软土地基超大型深基坑设计优化及施工关键技术

胡董超 王洪 姜波 赵家耀

【摘要】现今大型无内支撑深基坑围护形式通常采用水泥土重力式挡墙，当基坑土层属于软土层时，普通悬臂结构易造成钻头无法工作，支护结构承受的竖向压力较小。本文主要阐述在软土地基下超大型深基坑采用内插PRC双排桩的支护体系，该支护体系极大的提高了基坑支护强度及基坑安全性，同时该支护体系可承受较大的施工荷载，为后续基坑开挖与结构施工穿插及预制构件吊装提供较大的便利。

【关键词】無支撑双排桩基坑支护;地下污水处理厂;软土地基;PRC管桩

1、工程概况

1.1、工程简介

竹园污水处理厂四期工程1.5标位于浦东新区高东镇，用地南至华东路，东至洲海路，西至规划高东二路，北至外高桥船厂，为新建半地下室污水处理设施，层高一层。

本工程包括新建70万m³AAO生物反应池、平流式二沉池、雨水泵房、污水泵房、碳源投加间等构筑物。

本工程除AAO生物反应池缺氧池区域采用装配整体式结构，其余构筑物均采用现浇框架结构。AAO生物反应池2座（单个尺寸214mX170m，层高10.1m）、平流式二沉池（单个尺寸223mX101m，层高6.4m）、雨水泵房、污水泵房、碳源投加间及管道箱涵等构筑物。

1.2、基坑概况

本工程基坑开挖总面积约为13.1万m²，基坑平面形状为矩形，基坑尺寸478×289m，其中AAO生物反应池基坑面积约为8.1万m²，平流式二沉

池基坑面积约为5万m²。AAO生物反应池开挖深度为5.1m～6.1m，平流式二沉池开挖深度为2.15m～5.15m。

1.3、水文地质概况

拟建 1.5 标场地有 4 条明浜分布，明浜局部区域回填后形成暗浜，明暗浜底多分布浜土，厚度约 0.7m～1.5m，含大量有机质，状态差，对工程不利，主要涉及围墙区域，基础施工时应进行清除。

场地有一定厚度的③层灰色淤泥质粉质粘土夹粉性土、④层灰色淤泥质粘土、⑤1-1 层灰色粘土，为上海地区典型软土层，呈流塑～软塑状，有压缩性高、强度低渗透性小和灵敏度高等特性。

拟建场地内有居民住宅，地下分布有雨、污水排放管、给水管道、电力电缆，民宅拆除后，会遗留有大量旧基础等障碍物对施工影响较大。有关地下管线和障碍拟建场地内有居民住宅，地下分布有雨、污水排放管、给水管道、电力电缆，民宅拆除后，会遗留有大量旧基础等障碍物对施工影响较大。

2、难特点分析

2.1 基坑开挖面积大

生反池及二沉池基坑面积约 13.1 万 m²，生物反应池挖深 5.1m-6.1m，平流式二沉池挖深2.15m-5.15m，基坑安全等级为三级，属超过一定规模的危险性较大的分项工程。因此基坑开挖过程中需注重“时空效应”，以“分层、对称、限时开挖”为施工标准，基坑按照分区分块及施工工况进行土方开挖。

2.2 基坑开挖与结构施工穿插，施工要求高

工期紧张、开挖面积大是工程常有的施工难点，现本工程采用跳仓法进行挖土施工，且土方开挖完成后为避免基坑长期暴露在外部环境之下，需在开挖完成后立即进行垫层浇筑及结构施工。

除此之外，预制构件吊装阶段为方便吊装施工，需利用压顶行驶重车及预制构件临时堆放（最大构件重量为10.520T），荷载较大。为满足吊装工况，相较于传统的水泥土重力式挡墙，现内插PRC管桩的门式水泥土重力式挡墙可满足较重构件的起吊及运输车地耐力的安全性能要求，同时抬高围护压顶顶标高与施工便道顶标高齐平。

2.3 软土地基土质情况下围护施工难度大

本工程浅部粉土厚度较大，搅拌桩施工时，砂性土的沉积易造成搅拌桩埋钻，浆液离析、漏水，导致围护施工进度较慢，且围护强度不能达到设计值。施工过程中需根据现场土质情况对搅拌桩水泥浆液配比进行优化，提高砂性土层的土性，提高砂性土层流动性和可塑性。对搅拌桩钻头切削性能进行优化改进，且每台班结束时检查钻头的外观情况，存在破损的情况，及时更换，确保搅拌桩成桩进度及质量符合要求。

3、支护方案选择及优化

3.1 原设计方案

生反池围护原设计方案为采用1：1方式放坡+10mφ700的水泥土重力式挡墙及最外侧内插12mφ500的PRC管桩的形式，且原设计降水措施为每250²设置一处疏干井进行降水施工。

