双排桩结合CSM支护在圆砾-卵石地区的应用研究

季家俊

上海勘察设计研究院有限（集团）公司 上海 200093

双排桩支护结构由前排桩、后排桩、连梁与圈梁组成，具有刚度大、侧向变形小、施工速度快、挖土便利等优点，在全国大范围内得到了广泛应用。受制于理论研究与计算软件，双排桩支护结构在工程设计中多按前后排桩同桩型、等间距、等长度的基本构型用理正软件计算。但双排桩体系中前排桩对控制支护结构变形、保持基坑稳定性的作用远大于后排桩，基本构型易造成资源浪费，存在优化空间。

湖北荆州地区比邻荆江，除浅部土层为黏土层外，下部土层均为深厚圆砾-卵石层。圆砾-卵石层透水性极强，且赋存承压水、水位高，深基坑开挖时地下水控制难度高。CSM，即双轮铣深层搅拌水泥土地下连续墙，是通过对原地层进行铣、削，并掺入水泥浆固化液充分搅拌而形成的止水结构，具有切削性能高、止水效果好、施工速度快、可靠性高等优点[1-2]，目前已得到广泛应用。

本文以湖北荆州某大型商业综合体为例，分析改进型双排桩结合CSM止水支护结构在基坑工程中的应用。

1 工程实例

1.1 工程概况

背景工程位于湖北省荆州市，项目分为南、北2个地块，地库地下1～2层，基坑面积总计107 000 m2，基坑挖深5.0～10.3 m。基坑分区及周边环境如图1所示。依据湖北省基坑设计规范，地下2层从严按一级基坑、地下1层按二级基坑进行设计。

1.2 工程地质条件

基坑开挖范围内主要土层依次为：①层填土、②层粉质黏土、③层粉砂夹粉土、④层细砂（局部分布）、⑤1层卵砾石、⑤2层圆砾、⑤3层卵石。其中⑤1层与⑤2层砾石粒径大部分为2～10 mm，充填物主要为粉土及粉砂，级配较差；⑤3层卵石粒径一般为2～5 cm，个别可达10 cm以上，颗粒较大。

拟建场地地下水由上层滞水、孔隙承压水组成，承压水水位埋深2.0 m。

图1 基坑分区及周边环境示意

1.3 基坑支护设计

本工程为大型深基坑工程，存在形状不规则、挖深关系复杂、分期先后施工等问题。本文着重介绍地下2层一般区域支护设计，基坑挖深10.3 m。

1.3.1 基坑支护结构设计

拟建场地分布有深厚圆砾-卵石层，承压水水位高，常规“单排桩＋多道锚杆支护”存在锚杆施工前侧壁承压水突涌的问题，故支护结构采取了可靠性高、安全性好的双排桩支护。

双排桩的前排桩采用φ900 mm@1 200 mm灌注桩，桩长19.2 m，插入比1∶1.1。后排桩采用φ900 mm@ 3 600 mm灌注桩，桩长15.7 m，插入比1∶0.7。前后排桩间距4.5 m。

前后排冠梁尺寸为1 200 mm×800 mm，连梁尺寸为900 mm×800 mm，间距3.6 m，混凝土强度等级为C30。

1.3.2 基坑止水设计

拟建场地底部为深厚圆砾-卵石层，土层粒径随深度增加而不断加大，由砾石到圆砾再到卵石，基坑止水桩深部施工难度大，且无法隔断承压含水层。

拟建场地邻近荆江，地下水与荆江有密切的水力联系，地下水量丰富；深厚圆砾-卵石层渗透系数大，水力补给作用显著，且承压含水层稳定水位较高，基坑降水量大、难度高。有鉴于此，为可靠有效地止、降水，本工程采用厚700 mm的CSM止水，成槽深度27.2 m，深入坑底以下19 m，通过绕流作用隔水。基坑降水采用桥式钢管井，井深21 m，并配以大功率水泵，疏干水位至坑底下1.0 m，以满足施工要求。

基坑支护剖面图2所示。

2 双排桩支护结构设计参数分析

图2 基坑剖面示意

本工程基坑设计计算采用启明星软件，该软件能考虑双排桩前后排不同桩长、桩间距的情形。相应计算结果如图3所示。启明星软件计算结果与湖北省天汉软件计算结果相近，并与基坑监测相符（支护结构最大测斜位移3.5 cm）。

