环形内支撑的深基坑工程设计与施工探究

王慧峰

随着我国经济社会的进步和城市化进程的快速发展，像上海这类超大城市土地资源紧张日益加剧，城市建设和地下空间开发已高度发达。各类高层建筑和地下空间设施每日仍在建设，但均面临着场地空间有限、周边环境复杂的窘境，因此上海地区各类建设项目中深基坑工程几乎成为标配。建筑的质量安全始于根基，高质量基坑工程是建筑牢固的根基,如何既确保深基坑本体、周边环境安全又经济快速地完成深基坑工程，成为建筑工程的重中之重。因此必须研究深基坑工程设计、施工全过程新理念、技术。

上海某产业园研发办公楼工程，基坑形状呈不规则多边形，开挖面积约为13540m2，基坑周长约为510m，开挖深度一般区域为10.45m、局部深坑加深2.5m。上海属软土地区，本工程基坑开挖深度内均以软弱的粘性土为主，坑底层淤泥质粘性土，土体呈流塑状态，易产生明显坑底隆起现象，从而易引起坑外地面沉降。拟建场地浅部地下水属潜水类型，承压水主要为深部第1 层中的、承压水埋深一般在3m～12m，低于潜水水位，并呈周期性变化。本工程基坑西侧邻近运行中的门架行车基础，南、东侧邻近已建建筑物，地下车库边线至建筑物边线最近距离分别为18.0m、5.8m，北侧邻近市政道路，四面分布地下管线，周边环境较复杂。本工程基坑开挖深度较深、面积大，基坑围护结构平面形状不规则，对围护结构平面布置较为不利，最终在上海地区属较早采用大直径环形内支撑支护结构体系：钻孔灌注桩+三轴搅拌桩止水帷幕+二道钢筋砼支撑（圆环+角撑结合边桁架）。本文结合该工程案例，对深基坑支护结构选型设计、深基坑土方开挖技术、深基坑工程安全重点问题实施策略进行了分析探讨。

1.深基坑支护方案选型设计分析

1.1 深基坑支护方案的分析及确定

本工程结合本地区大量基坑工程经验充分考虑了以下要素：

（1）充分考虑周边环境的要求，确保基坑施工过程中对其的影响在其允许的变形范围内；

（2）满足基坑围护体自身安全及稳定性，防止失稳、坍塌、倾覆、突涌等隐患的发生；

（3）在安全的前提下，尽量选择经济合理的围护方案，有效控制基坑作为临时工程的资源成本的投入；

（4）充分考虑到施工的可行性及方便性，施工方便则便于管理及控制，并可节省工期，从而减少基坑的时空效应对周边环境的影响。

1.2 围护结构选型

根据上海地区类似工程经验，通常的围护结构形式有SMW 工法、钻孔灌注桩＋止水帷幕、地下连续墙等围护主体结合内支撑的方式。

1.2.1 SMW 工法的特点

（1）施工占用场地小，需利用的围护宽度小，所用型钢可回收，有明显的经济优势；（2）型钢在拔设过程中，易引起周边土体扰动，对周边环境产生二次影响；（3）围护结构刚度相对较小，对控制围护体位移不利，适用于饱和粘性土地区开挖深度7m 以内的基坑（若土体强度较好，开挖深度10m～11m 以内的基坑亦可考虑此方案）。

1.2.2 地下连续墙围护体特点

（1）地下连续墙工艺日益成熟，尤其在深大基坑工程和环境条件要求严格的基坑工程，以及围护墙和地下室外墙“两墙合一”的结构形式中成为常用围护形式；（2）同时具备挡土、止水作用，侧向刚度大，但由于施工设备的限制，墙幅宽度选择性较小（一般为0.6m、0.8m、1.0m、1.2m）；（3）施工工艺复杂；（4）地下连续墙如仅仅作为临时围护结构，围护造价昂贵，无论从资源的节约还是从环保的角度来看，都是极不合理的。

