软土地区交通重载下条形深基坑支护设计

王 新

[上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海市200125]

0 引 言

我国东南沿海许多城市如天津、上海、宁波、温州、台州等均分布较深厚的软弱土层，在深基坑工程方面形成了具有地方特色的设计和施工方法[1-5]。出于经济性考虑，一定深度的基坑支护材料更倾向于可回收利用的钢材，例如常用的SMW工法中的型钢。新型的绿色支护技术也不断涌现，例如天津地区某工程尝试采用高压旋喷插入型钢作为基坑支护结构[1-2]，宁波、杭州地区出现大量钢管+拉森钢板桩结合的围护方法[3]，温州地区应用了预应力鱼腹梁的新型支撑[4-5]。然而在交通重载下，条形基坑的支护结构处于动静结合的受力状态，在此状态下，对于型钢复合支护结构的适用性尚未形成统一认识，尤其是施工栈桥结构与围护结合的协调设计，也未形成统一的设计经验。

本文基于上海北横通道工程隆昌路下立交项目，探索SMW工法桩支护在交通重载下的变形规律和适用性，通过实践经验总结此类复杂工况下的围护设计重点和难点，以指导类似工程的设计与施工。

1 工程概况

隆昌路下立交属上海北横通道工程的东端地面扩容段，连接北横东段地道和周家嘴路越江隧道。下立交敷设于周家嘴路上，规模为双向4车道，设计时速50 km/h；暗埋段主体结构为双孔单箱矩形现浇混凝土结构（见图1），敞开段为U型结构（见图2）。下立交全长510 m，其中西侧敞开段160 m，暗埋段190 m，东侧敞开段160 m。下立交基坑开挖宽度18.4～19.2 m，最大基坑开挖深度约10 m，局部泵房处落低约2.8 m。

图1 隆昌路下立交暗埋段结构断面（单位：m）

图2 隆昌路下立交敞开段结构断面（单位：m）

隆昌路下立交地处上海市杨浦区城区周家嘴路上。现状周家嘴路交通繁忙，且重载车辆较多，沿线建筑主要为2～7层住宅小区、厂房，距基坑大于14 m，处于1～2倍基坑深度范围。沿线地下管线主要存在给水、雨水、燃气、供电、信息等。直径1 000 mm给水管距离基坑3～4 m，保护要求较高（见图3）。

图3 隆昌路下立交周边环境总图

工程沿线场地地貌类型单一，属上海地区五大地貌单元中的滨海平原类型。地势较为平缓，地面标高一般在2.4～3.1 m。常年平均地下水位埋深一般为0.50～0.70 m。工程沿线分布的第⑦（含⑦1和⑦2）层为第一承压含水层，水位埋深约3.0～12.0 m，不突涌。

场地地基土在勘察深度范围主要由饱和黏性土、粉性土和砂土组成。由上至下依次发育的土层为：①1填土、②1褐黄-灰黄色粉质黏土、③灰色淤泥质粉质黏土夹粉土、③t灰色黏质粉土夹淤泥质粉质黏土、④灰色淤泥质黏土、⑤1灰色黏土、⑥暗绿-灰绿色粉质黏土、⑦1草黄-灰色砂质粉土、⑦2灰黄-灰色砂质粉土、⑧1灰色粉质黏土、⑧2灰色粉质黏土夹砂质粉土、⑧2t灰色粉砂夹粉质黏土。工程基坑坑底主要置于③、③t层，该2层土属高压缩性高灵敏度软弱土，具有一定的流变及触变性。

2 支护设计

2.1 围护选型

多年来，上海软土地区基坑工程积累了较多建设经验，通过对本工程周边环境、地质和水文条件的研究，基坑可采用的围护结构形式有地下连续墙、钻孔灌注桩+水泥土搅拌桩止水帷幕、型钢水泥土搅拌墙、水泥土重力式挡土墙、放坡等。

（1）地下连续墙。地下连续墙的刚度较大，能承受较大的侧向水平荷载。基坑开挖时，围护结构变形小，周边地面沉降少，能够较好地控制和减少对邻近建筑物、构筑物和地下管线的影响。地下连续墙与内衬墙的“两墙合一”技术已日趋成熟，可以实现基坑围护结构在结构使用阶段的再利用。从经济性考虑，当一般软土地区基坑开挖深度大于10 m，且周边环境保护等级要求较高时，采用地下连续墙围护方式。

（2）钻孔灌注桩+止水帷幕。一般情况下，开挖深度5～14 m的软土地区基坑可采用钻孔灌注桩+止水帷幕，灌注桩的桩径600～1 200 mm，桩间止水帷幕可采用三轴搅拌桩或高压旋喷桩。钻孔灌注桩施工工艺灵活成熟，结构刚度较大，比较有利于基坑变形控制，控制重点在于桩间止水的可靠性。因此，上海地方规范要求当采用高压旋喷桩止水时需双排设置，围护+止水帷幕的占地宽度相比地下连续墙、型钢水泥土搅拌墙等围护方式稍大。

