复杂环境下深大基坑逆作法拉森钢板桩支护设计*

2021-12-10杨泽平张敏思程新俊梁海安胡光阳

建筑结构 2021年22期

李广，杨泽平，张敏思，程新俊，梁海安,2，胡光阳，曾浩

(1 东华理工大学土木与建筑工程学院，南昌 330013；2 东华理工大学核资源与环境国家重点实验室，南昌 330013)

0 引言

近年来，我国的基坑工程规模逐渐扩大加深，工程所处的地质环境也越来越复杂，这对基坑的施工以及支护结构的设计提出了更高的要求。因此，如何解决复杂环境下的深大基坑问题，相应的基坑支护结构设计和应用以及施工工法逐渐成为了广大学者的研究热点[1-2]。逆作法[3]是以地下主体结构水平梁板为内支撑，对地下结构采用自上而下施工的方法，其有缩短工期、环保等特点，目前已广泛应用于我国的深基坑工程中。例如，南京德基广场二期基坑工程采用逆作法施工，减少了大量临时支撑结构的投入，缩减了成本和工期[4]；西樵纺织科技大厦基坑工程则采用了半逆作法施工，解决了该基坑工程在地质条件较差情况下的支护难题[5]。逆作法大多以地连墙为主要的支护结构，但在建筑物紧贴基坑边线、场地施工空间十分狭窄的情况下，地连墙支护受到限制，传统逆作法将不再适用。

鉴于此，本文依托南昌胜利路人防平战结合工程，结合场地条件及基坑周围环境，分析该工程的难点，创新性地提出拉森钢板桩墙+逆作法主体结构板水平内支撑+深层水泥搅拌桩隔水帷幕的支护方案，并对该支护方案从理论提出到成功实践开展了细致的研究。

1 工程概况

本工程位于江西省南昌市东湖区胜利路、叠山路的地下空间，建设总长度为2 030m，主体宽度为15.3～18.4m。由南向北，为阳明路与胜利路交叉路口至中山路与胜利路步行街交叉路口，全长1 356m，且有局部地下2层；由西向东，为棕帽街与叠山路交叉口至象山路与叠山路交叉口，全长674m，总体呈“十”字形。工程采用无梁楼盖结构体系，建筑总面积为52 951.98m2，地下共两层，1,2层层高分别为4.8，3.9m，基坑开挖深度为11.7m，局部开挖深度为7.9m。基坑周围环境复杂，东西两侧为胜利路沿街的民用建筑，建筑物密集且基坑两侧的民用建筑与基坑边线的距离为1～3m，地面标高为25.50m(黄海高程系，以下同)；南侧与中山路相连，道路宽度为19.7m，路面标高为25.46m；北侧与阳明路相接，道路宽度为25m，路面标高为26.46m。依据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)[6]，本工程设为一级基坑，基坑平面图见图1。

图1 南昌胜利路人防平战结合工程基坑平面图

2 工程地质及水文地质条件

2.1 工程地质条件

拟建场地位于长江中下游地区的赣抚阶地，属于冲击平原地貌，地势总体平坦。场地的土层由人工堆积层(Q4ml)、泛滥沉积层(Q32fal)以及第三系新余群基岩(Exn)组成。基坑开挖揭露的土层主要为人工杂填土、细砂、粉质黏土、中砂、圆砾、泥质粉砂岩(以强风化、中风化岩为主)，基坑的各土层物理力学参数如表1所示。

土层物理力学参数表1

2.2 水文地质条件

本工程场地内地下水位浅，且水量丰富。根据勘察报告，场地内无地表水，地下水位埋深为3.2～6.0m，主要类型为红色碎屑岩类裂隙孔隙水。

3 基坑支护设计的难题

(1) 基坑周围环境复杂

本工程位于南昌市中心，周边包括了沿街商铺、市政主干道、拟建地铁等各类建筑物，并且开挖场地内市政管线密集，给开挖工程造成了很大的不便。其次，沿街商铺距离基坑开挖边线不足3m，最近仅距基坑开挖线1m，基坑施工空间十分狭窄，不利于大型施工设备进场，因此地下连续墙支护受到了场地条件的限制。

在施工中，不仅要控制噪声以减少条件的限制，减少对周围居民生活的影响，还要保证商业街商铺的正常营业。若在基坑两侧开挖过程中稍有不慎，则会引起建筑物开裂及沉降，极易造成人员及财产的损失，故本工程对施工的要求极为严格。

(2)场地条件差

基坑临近赣江，场地内地下水量大，且开挖揭露的地层在地下水位以下，主要为砂土层。土层的自稳性能差，透水性能强，故本工程对基坑防水的要求也极为严格。

(3) 基坑规模宏大

基坑开挖深度深，开挖总长度为2 030m，属于深大基坑。

4 基坑支护设计方案

考虑上述基坑支护设计的难题对基坑工程建设的影响，本工程支护的关键设计点如下：1)须采用刚度大的支护结构体系，以抵抗基坑外的水土压力。2)基坑须进行排水并设置隔水帷幕。本工程场地内地下水量丰富，且开挖地层主要为位于地下水位下的砂土层；在开挖过程中，场地内地表水量大，易发生管涌和流砂。3)基坑施工空间窄，故支护结构要适应施工环境，便于施工并且可自身形成封闭的围护体系。