1.2.3 钻孔灌注桩+止水帷幕围护体特点

（1）施工工艺成熟，是上海地区开挖深度在15m 范围以内的深基坑普遍使用的围护方案；（2）钻孔灌注桩施工时对周围环境影响小，且桩径可变可以根据周边环境控制要求调整合理的侧向刚度；（3）围护桩自身不能兼起止水效果，需在外侧另设止水帷幕；（4）止水帷幕根据工程特点及基坑开挖深度，以及经济性等综合因素，可选择三轴、双轴水泥土搅拌桩或高压旋喷桩等。本基坑距离用地边界较近，且开挖深度深，故可采用防渗性能好、占地面积小的三轴搅拌桩进行止水；（5）钻孔灌注桩＋止水帷幕围护方案通过大量工程的经济技术分析，开挖深度在15m 范围以内的深基坑，其较地下连续墙方案具有明显的经济优势[1

]。

基于对以上三种围护结构特点的对比分析，结合本工程主体结构特点、基坑的开挖深度、面积及周围环境因素，通过对工期、成本、周边环境的影响等因素的综合考虑：本工程不宜采用SMW工法围护方案；地下连续墙虽然方案可行，但从经济角度考量造价过于昂贵，不适用；而采用钻孔灌注桩+三轴搅拌桩止水是合理及可行的方案。因此，本工程采用钻孔灌注桩+三轴搅拌桩止水的围护结构形式。

1.3 支撑体系选型

支撑体系的选型应在安全的基础上，尽可能考虑到有利于挖土、出土和提高施工效率，减少基坑整体工期及相关费用。内支撑体系主要有以下两种：

1.3.1 钢支撑特点

（1）最大的优点就是安装速度快，施工拆除方便；（2）为现场安装，整个体系的焊缝质量、整体性和平直度不易控制；（3）钢支撑较钢砼支撑刚度要小，限于其拼装特点，适用于形状规则、跨度不宜过大的基坑；（4）作为对撑时传力路线明确、效果较好，但作为角撑等斜向受力杆件时，效果较差。

1.3.2 钢筋混凝土支撑特点

（1）能根据基坑的具体形状选择合理的布置形式；（2）能够通过选择合理截面尺寸，调整支撑刚度，从而控制围护变形；（3）布置灵活，便于分块施工，可预留较大出土空间，同时，钢筋混凝土支撑能与挖土栈桥或平台相结合，均可方便土方开挖，加快速度，缩短工期；（4）为现场浇筑，施工简单，质量易控制；（5）支撑养护期较长，且支撑拆除也较钢支撑复杂。但可采取在砼中掺早强剂或选用高标号水泥等措施，在一定程度上缩短养护期。

基于以上分析，结合本工程基坑特点并考虑围护结构对变形控制要求较高，支撑系统采用刚度较好的钢筋混凝土支撑，支撑平面布置以圆环+角撑结合边桁架的形式，支撑体系整体性好，受力明确；结合地下中楼板位置设置二道内支撑。

1.4 深基坑支护方案介绍

综合前述围护结构和支撑体系选型分析，根据本基坑实际情况，同时考虑造价、工期、变形、施工方便性等方面因素，经基坑各项稳定性验算确定的：钻孔灌注桩+三轴搅拌桩止水+二道环形钢筋砼支撑的深基坑支护方案如下：

1.4.1 围护桩（钻孔灌注桩＋三轴水泥土搅拌桩）

一般区域钻孔灌注桩为Φ850mm@1050mm，桩长为21.0m；局部深坑靠边区域灌注桩为Φ900mm@1100mm，桩长为24.0m。

钻孔灌注桩外侧采用三轴水泥土搅拌桩3Φ850mm@1200mm（水泥掺入量20%）作为止水帷幕。

1.4.2 支撑系统

（1）水平支撑各构件断面尺寸：第一道支撑，围檩1200mm×800mm、主撑800mm×800mm、联系杆700mm×800mm，圆环支撑1600mm×800mm。第二道支撑，围檩1300mm×800mm、主撑900mm×800mm、联系杆800mm×800mm，圆环支撑1800mm×800mm。

