多种组合式支护结构在局部狭小空间深大基坑工程中的应用

杨宇松

上海建工房产有限公司 上海 200080

伴随着现代化城市建设的不断发展，地下空间的利用与开发也呈现出多样化和复杂化的特点[1-2]。

然而，仅采用单一式的支护结构不足以满足基坑工程施工对安全性、经济性以及工期等的需求，因此采用组合式的支护结构，对不同的支护区域进行区别对待，才是经济合理的选择。

1 工程实例

1.1 工程概况

背景项目位于上海市浦东新区，市政海路（规划）以东，勤奋路（规划）以南，无名河以西，中港河以北所围合的区域内。拟建主体工程包括5幢高层住宅、1幢KT站、1幢PT站、1幢垃圾房、1幢门卫、燃气调压站及整体1层地下车库。基坑总面积约23 500 m2，周长约612 m，平面呈不规则矩形，基坑普遍开挖深度6.08 m。基坑周边环境条件：东侧、南侧及西侧均有河道；西侧、北侧均有规划道路；用地红线与基坑间距离很近，最小仅2.70 m。

1.2 工程地质与水文概况

本场地地貌属于上海地区五大地貌单元中的滨海平原地貌类型，基坑开挖范围内涉及的土层主要为①1素填土、②粉质黏土、③1淤泥质粉质黏土夹粉性土、③2黏质粉土夹淤泥质粉质黏土、③3淤泥质粉质黏土。

场地内潜水稳定水位埋深为0.91～2.50 m，设计时地下潜水位按最不利条件，选取埋深0.50 m考虑。承压水处在⑦砂质粉土中，属第Ⅰ承压含水层。

1.3 不良地质概况

1）明、暗浜。场地西北地段分布1处明浜及1处暗浜。明浜呈T字形，河宽11 m左右，水深0.40～0.70 m，其下分布浜底淤泥，明浜西侧以北填埋，下方分布浜填土。场地北浜填土，厚度0.60～1.70 m，流塑状，富含有机质，土质极差。在基坑围护结构设计、施工时，需考虑其不利影响，宜采取加强围护结构措施。

2）厚填土。场地西侧树林地段地势较高，堆土需采取清运或视工况因地制宜采取相关工程措施。

3）浅层粉性土。场地浅层有③2黏质粉土夹淤泥质粉质黏土分布，在动水作用下易形成管涌、流砂现象，对基坑开挖有一定影响，需引起重视。

2 基坑总体设计方案

2.1 基坑特点分析

1）局部支护使用空间不足。地下室外墙与用地红线局部位置最小间距仅为2.70 m，造成支护结构局部用地空间不足，使得围护结构的选型有一定的困难。

2）基坑防渗止水难度高。根据地勘报告相关内容，场地内分布有③2黏质粉土夹淤泥质粉质黏土，该土层透水性强，在动水作用下易形成管涌、流砂现象，因此确保基坑工程的安全施工，做好防渗止水难度大。

3）工程体量大，工期要求高。由于本工程体量大、工期紧，因而基坑的整体支护方案选型需要综合考虑场地、工期等要求，以满足各参建方的要求。

2.2 基坑支护方案设计

2.2.1 基坑支护方案选型

本工程基坑面积约23 500 m2，普遍开挖深度5.88 m，承台和号房单体开挖深度6.08 m，环境保护要求三级，属于较大规模的深基坑工程，因此需要选择一种经济、适宜的基坑支护设计方案，以确保基坑工程安全顺利实施，同时让业主的投资最优化、收益最大化。

1）放坡开挖是最为经济、便捷的基坑施工方法。放坡开挖工艺简单、造价低、施工速度快，但由于基坑是敞开式开挖，所以需要有充足的施工场地与放坡空间。本工程用地红线与基坑边线之间的距离难以满足基坑放坡开挖所需的场地空间要求。

2）水泥土重力式围护墙是一种使用固化剂加固土体后，使得土体形成一定厚度和嵌固深度的无支撑重力式墙体，以承受墙后水、土压力的挡土结构。该支护结构是依靠墙体自重、墙底摩阻力和墙前基坑开挖面以下土体的被动土压力稳定墙体，以满足围护墙的稳定性和控制墙体变形等要求。水泥土重力式围护墙变形控制能力一般，内部可敞开式挖土，施工便捷，但需占用红线内一定宽度的场地空间，本基坑大部分区域可以采用该种支护形式。

3）复合土钉支护结构是由密布于土体中的土钉、土钉之间的被加固土体及黏附于土体表面的钢筋混凝土面层组成，是一种具有一定自稳性的挡土结构。该支护结构能够抵抗其后水、土及地面附加荷载等作用力，从而保持开挖面的稳定。该支护结构施工便捷，其经济性相比水泥土重力式围护墙更具优势。但其使用受用地红线的限制，空间条件往往较难以满足。