为满足现场预制构件吊装阶段施工及开挖与结构施工交叉进行等因素，部分基坑外围需要通行重车，另外基坑面积大，基坑内也需要通重车。所以基坑需要调整优化，满足基坑安全的同时，满足现场施工。

3.2 竖向支护优化

现针对工程施工特点、详细剖析地勘报告及结合现有施工条件采用无支护双排桩支护方案。内插两根PRC管桩的双排桩由于门架式结构相较于内插单根PRC的悬臂支护，其具有整体性强，可应用于较深的无内支撑基坑，且内插两根PRC管桩的双排桩门式支护有更强的支护强度，可上部可承受较大荷载，适用于本工程类似的围护顶部压顶需走重车等较大荷载的工况。

无内支撑内插双排PRC管桩的支护方案，即在五轴φ700桩长15m水泥土重力式挡墙的最内侧及最外侧内插14m的PRC管桩，且PRC管桩顶部锚入冠梁300mm。同时基坑上部3.8m采用C30钢筋混凝土板（面层钢筋采用双层双向C14@150钢筋网片），基坑底部采用Φ800高压旋喷桩土体加固对水泥土重力式挡墙进行补强，减少挡土墙的变形。

3.3 坑内道路加固优化

本工程现场可利用场地较少，同时由于工期紧张导致结构施工与开挖需要同步进行，所以本工程将坑边围护压顶与施工便道相连，形成环坑道路以便于构件运输车辆行驶。除此之外，为便于挖土与结构施工同步进行，在基坑坑内设置入坑通道。

围护顶部压顶作为施工道路，该区域，围护顶标高调整至标高3.8m处，与施工临时道路同一标高，同时水泥土重力式挡墙顶部施工300厚C30压顶，内配双层双向C14@150的钢筋，PRC管桩顶部采用600厚、宽900mm，钢筋在压顶内配钢筋基础上增加8根C20的水平钢筋和A8@200的箍筋，其中PRC管桩锚入冠梁300mm，每孔一根，经设计验算后围护强度满足施工期间的施工荷载。

本工程因施工工期紧张及结构与挖土的同步施工，在坑内设置入坑通道。

入坑通道，宽18m，坡比1：10，长度106m，主要留设在A2-3、A3-3、A4-3、A5-3、A6-3、A7-3区，土方预留作为结构施工阶段临时入坑道路（详见附图），两侧做好放坡。入坑通道留设区域，使用φ800的高压旋喷桩进行土体加固，标高-0.6m～1.9m区域内土体加固高度为5m，标高1.9m～3m区域内土体加固高度为7m。

3.4 基坑降水方式優化

根据本基坑降水层土质的实际情况，考虑到降水深度和实际效果，基坑开挖范围内以粘土、粉土、淤泥质土为主。生物反应池开挖深度为5.1～6.1m，平流式二沉池开挖深度为2.15～5.15m。

原降水施工方案为AAO生物反应池布置298口疏干井进行降。考虑到疏干井降水对周边影响较大、施工工期相对较长，现针对AAO生物反应池采用318套抽条轻型井点降水，平流式二沉池采用222套轻型井点降水。

降水施工过程中应在基坑开挖前7～15天进行。型井点设计20米为一组，组间距为8米，井点间距为1.5米。

抽条轻型井点相较于原设计的深井施工方案，存在性价比高、施工便捷化、对周边影响小等特点。先在原地面标高3.8m处开挖1m沟槽，沟槽开挖至2.8m时，再安装轻型井点降水设备。抽条轻型井点降水最大程度的利用了该技术的降水效率，为后续进行挖土施工提供了便利。

4、关键施工技术

4.1 施工总体部署

本工程平流式二沉池桩基使用T-PHC管桩，其余区域为预制PHC管桩，由于预制桩的施工对土体有较大的挤压效应，故施工时先打设管桩桩基，在管桩影响范围外，再跟进施工围护结构。

施工搭接顺序为：桩基总体由南向北施工，先施工基坑周边一圈两排管桩，减小后期挤土效应对围护的影响。然后从南侧向北侧进行桩基施工，桩长主要在26～32m，管桩挤土效应影响范围在50m（图7中阴影区），待阴影处桩基完成后跟进施工五轴搅拌桩围护、高压旋喷裙边加固，搅拌桩施工结束后，等达到28天设计强度，可进行下一道施工工序。

4.2 施工道路设置

本工程沿基坑四周一圈设置临时施工道路，环绕拟建建筑物铺设临时施工道路，并与大门连通。根据现场实际情况，南北向沿基坑设置3条长330m的施工便道，东西向沿基坑设置2条长490m的施工便道，平流式二沉池裙边加固上设置1条长230m、宽8m的临时便道及与生反池内插PRC双排桩支护顶部施工的压顶相连，形成坑边道路。施工便道做法为C20混凝土内配钢筋，且环坑道路底部先回填道渣，再回填碎石垫层，最后浇筑混凝土完成施工便道的设置。