工程上，高压旋喷桩可支档土和水，但施工费用过高，且施工过程中会造成大量的泥浆污染。为了确保基坑在施工中的安全性，故采用拉森钢板桩作为围护结构，选用深层水泥搅拌桩为隔水帷幕，使其形成两道独立的防水体系。依据本工程支护的设计关键点，对场地条件及施工工艺、经济性等因素进行分析，在经多方讨论、计算以及论证后，最终确定本工程支护设计方案为:拉森钢板桩墙+逆作法主体结构板水平内支撑+深层水泥搅拌桩隔水帷幕。

拉森钢板桩是一种U形钢板，其两侧带有凹槽锁口，工程建设中主要以热轧型为主。将拉森钢板桩放入地层，利用其锁口之间的作用力(前期以锁口间相对摩擦力为主，后期以二者间的机械咬合力为主)相互连接，形成钢板桩墙的支护形式[7-8]。该支护结构形成的挡墙结构可适应本工程狭窄的施工空间，且其防水性能良好，自身强度高，可抵抗周围的水土压力，故以SKSP-IV型拉森钢板桩作为支护结构。选用的钢板桩截面为U形，宽度为400mm，高度为170mm，厚度为15.5mm，其力学性能参数如表2所示。本工程将拉森钢板以焊接的方式相互连接，使之完全刚接形成钢板桩墙，从而避免因拉森钢板桩锁口间的相对滑移而产生刚度折减效应[9-10]。拉森钢板桩与外墙相结合，打入土层后将不再拔出，作为永久的围护结构。基坑位于富水砂层中，故在拉森钢板桩墙外(紧贴)采用深层水泥搅拌桩作为隔水帷幕，使其与拉森钢板桩形成两道独立的防水体系，提高基坑的隔水效果。逆作法采用永久性围护结构与地下主体结构相结合的支护体系[11]，以地下主体结构的顶、中、底板分别作为支护结构的水平支撑，基坑支护剖面布置设计如图2所示。

SKSP-IV型拉森钢板桩力学性能参数表2

图2 基坑支护剖面设计布置图

图3 计算断面示意图

4.1 拉森钢板桩围护结构设计

根据本工程岩土工程勘察报告，基坑的东侧及中部为最不利地段。故选择安全等级为C的钻孔8和钻孔41作为计算断面，计算断面示意图如图3所示。根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)，基坑周围建筑物荷载按每层15kPa考虑，而基坑周围以3～7层的多层建筑物为主，故设计的建筑物层数为7层，考虑基坑周围的临近荷载为105kPa，进行支护结构的设计计算。采用基坑支护结构专用软件FRWS7.1.2进行计算分析，钻孔8及钻孔41断面处拉森钢板桩的位移及内力包络图如图4，5所示。根据图4，5的计算结果，钻孔8和钻孔41断面处的拉森钢板桩桩顶最大水平位移分别为15.6，17.9mm，均小于规范限值30mm，其桩体最大水平位移分别为49.7，26.7mm，均小于规范限值50mm，满足一级基坑围护结构的规范要求。钻孔8和钻孔41断面处的拉森钢板桩内力在距离桩顶的5～10m位置处呈现“抛物线”形。拉森钢板桩的位移曲线呈鼓状，位移变化规律与拉森钢板桩内力变化规律相一致。拉森钢板桩的内力变化，包括弯矩和剪力，均在本工程可控制范围内。故可以用拉森钢板桩作围护结构，代替地下连续墙。

拉森钢板桩有效桩长为11.7m，嵌固深度为7.3m，嵌入到强风化的岩石中，持力层的承载力高，且岩石地层稳定，桩体只是传递自重，不接受梁板或其他荷载。因此，未考虑拉森钢板桩的竖向荷载，但在施工过程中，必须进行桩顶的沉降监测，尤其要注意拉森钢板桩体和立柱的沉降差异。

图4 钻孔8断面处拉森钢板桩位移及内力包络图

图5 钻孔41断面处拉森钢板桩位移及内力包络图

在钢板桩支护过程中，要注意以下几个问题：1)钢板桩要定位打入土体，避免破坏地下管线；2)施工中，尽量保证钢板桩相互咬合，对脱落的锁扣进行加强维护；3)由于本工程位于富水砂层中，锁扣处的密封要十分注意。结合逆作法的施工工艺，先开挖基坑，后设置支撑。本工程分7个工况，共设3道支撑。工况1：开挖2m；工况2：在第1层顶板垫层标高23.5m处浇筑第1层顶板作为第1道水平内支撑；工况3：开挖5.3m；工况4：第1层底板标高18.3m处浇筑第1层底板作为第2道水平内支撑；工况5：开挖4.3m；工况6：在第2层底板标高13.8m处浇筑第2层底板作为第3道水平内支撑；工况7：开挖0.1m。拉森钢板桩在开挖过程中有先期位移，而在顶板施工完成，顶板的抗弯强度达到设计要求后，则由地下主体结构水平板来支承绝大部分水平抗力，且水平板提供的水平抗力及刚度相当大，可提高支护结构整体的刚度，保持拉森钢板桩墙的稳定，极大地提升了施工的安全性。

