目深基坑实际情况，采用“高低桩+桩顶斜撑+多级支护+坑内预留土+结构楼板支撑”支护体系，有限元分析和监测证明，该方案满足工程实际需求，可得如下结论。

1)“高低桩+桩顶斜撑+多级支护+坑内预留土+结构楼板支撑”支护体系可增大悬臂、无支撑或少支撑支护开挖深度，从而节约造价和工期。

2)通过设置桩顶斜撑，可适当减少留土反压区宽度，同样可达到增加支护结构整体稳定性，减少位移变形，经济、环保、保证工期的目的。

3)通过有限元建模分析，从理论上保证方案实施可控，最终监测数据相对有限元分析数值偏大，考虑为支护桩底部实际情况并非完全嵌固，以及模型分析为二维，受外部沟通影响，实际该区域基坑施工周期长，水土条件更为复杂，导致变形偏大。

4)通过对施工过程中结构内力、变形、位移等监测数据的处理和信息反馈，并利用其指导现场施工，动态修正施工方法，可确保施工安全。