4.3 PRC管桩支护施工技术

PRC施工顺序为：五轴搅拌桩套接施工→起吊PRC管桩→机械辅助下沉PRC桩→沉桩至设计标高。

其具体施工方法为，PRC管桩使用前，在距管桩顶端中心处开一个圆形孔洞，孔径约800mm，并在该处管桩两面加焊厚大于等于12mm的加强钢板。管桩长度不够需两节桩进行拼接的，焊缝应均为坡口焊，焊好后检查焊缝是否饱满，有无气泡、夹渣等情况，如焊接不合格等情况应进行补焊，最后用砂轮机进行打磨，保证焊缝至与管桩面一样平。

五轴水泥搅拌桩施工完成后，吊机应在规定吊点位置，准备吊放管桩，用50吨履带吊起吊管桩。放置管桩翻转架，待管桩起吊吊离地面后，拆卸翻转架。将管桩底部中心对正桩位中心并沿定位卡靠管桩自重徐徐插入水泥土搅拌桩体内，桩体垂直度偏差不大于1/200，若管桩依靠自身重力插放达不到设计标高时，可采用机械进行辅助下压。管桩必须在搅拌桩施工完毕后30min内插入，避免因搅拌桩初凝导致无法插入PRC管桩的情况。

4.4 跳仓法挖土施工技术

根据设计图纸结构变形缝的设置，将生反池及二沉池分为98块

基坑开挖按照划分的区块进行开挖，采用明挖法进行施工。生反池开挖前，在高低跨处二沉池区域开挖6.0m宽平台至二沉池底标高，外侧1：1.5放坡，然后再开挖生反池，高低跨处开挖完成后，本工程基坑A、B 区，总体由南向北施工，开挖顺序如下：

A区：①首皮土开挖标高为3.8m至1.3m，挖深2.5米，由南至北退挖;

②第二皮土挖开标高为1.3m至-1.3m，挖深2.6m，由南至北退挖;

③局部坑中坑开挖标高为-1.3m至-2.3m，挖深1.0m，由南至北退挖;

B区：①首皮土开挖标高为3.8m至1.65m，挖深2.15米，由南向北退挖;

②局部坑中坑开挖标高为1.65m至0.65m/0.15m/-0.85m/-1.35m。

各区域挖土注重“时空效应”，以“分层、对称、限时开挖，严禁超挖”为施工要求。第一皮先开挖2.5m，第二皮在开挖至设计基底标高，考虑到基坑土体应力无法在短时间释放，导致坑底土体存在一定的隆起现象，影响现场施工进度，因此在开挖过程中设置应力缓冲区，缓冲区按照底板浇筑范围边3倍开挖深度范围内的区域进行提前开挖。

5、监测数据分析

5.1 监测内容及方案

基坑监测项目主要有围护结构顶部水平位移和竖向位移监测、围护墙深层水平位移监测（测斜）、基坑外地下水位监测、坑周地表竖向位移监测等内容。

本工程变形监测点位共布置了96个围护顶竖向位移、布置了195个地表竖向位移、布置了45个测斜监控孔。

5.2 数据分析

根据监测数据总评分析，测点CX4在施工荷载的作用下累计变形最大（19.5mm），其每日变化最大变化量为4.3mm，在累计最大变形量±50mm，但每日超过了最大变化量±4mm的允许变形范围之外。

基坑围护侧向位移变形经分析后可得主要的变形因素为受基坑开挖土方卸载后，土压力过大及预制构件吊装阶段施工动荷载较多等影响，导致一定区域内土体受到扰动，波及周边土体产生一定程度位移，导致局部测斜点位累计量达到报警值，后续随着结构底板及外侧壁板的完成，基坑整体较为稳定，其数据变化速率趋于稳定。

7、实施效果及改进措施

本工程为给排水构筑物施工，存在基坑开挖面积大、坑边纵向及横向跨度大、基坑开挖深度大，且所处基坑土层多为软性土等施工难点。现采用无内支撑内插PRC管桩的双排桩支护结构，极大的减少了围护施工工期，且为围护施工提供了极大的便利性。有效的解决了传统地下式污水厂基坑围护施工的经济效益差、工期长、水平内支撑施工难度大等弊端，避免了因基坑存在水平内支撑导致施工困难、施工工期长等问题，也为地下结构施工带来极大便利，为后续类似大面积、大跨度无内支撑的工程提供了基坑支护设计优化与施工提供了数据支持及现场施工经验。

参考文献

[1]龙腾.双排桩支护结构研究现状.株洲：湖南工业大学，2018

[2]建筑基坑支护技术规程..北京：中国建筑工业出版社出版发行，2012

作者简介：胡董超（1991-），男，大学本科，工程师。

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