4.2 深层水泥搅拌桩隔水帷幕设计

图6 深层水泥搅拌桩隔水帷幕平面布置图

深层水泥搅拌桩采用三轴水泥土搅拌桩，为非加筋工法，设计桩长为19m，直径为800mm，桩间距为400mm。水泥为普通425硅酸盐水泥，掺入量为25%，木质素硫酸钙掺入量为0.3%。深层水泥搅拌桩全部采用满打法布置在拉森钢板桩的外侧，且紧贴拉森钢板桩，采用搭接的排列方式，咬合成一排，咬合量为20%～25%。其与拉森钢板桩桩顶之间的地表面设置混凝土封闭面层以防止雨水渗入。在深层水泥搅拌桩施工结束之后进行渗透性的检测工作，若渗透系数不小于10-7cm/s，则在深层水泥搅拌桩和拉森钢板桩之间注浆或者采用交错排列的方式，在局部地段布置深层水泥搅拌桩，其各参数如上所述。深层水泥搅拌桩隔水帷幕的平面布置如图6所示。

本工程场地内地下水位浅，且水量丰富。为适应狭窄的施工空间，并解决基坑隔水的问题，支护结构采用拉森钢板桩和深层水泥搅拌桩，形成2排桩的隔水帷幕形式。其中拉森钢板桩，其自身形成的钢板桩墙有一定的刚度和强度，又有良好的隔水性，既起到围护结构的作用，又有隔水的作用，不传递弯矩和剪力，故受力较小。隔水帷幕贯穿砂层和强透水层圆砾，其底部需要进入到不透水的风化岩层中且插入基坑底部下土层一定的深度，隔断地下水的水平补给，以满足抗渗流稳定性。施工过程中，基坑并未发生渗漏，可见深层水泥搅拌桩止水效果好，达到了预期的效果。

5 拉森钢板桩+逆作法施工工序

本工程拉森钢板桩墙+逆作法主体结构板水平内支撑的主要施工工序为：1)先沿着地下建筑轴线打入拉森钢板桩作为围护结构，然后挖土至第1层顶板垫层标高23.5m处，按照施工图纸浇筑第1层顶板，作为拉森钢板桩的第1道水平内支撑；2)之后继续挖土至第1层底板标高18.3m处，按照施工图纸浇筑第1层结构柱、侧墙、底板等其他结构，则第1层的底板作为拉森钢板桩的第2道水平内支撑；3)继续挖土至第2层底板标高13.8m处，按上述要求浇筑第2层结构柱、侧墙、底板等其他构件，将其作为拉森钢板桩的第3道水平内支撑，最后完成地下结构的施工。

逆作法主体结构水平内支撑采用先柱后墙法，其详细的施工工序如下：1)出土口挡土墙施工；2)采用10m加长臂挖土机，挖出刚好能够使80型小挖掘机的施工作业空间，之后吊入小挖土机进行坑内挖土作业；3)小挖土机与长臂挖土机配合挖出柱基础土方，并在左右两侧做好格构柱钢支撑，格构柱临时支撑柱大样图如图7所示；4)顺序完成垫层、防水层、柱基础、柱身结构施工，如图8所示；5)按照工序3)、工序4)完成结构柱施工，如图9所示；6)分别向施工完成的结构柱两侧挖一层土，完成第1层下接外墙结构施工，如图10所示；7)两侧外墙分别向相反方向掘进，完成上层墙施工；8)按分割线完成下层墙施工，如图11所示；9)交替完成此出土口的下接墙施工；10)按顺序交替柱结构施工；11)连接底板并完成出土口施工，如图12所示；12)按照上述工序施工完成地下2层结构施工，如图13所示。

图7 格构柱临时支撑柱大样图

6 方案实施效果

方案为基坑支护结构的设计提供了理论依据，实施后节省了大量的施工成本，缩短了工期并且降低了施工噪声的污染，非常环保。根据基坑监测结果，现场拉森钢板桩的桩顶水平位移在15mm以内，小于计算值，基坑东侧和中部断面在临近荷载105kPa作用下的地表沉降值分别为26mm和19mm，均符合《建筑地基基础工程施工质量验收规范》(GB 50202—2018)[12]的要求。经计算，基坑东侧和中部的整体稳定安全系数分别为2.01，2.08，坑底抗隆起安全系数分别2.08，3.19，墙底抗隆起安全系数分别为9.76，164.09，抗倾覆安全系数分别为2.91，3.79，均满足《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)规范要求且基坑底部和坑壁土体无软土，坑底不会出现弹性或塑性隆起，计算结果汇总如表3所示。在基坑施工过程中未发生周围建筑物开裂、地面不均匀沉降以及基坑渗漏。可见，基坑支护方案的隔水效果和支护效果都非常好，解决了本工程在复杂环境中遇到的难题。