（3）型钢水泥土搅拌墙。水泥土搅拌桩内插H型钢作为围护墙，H型钢主要承受侧向荷载，水泥土则抵抗地下水的渗透作用。内部主体结构施工完成后，H型钢可回收，故该种围护类型工程造价较低。型钢搅拌墙按照三轴搅拌桩直径有650 mm、850 mm、1 000 mm等尺寸，内插型钢通常有HW500 mm×300 mm、HN700 mm×300 mm、HN800 mm×300 mm、HN900 mm×300 mm等尺寸。根据周边环境变形控制，H型钢可采用插一跳一、插二跳一、密插等布置形式。普通三轴桩施工设备占地范围较大，当环境受限时可采用连续式水泥土搅拌墙（TRD或CSM法成墙），墙体厚度亦能达到550～1 200 mm。但等厚情况下，型钢水泥土搅拌墙整体刚度不及地下连续墙和钻孔灌注桩，故一般应用于开挖深度小于13 m且环境变形控制并不苛刻的基坑工程。此外，受型钢接头焊接质量、型钢刚度、型钢与水泥土黏结强度、内部支撑体系等综合因素影响，一旦型钢发生竖向沉陷，则支撑体系存在失效风险，故型钢水泥土搅拌墙不宜承受竖向荷载。

（4）钢板桩。钢板桩占用空间小，采用拉森钢板桩更兼具止水效果。但其刚度低，受运输条件限制，桩长通常为6 m、12 m、15 m，当桩长大于18 m时需考虑接桩，通常焊接质量难以保证，因此钢板桩一般适用于挖深不超过7 m且环境保护要求不高的基坑工程。

（5）水泥土重力式挡土墙。利用水泥土抗渗的材料特性，通过墙体构造设计形成重力挡土坝。重力式水泥土排桩占地面积较大，通常变形量也较大，一般用于基坑开挖深度不超过7 m，周边场地条件宽松且无重要保护构建筑物的基坑工程。

（6）放坡。基坑开挖深度小于2.5 m时，利用浅部填土或黏性土的自立性，基坑通常采用放坡开挖，坡度1∶1.5～1∶2。

本工程位于现状周家嘴路中央，在保证施工期社会交通情况下，可用的施工场地非常有限，还需结合支撑设置栈桥以保证施工作业。基坑两侧均有雨污水、燃气等重要管线，且直径1 000 mm给水管距离基坑3～4 m，保护要求较高。受限于经济性，不宜采用地下连续墙围护。钻孔灌注桩+止水帷幕占用空间大，在施工围护时易产生对管线的扰动，不宜采用。钢板桩刚度较小，对变形控制不利。重力式挡土墙占用场地较大，不适用于本工程。通过综合比较，本工程拟采用型钢水泥土搅拌墙围护，在减少围护占地的同时通过提高型钢的插入密度来控制基坑变形，通过施工栈桥与顶围檩的特殊设计，确保型钢不承受竖向荷载。

2.2 支护结构设计

根据基坑开挖深度，10～7 m采用ϕ850型钢水泥土搅拌墙（HN700 mm×300 mm×13 mm×24 mm），7～2 m采用ϕ650型钢水泥土搅拌墙（HM500 mm×300 mm×11 mm×18 mm），2～0 m采用放坡。针对地道北侧对直径1 000 mm给水管的特殊保护，坑深大于3 m时，型钢插二跳一布置以增加围护结构刚度，其余均考虑插一跳一布置。型钢插入坑下深度与基坑深度比（即插入比）根据基坑深度每米变化进行分别设计，按照最不利断面计算的最小插入比为1～1.8。

按照基坑深度和栈桥设置的需要，深7～10 m基坑设置3道支撑（并设钢管换撑，见图4），第1道采用钢筋混凝土支撑（间距9 m），余下为钢支撑（间距4.5 m）；深5～7 m基坑设置2道支撑，第1道采用钢筋混凝土支撑，第2道为钢支撑；深3.5～5 m基坑设置1道钢筋混凝土支撑；深3.5～2.5 m基坑设置1道钢支撑；深2.5～2 m基坑不设置支撑。

图4 隆昌路下立交基坑围护断面图（典型断面）（单位：mm）

水平支撑体系中，钢筋混凝土支撑尺寸800 mm×800 mm，钢筋混凝土围檩尺寸800 mm×1 200 mm（适用于ϕ850搅拌墙）和800 mm×1 000 mm（适用于ϕ650搅拌墙），钢支撑全部采用ϕ609钢管撑（壁厚16 mm），2～3道钢围檩采用双拼HM500 mm×300 mm×11 mm×18 mm型钢组合焊接，纵向系梁采用2根HW400 mm×300 mm×10 mm×16 mm型钢。

