一种新型挡护结构在深基坑施工中的应用研究

刘一翔

(中铁十六局集团置业投资有限公司 北京 101400)

1 引言

对城市非复杂地质条件深基坑支护的设计施工，大多数采用单一支护方式。近年来，由于城市房建施工技术日益成熟，开始从经济和工期角度考虑多种支护方式结合。樊旭宏以某15 m深基坑为例，通过数值模拟结果与分析，得出反压土和内斜撑结合更有利于节省工期和造价的结论[1]。刘晓峰等以湖南某城市广场2层地下室为例，利用有限元分析，提出桩前预留土台结合支护桩与锚索综合支护能发挥良好支护效果[2]。卓志飞等以深圳金融大厦深基坑工程为例，对其综合支护方式进行比较，分析表明桩基加多种支撑结构有利于安全防护和保护施工环境[3]。莫莉等以深圳某城市商业中心深基坑为例，对利用灌注桩加止水帷幕挡水、混凝土支撑加预应力锚索的支护形式进行研究，结果表明桩撑和桩锚结合能较好地控制变形，给桩基础提供施工空间，并可降低工程造价[4]。潘骏等以南京某大学科研综合楼为例，通过对在三轴水泥土搅拌桩中插入预应力管桩形成水泥土止水，并由预应力管桩承担土体荷载的复合支护结构的研究，认为PCMW工法多种支护结构的结合工程总造价低、工期短，对周边环境影响小，有利于保护周边建筑及基础设施[5]。

2 工程概况

中国铁建淮北青秀城，地处安徽省淮北市，气候类型为淮河流域暖温带半湿润季风气候，夏、秋季气温高且多雨。项目紧邻市政道路主干道，占地61 579 m2，总建筑面积169 368 m2。该项目地下室一层、局部二层，基坑开挖深度5.5 m。土层构成主要为腐土耕土层(第一层)、黏土层(第二层)、粉黏土层(第三层)。地下车库利用天然地基承载，持力层为中砂层。根据区域水文资料及邻近工程勘察资料，汛期地下水位埋深为1.5～2.5 m。

3 边坡挡墙结合土钉墙支护措施

施工前通过勘测资料，了解到基坑附近有1条综合管廊，南侧基坑边线距离综合管廊最近点为5 m。而且基坑施工时间为当地多雨季节，对边坡支护带来挑战。保证周边结构安全和防止环境污染成为建筑施工过程必须要面对和解决的问题。

3.1 原设计存在的问题

原设计施工边坡为全土钉墙支护，坡率为1∶0.5；对地下水及地表水无处置措施。土钉采用ϕ18螺纹钢筋，梅花形布置，每道土钉水平间距与竖向间距均为1.5 m。结合周边建筑已施工基坑，部分项目基坑施行全土钉墙支护，经考察安全防护的支护强度不够理想。主要问题在于上层耕土层在雨季吸存水严重，地表排水因地形影响，不能迅速排干，在短期内未能达到降低土壤含水量的目的。耕土层呈流质，排水效果不佳，影响了周边管廊的干燥需求，对周边道路造成污染，同时在一定程度上降低了土钉墙的锚固能力，在土坡重力作用下易出现位移和形变问题。同时，有研究表明，非对称开挖会导致既有结构产生趋向于坑内侧的水平位移及向上的竖向位移[6]。为防止上述问题出现，有必要进行设计及施工优化以应对单一土钉墙防护中的缺陷。

3.2 施工优化措施

(1)地下水处理。合理处理基坑中地下水对安全施工至关重要[7]。施工前，采用管井围降方式，将基坑内地下水位降至槽底0.5 m以下，以满足基础施工要求。对于表层潜水，管井沿基坑内侧周边布设[8]。针对地下水位较高区域可采取主体外围治水方式进行有效控制，预防地下水渗流，并可通过深层搅拌和压力注浆等手段，实现地下水的精准控制，以避免深基坑质量问题发生，并且降低安全事故发生频率[9]。

(2)针对本项目，使用一种深基坑作业新型挡护结构——定型边坡挡墙，目的在于通过批量预制的成品结构进行非复杂地质层基坑防护。通过支护板和相关组件对基坑进行支护围挡，用来防止基坑四周的土方塌方和污水四溢污染(见图1)。

图1 定型边坡挡墙

定位机构:定位机构包括支撑机构和水平推力组件。支撑机构连接底座和挡土板，对挡土板进行支撑并且起到调节挡土板与底座间夹角的作用；底座侧端面有固定组件，将底座与地面固定连接；水平推力组件与支撑机构转动连接，水平推力组件受到支撑机构的推力作用后产生水平运动，能够带动固定组件竖向运动并通过传导压力增加固定组件与地面的连接深度。