（2）立柱和立柱桩：土方开挖期间需要设置竖向构件来承受水平支撑的结构自重及栈桥上的活荷载，立柱，坑底以下采用Φ800mm 钻孔灌注桩，有效桩长18m（非栈桥区域）、20m（栈桥区域）；考虑格构柱轴压稳定性，坑底以上立柱采用4L140mm×14mm 拼接的480mm×480mm 断面型钢格构柱，格构柱插入立柱桩内2.5m。

1.4.3 降水（疏干）

由于本工程基坑开挖深度较深，应采用深井降水，并由专业施工单位进行专项深井降水设计。降水有两个目的：疏干开挖深度范围土体、改善土体物理力学指标。

1.4.4 坑内加固及其他

基坑四周均匀设置坑内加固，坑内加固采用双头水泥土搅拌桩2Φ700mm，厚4.2m，水平排距500mm，竖向排距1000mm，搭接为200mm，桩长7.0m。靠边深坑结合暗墩加固封底。

2.深基坑土方开挖和基坑支护配套施工策略

2.1 深基坑土方开挖

深基坑土方开挖应充分结合基坑支撑结构形式，确立“阶段分区、分层对称，开槽支撑、先撑后挖，严禁超挖”的基本原则。

根据本工程支撑体系的结构特点，土方开挖分三个阶段实施，穿插两道支撑结构施工：

第一阶段挖土，由场地自然标高开挖至第一道支撑梁垫层底，开挖深度约1.660m。采用“岛式”开挖，沿基坑周边四象限分区、对称向环形支撑内圈后退一次开挖，留出中心岛。支撑梁垫层随挖随浇，每个分区土方、垫层完成后，第一道钢筋砼支撑及时跟进分区分段施工。第一阶段中心岛土方在第一道砼支撑养护期间进行开挖，并预留出土通道。

第二阶段挖土，由第一道支撑梁垫层底开挖至第二道支撑梁垫层底，开挖深度约为5.5m。基本同第一阶段分区，同样采用“岛式”开挖法，本阶段开挖深度大于4m，采用分区分层开挖。最上层中心岛土体在第一层取土时全部挖除，并预留出土通道。合理利用中心岛区布置大挖机装载土方，土方车可停留在栈桥或直接利用出土通道进入基坑运载土方。中心岛第二、三层土方可暂时留置在基坑内，待第二道砼支撑基本完成时同时挖除中心岛区域土方，并回填、修筑出土通道。

第三阶段挖土，由第二道支撑梁垫层底开挖至基础底板垫层底，开挖深度3.0m。按基础底板后浇带将基坑底部自然划分了5 个区块，按5 区分区、分层尽量对称开挖，每区块按“盘式”挖土法，小型挖机掏挖桁架梁内土方，进入第二道支撑梁下方后，往基坑周边修整土方并由第一道支撑栈桥板上的长臂挖机装车外运；往基坑中心方向，小型挖机分层阶梯式挖土、退行转运至出土通道前平台，由大挖机装车经中部出土通道外运。基础垫层应随挖随浇筑，且垫层砼必须施工到围护桩边完全封底。

2.2 土方开挖过程中重点问题实施策略

（1）第二阶段土方开挖必须待第一道水平支撑体系养护到设计强度的80%后才能开始，第三阶段土方开挖同理，真正做到“先撑后挖”才能确保深基坑围护结构安全；（2）坑底预留30cm 土方改用人工扦土，禁止挖机在坑底返复进行碾压，以免坑底原土扰动、形成橡皮土，严重时引发坑底渗水、泥沙、突涌；（3）扦土人工配备充足，由关砌分组带领，精确控制测量标高，快速后退清理坑底，减少坑底暴露时间；（4）严禁挖机直接碾压通过支撑梁，严禁挖机碰撞支撑梁、竖向支撑构件，确保基坑支撑体系稳定。（5）开挖前必须先降水，降低地下水位保证地下水位离挖土面0.5m～1.0m 以上，配足坑底明（暗）排水设施设备，疏干开挖深度范围土体，不仅方便土方外运，且能提高被动土压力。