竖向支撑体系中，设置纵向连续栈桥，局部设置横向栈桥以满足挖土和土方车辆的会车，栈桥板厚300 mm，栈桥梁800 mm×1000 mm，钢立柱采用角钢组合焊接，外包尺寸460 mm×460 mm，立柱桩与抗拔桩尽量结合布置，桩径800 mm，桩长约35 m。为避免工法桩承受大量竖向荷载，在近坑边处设计1排立柱，立柱与结构墙保证约1 m间距，满足主体结构内模的架设空间。型钢与围檩之间设置泡沫板隔离，埋置在围檩中，避免型钢露头影响场地需求。栈桥区域设置隔离墩，通过管控措施确保施工车辆荷载分布在栈桥立柱之间。隔离区以外区域，作为施工人员临时通道。

针对软弱地基土，基坑设置高压旋喷桩裙边+抽条地基加固，裙边和抽条宽度4 m，加固深度坑下3 m，抽条加固选择变形缝处，控制结构施工后的差异沉降，水平间距20～30 m。

降排水方面，基坑挖深大于5 m时采用管井降水，平均150～200 m2布置一口管井，坑下滤头5～6 m；基坑挖深2～5 m时采用轻型井点降水；基坑挖深小于2 m时集水明排。

3 验算与分析

3.1 参数取值

以典型断面为例，基坑开挖深度9.8 m，宽度18.8 m，型钢插入坑底深度15.6 m。根据勘察资料和经验，基坑土层主要物理力学计算参数见表1。考虑到周边社会交通以重载车居多，考虑1.3的动力系数，周边超载值为20×1.3=26 kPa。地基加固采用旋喷桩加固，按经验黏聚力C值取20 kPa，摩擦角取30°，m值取6 MN/m4。地下水位按照地面以下0.5 m，计算中不考虑周边水位下降，坑内水位随基坑开挖降至坑下1 m。保守计，不考虑钢支撑预加轴力。

表1 土层物理力学计算参数

3.2 验算与实测分析

运用同济启明星深基坑支护设计软件计算，基坑安全等级为二级，环境保护等级为二级，典型断面各项稳定系数验算结果见表2。插入比深度主要受控于抗倾覆验算。

表2 典型断面各项稳定系数验算

围护结构变形及内力计算结果见图5。由图5可见：围护最大变形16.9 mm＜0.3%×9.8 m=29.4 mm，最大弯矩-721.9 kN·m，最大剪力-569.2 kN。第1道支撑轴力-152.8～79.6 kN/m，第2道支撑轴力537.6 kN/m，第3道支撑轴力622.8 kN/m，第2道支撑换撑轴力609.1 kN/m。地表最大沉降13.4 mm＜0.25%×9.8 m=24.5 mm。通过计算，围护变形和稳定均满足《基坑工程技术标准》（DG/T J08-61—2018）要求；型钢截面和水泥土剪切验算均满足安全要求，过程略。

图5 围护结构变形及内力计算结果（典型断面）

通过施工监测数据显示，当基坑开挖至坑底时，围护最大变形达到了40 mm，底板浇筑后拆除第3道支撑支护附加变形3～5 mm。周边地表最大沉降16.35 mm，DN1 000给水管最大沉降13.96 mm。

与计算结果相比，实际围护变形量明显偏大，从而说明围护结构刚度明显不足。实测地表沉降比计算值超22%，也说明首道支撑的刚度略显不足。

通过对现场施工工况、变形数据的整理和分析，总结此次变形过大的主要原因如下：

（1）支撑不及时。土方开挖与支撑架设存在较明显的时间差，计算软件中无法考虑超挖状态。

（2）降水效果不佳。上海软土孔隙比大，但渗透性极差，即便采用真空管井，也经常出现抽水量不大的情况，降水效果无法达到理想要求，可能导致计算工况与实际存在差异。

（3）周边动载持续作用。周边交通重载的反复、持续和不确定作用，对基坑支护存在较明显的影响，而仅仅提高超载值与实际并不相符。

（4）围护刚度偏弱。在底板浇筑完成后，拆除第3道支撑时，围护墙仍发生3～5 mm变形，说明围护结构刚度偏弱。

综上所述，在加强现场施工管理等措施的前提下，仍需要针对此类基坑的支护进行加强设计，例如部分深基坑考虑型钢密插以提高围护刚度；地基加固抽条间距加密，加固深度加深，进一步保障被动区土压力发挥；建议加密钢支撑间距至3～3.5 m。

4 结语

（1）从安全性和经济性考虑，10 m以内基坑采用型钢水泥土搅拌墙较合理。建议采取隔离和管理措施，既保证施工场地平整，又使得型钢不承受主要竖向荷载。

（2）采用同济启明星软件进行设计验算，各项控制指标均满足规范要求，但实际围护变形量明显偏大，实测地表沉降也较计算值超22%。

（3）通过对现场施工工况、变形数据的整理和分析，此次变形过大的主要原因为支撑不及时、降水效果不佳、周边交通重载持续作用、围护刚度偏弱。

（4）在加强现场施工管理等措施的前提下，仍需要针对此类基坑的支护进行加强设计，例如部分深基坑考虑型钢密插以提高围护刚度；地基加固抽条间距加密，加固深度加深，进一步保障被动区土压力发挥；建议钢支撑间距加密至3～3.5 m。