图3 基坑剖面计算结果

由图3可见，双排桩受力变形具有如下特点：

1）双排桩支护结构作为悬臂支护体系，且由于基坑底部圆砾-卵石层土质较好，故基坑变形表现出典型的上大下小特征，最大变形点位于基坑开挖深度的一半附近。

2）前后排桩变形与受力特征基本一致，前排桩受力大于后排桩。

以本工程为例，分别保持其他设计参数不变，分析双排桩排距、前排桩桩长、后排桩桩长、前后排桩桩间距变化对双排桩变形与稳定性的影响。

2.1 双排桩排距

依据湖北省基坑设计规范，双排桩排距宜为2.5d～5.0d（d为桩径）；依据国标，双排桩排距宜为2.0d～5.0d。在基坑设计中，支护桩采用灌注桩时，桩径通常为1/12h～1/10h（h为基坑挖深）。因此，双排桩排距依据基坑挖深确定更能反映实质影响，即为0.3h～0.5h。

排距对基坑变形与稳定性的影响如图4所示。

由图4可见，双排桩排距对基坑稳定性影响较小，对基坑变形影响较大。

2.2 前排桩桩长

本工程深部土层为圆砾-卵石层，土质较好，基坑稳定性主要由抗倾覆稳定性决定。不同前排桩桩长对基坑变形与稳定性的影响如图5所示。

图4 排距对双排桩的影响

图5 前排桩桩长对双排桩的影响

由图5可见，当基坑深部为硬土、底部无显著硬土层时，前排桩桩长对基坑变形影响较小，对基坑稳定性影响较大。通过增加前排桩插入比，可提高基坑稳定性系数。

2.3 后排桩桩长

依据湖北省基坑设计规范，悬臂双排桩的嵌固深度对于一般黏性土与砂性土，不宜小于0.5h（h为基坑挖深）；依据国标，相应嵌固深度不宜小于0.6h。不同后排桩桩长对基坑变形与稳定性的影响如图6所示。

图6 后排桩桩长对双排桩的影响

由图6可见，当基坑深部为硬土、底部无显著硬土层时，后排桩桩长对基坑变形与稳定性影响较小。因此，可通过前后排长短桩的组合方式来优化双排桩支护结构。

2.4 前后排桩桩间距

分别按以下3种前后排桩桩间距进行分析：

1）模式1：前排φ900 mm@1 800 mm，后排φ900 mm@1 800 mm。

2）模式2：前排φ900 mm@1 200 mm，后排φ900 mm@3 600 mm。

3）模式3：前排φ900 mm@1 200 mm，后排φ900 mm@2 400 mm。

不同模式下支护结构受力与变形计算结果如表1所示。

表1 不同桩间距条件下基坑内力变形计算结果

对比模式1与模式2，二者支护桩桩数相同，但由计算结果可见，采用双排桩前排密桩、后排疏桩分布形式的基坑变形相对更小，双排桩支护结构中前排桩对支护体系的贡献更大。

对比模式2与模式3，在前排桩间距不变的前提下，后排桩间距对基坑变形基本无影响，主要影响的是后排桩的弯矩。

3 CSM的施工控制

本工程地下2层一般区域CSM成槽深度约27 m，施工需穿越圆砾、卵石层厚约15 m，确保CSM的成墙质量与垂直度控制是难点。设计与施工中主要采取如下措施：

1）采用往复式双孔全套打复搅式成槽，施工过程中应保证施工机械的平整度和机架的垂直度，墙体的垂直度偏差不得超过0.5%。

2）水泥掺量20%，水灰比1.0～1.2，并掺入5%膨润土以保持槽孔壁的稳定，防止坍孔。

3）双轮铣下沉速度50～80 cm/min，提升速度80～ 100 cm/min，严格控制施工速度。

4 结语

以某大型基坑支护设计项目为例，介绍了圆砾-卵石地区改进型双排桩支护结构的应用，得到以下结论和经验：

1）双排桩排距宜取0.3h～0.5h（h为基坑挖深），排距主要影响基坑变形，对稳定性影响较小。

2）双排桩宜采取前排密桩、长桩，后排短桩、疏桩的改进形式，前排桩对支护体系的贡献更大；宜通过前排桩插入比控制基坑稳定性，通过前排桩桩间距来控制基坑变形。

3）CSM切削性能高、止水效果好，适用于地下水位高、地下水量丰富、水力补给作用显著的圆砾-卵石地区的深基坑工程。