3.基坑维持期的深基坑安全与环境变形监测

土方开挖完成即刻进入地下结构施工阶段，我们称之为基坑维持期。支护结构在基坑维持期内为深基坑安全发挥着至关重要的作用，但同时支撑体系又对地下结构正常施工形成障碍。因此必须合理设置、高质量施工换撑结构。

3.1 换撑结构设置及施工

（1）尽快施工基础底板，底板与围护墙之间空隙下部用砂石填实，上部浇筑30cm 厚C30 素混凝土传力带。利用素砼传力板带与基础底板形成完整对撑，即可拆除第二道水平支撑，完成一次换撑。如此，可在确保基坑稳定的情况下顺利施工地下二层外墙及中楼板。不可忽视的一个问题是：由于本工程地下室面积较大，基础底板上留置了纵横四道后浇带，初期底板断开被分成五块，并不能形成贯通的对顶支撑。通过设计计算，在后浇带内竖向中部偏上处连续预埋工字钢传力杆，传力杆水平间距1.5m。如此可真正形成对顶支撑，保证底板不位移、基坑不变形、失稳。

（2）施工中楼板，并在中楼板与围护墙之间浇筑20cm 厚C30 钢筋混凝土换撑板带。同理，中楼板上的后浇带中部预埋水平间距1.5m 工字钢传力杆，在楼梯间、汽车坡道等大开口顶部预埋DN300钢管传力杆。如此，利用中楼板换撑板带与中楼板及传力杆件形成完整对撑，即可拆除第一道水平支撑，完成二次换撑。继续地下一层外墙及顶板施工。

（3）地下结构施工至出±0.000，基坑周边空隙砂石回填完后，并不代表基坑工程安全结束。为满足地下室抗浮计算，必须在地下室顶板覆土、主楼结构封顶后，才能拆除坑内深井降水井点、停止降水。

3.2 环境变形监测

（1）根据本工程基坑特点、周边环境情况，结合基坑支护特殊结构型式，按照安全、经济、合理的原则，测点布置主要选择在3 倍基坑开挖深度范围布点，须监测的项目有：建构筑物（房屋+相邻围墙+行车）垂直位移；地下管线垂直、水平位移；地表沉降剖面监测；围护顶部垂直、水平位移；围护结构侧向位移；坑外土体深层侧向位移；立柱桩垂直位移监测（立柱隆沉）；砼支撑轴力监测；坑外潜水水位观测。

（2）在基坑开挖过程中，由于地质条件、荷载条件、材料性质、施工条件和外界其它因素的复杂影响，很难单纯从理论上预测工程中可能遇到的问题，不能全面而准确地反映工程的各种变化。通过理论指导下有计划地进行现场工程监测，实现设计既定的监测目的，切实实现信息化施工。

（3）基坑维持期内，拆撑换撑过程中，由于后补新撑、换撑动作，明显存在应力释放过程，基坑施工监测频率应合理加密，重点关注。通过设计核算科学设置监测报警指标，给施工单位提供信息支持，做出有效的预案和应对、调整措施。

4.结语

综上所述，深基坑工程是一项复杂而艰巨的系统工程，需要工程建设参建各方密切配合。本工程通过收集该地区相关经验资料，进行分析计算，选择了科学合理的环形内支撑深基坑支护方案，在不规则多边形深基坑中得到很好的应用，有效控制了基坑围护结构自身安全性及对环境变形影响。结合支护结构形式，提出高效土方开挖方案、深基坑工程施工关键环节优化实施策略、有效管控理念，通过科学的环境变形监测实现信息化施工，推动案例深基坑工程得以经济、快速、安全顺利实施。