分压机构:分压机构与挡土板连接，通过增大挡土板重力承载面积，转移挡土板的正面承重力，对挡土板进行分压。

引流组件:包括引流槽和排水管。引流槽与挡土板固定连接，侧端面相对挡土板侧端面倾斜设置。侧端面设置有排水管，排水管与引流槽连通，便于排水引流。

定型边坡挡墙由底座通过固定组件与地面连接。挡土板对土坡进行支护，根据土坡的斜度与土体压力大小来调节支撑机构，可通过改变挡土板与底座间的夹角以提高挡土板的支撑强度。在挡土板承载力大小方面，通过分压机构增大挡土板的重力承载面积，或者将挡土板的正面承重力向其他方向分散，可有效增加挡土板的承载力。当挡土板在土坡重力作用下推动水平推力组件水平移动时，水平推力组件受力，传导至固定组件，固定组件插入地面，传导至地面。此受力传导能保证支护结构的安全，增加基坑开挖支护装置的整体稳固。

(3)采用定型边坡挡墙结合土钉墙联合支护。基坑底高度1～2 m范围内采用定型边坡挡墙支护。定型边坡挡墙包括底座、挡土板、定位机构、分压机构和引流组件。场地内预设预制组装车间。定型边坡挡墙在组装车间预制成型并保养，在施工现场做最后拼装及成型。基坑深度2 m以上范围为土钉支护，坡率为1∶0.5，开挖时可有效保持土体强度，减少对土体的扰动[10]。土钉采用ϕ18螺纹钢筋，按梅花形布置，每道土钉水平间距及竖向间距为1.5 m。共布置3排土钉:第1排土钉长8 m，采用ϕ18@1500钢筋，在地表之下1.6 m；第2排土钉长7 m，采用ϕ18@1500钢筋，在地表之下3.3 m；第3排土钉长6 m，采用ϕ18@1500钢筋，在地表之下4.8 m。上覆钢筋网片，预先在预制场成型，现场每单网片与上片搭接、为下片留茬，搭接长度不小于300 mm，同一平面上的接头占比不超过50%。钢筋网片与坡面间用预制垫块垫起，使钢筋网与坡面不产生接触，保证钢筋混凝土保护层厚度不小于20 mm。进行喷混凝土作业时，垂直坡面自下而上进行喷射，喷枪距坡面保持0.6～1.2 m距离(见图2)[11]。

图2 边坡支护布置

依据«建筑基坑支护技术规程»(JGJ 120—2012)第5.2条，要求单根土钉极限抗拔承载力Rk，j/Nk，j≥1.4(受力简图见图 3)。

图3 边坡支护受力简图

对于最不利黏土:Rk，j/Nk，j＝ 1.45≥1.4 满足要求。

4 支护效果监测及评价

4.1 监测内容

根据现场情况，监测内容为基坑水平及垂直位移监测，护坡顶布设观测点进行观测，具体见表1。

表1 监测点布设

4.2 监测布点及采集

共布设77个监测点，监测点位布置见图4。

图4 基坑监测点位布设

在结束深基坑监控数据采集之后，对记录情况实施全面检查和复盘，同时结合深基坑作业内容构建闭环式安全管理平台[11]。由于基坑开挖深度会直接影响邻近综合管廊的变形，因此不定期进行管廊位移监测[12]。

4.3 监测方法

水平位移控制点采用导线测量法进行观测，监测点采用极坐标法进行观测，全程使用全站仪进行。竖向位移控制点，采用数字水准仪按二等水准测量精度进行沉降观测[13]。

基坑围护完成时间为07月14日，进场布设点位和观测时间为07月15日，共观测10次。

4.4 支护效果评价

根据观测数据结果，水平位移最大点位为24，偏移量为1.03 mm，变化速率为0.01 mm/d；水平位移最小点位为73，偏移量为0.06 mm，变化速率接近0.00 mm/d。竖向位移最大点位为29，偏移量为8.69 mm，变化速率为0.055 mm/d；竖向位移最小点位为 58点，偏移量为0.52 mm，变化速率为0.008/d，平均偏移量为5.76 mm，没有超过警戒值。

根据基坑监测点垂直位移和水平位移变化分析可知，在基坑开挖施工过程中基坑边缘受外界因素影响较小，相对稳定，支护方法达到预期目的；同时，经过巡查目测，施工场地无污水溢流，相邻管廊及道路无地表存水，水土保持及环境保护达到预期目的。

5 结论

(1)使用土钉墙结合定型边坡挡墙的支护方式，在表层水丰富、土质疏松、施工干扰大的城市狭小施工环境中进行深基坑支护，利用支撑体系与导流排水体系相结合，降低了对土体干扰，并有效排空地面积水，在邻近建筑物未采取其他防护措施的情况下保证了既有管廊干燥及不产生偏移。

(2)定型边坡挡墙采用集中预制组装的形式，以半成品形态运抵现场拼装成型，有利于节省施工时间，更有利于控制施工精度、节约工程造价。支护结构的批量成品化可为施工提供更多便利条件。

(3)以新型技术、设备为主要手段，支护受力结构兼顾地表有组织排水，有利于深化现场施工质量，可获得理想的深基坑作业环境。