4）土工法桩是将型钢插入水泥土搅拌桩而形成的复合式支护结构，具有较大的刚度和一定的止水性能。此外，型钢可在基坑施工完成后再拔除，造价较为经济；型钢布置还可根据基坑挖深及环境条件灵活选择“插一跳一”“密插”等形式。在本基坑西侧、南侧空间不足区域采用土工法桩结合1道竖向钢管斜撑的支护方式，并采用中心岛式挖土，完全可以满足本工程基坑的稳定性及内力变形控制要求。相比大面积设置水平支撑的方案，采用竖向斜撑方案将大大节省支撑材料用量，受力性能也更好，但对施工总包单位的施工水平和组织能力有较高要求。

根据相关规范要求及上海地区工程经验，结合基坑周边环境及用地红线退界情况，并遵循“安全、经济、方便施工”[3]的原则，本基坑工程总体采用明挖顺作分区施工的方案，同时考虑到基坑的开挖深度、场地的周边条件及环境保护要求等，本工程普遍采用水泥土重力式围护墙作为基坑周边围护结构的基本形式，在东侧、南侧空间不足区域采用土工法桩围护结合1道竖向钢管斜撑的支护结构形式。整个基坑按照“先深后浅”的开挖流程[4]，以减少基坑开挖过程中暴露的时间和空间，从而有效控制基坑变形以及保护周边环境。

2.2.2 基坑支护结构空间充足区域

由于基坑西侧、南侧局部以及东侧局部的用地红线与基坑边线间距为5.7～6.9 m，该距离无法采用放坡开挖或复合土钉支护。而板桩结合斜抛撑支护体系施工流程烦琐、工期长且造价高，因此结合实际情况，对本区域采用水泥土重力式围护墙结构，并在墙体迎坑面插入H型钢，同时在基坑周边设置被动区墩式加固（图1），以较好地控制支护结构的变形、位移及整体稳定性。

图1 水泥土重力式围护墙结构剖面布置

2.2.3 基坑支护结构空间不足区域

1）“椅子式”水泥土重力式围护墙区域。由于基坑北侧区域用地红线与基坑边线间距仅4.8 m左右，为确保基坑开挖安全，该区域采用“椅子式”水泥土重力式围护墙，即围护墙体迎坑面加打2排φ700 mm@500 mm双轴水泥土搅拌桩，基底以上部分将在基坑开挖时挖除，并在墙体迎坑面插入H型钢，同时在基坑周边设置被动区墩式加固（图2），以较好控制支护结构的变形、位移及整体稳定性。

2）水泥土重力式围护墙套打“双排桩”区域。由于基坑西侧局部和西北角用地红线与基坑边线间距仅为3.8～4.2 m，为了确保基坑开挖的安全，在该局部区域采用重力坝内套打φ700 mm@1 500 mm（2 000 mm）双排灌注桩，并在桩顶间设置钢筋混凝土连梁，形成一种复合空间门架式支护体系（图3）。该多种组合式支护式结构体系能有效提高支护结构的整体抗变形能力，从而有利于控制基坑的变形、位移及整体稳定性，大大减小基坑开挖施工对周边环境的影响。并且该多种组合式支护结构体系不需内设支撑，施工方便，能有效缩短工期。

图2 “椅子式”水泥土重力式围护墙结构剖面布置

图3 水泥土重力式围护墙套打“双排桩”支护结构剖面布置

3）土工法桩围护区域。由于基坑南侧局部和东侧局部区域用地红线与基坑边线间距仅为2.7 m左右，为了确保基坑开挖的安全，在该局部区域采用工法桩结合1道竖向钢管斜撑的支护结构形式，基坑周边设置被动区墩式加固。为有效控制围护墙的变形和位移，施工过程中采用中心岛式挖土方案，同时预留土坡，采用两级放坡：一级坡坡度≤ 1∶1.5，二级坡坡度≤1∶2.0，坡间平台宽度≤1.5 m，坡顶平台宽度≤5.0 m。为了确保边坡稳定，需采取有效的护坡措施：坡面采用厚50 mm的C20混凝土面层结合φ6 mm@200 mm×200 mm的双向钢筋网护坡，并在开挖阶段限制坡顶堆载（图4）。

图4 土工法桩支护结构剖面布置

3 环境影响数值分析

本工程通过Plaxis有限元软件，结合基坑开挖施工工况选取了2个危险剖面：水泥土重力式围护墙内插型钢邻近道路位置和土工法桩结合1道竖向钢管斜撑邻近河道驳岸位置，分析了基坑开挖施工过程中支护结构的变形及对周边环境影响的变化趋势，以便及时采取有效的控制措施。

根据计算分析结果，当基坑开挖至基底时，各危险剖面关键支护结构、道路以及建（构）筑物的位移情况如下：

1）水泥土重力式围护墙内插型钢邻近道路位置：围护结构最大侧移出现在基坑顶部位附近，为19.7 mm，基坑外规划道路最大沉降3.6 mm。

2）土工法桩结合1道竖向钢管斜撑邻近河道驳岸位置：围护结构最大侧移出现在基坑底部位附近，为12.2 mm，基坑外河道驳岸最大沉降0.6 mm。

参照上海市地方标准DG/T J08-61—2018《基坑工程技术标准》，各项位移值均满足规范允许的变形控制值要求，进一步表明本工程基坑围护方案在基坑开挖过程中对支护结构、道路以及基坑周边建（构）筑物的影响满足安全性要求。

4 结语

对于开挖深度深、面积大以及周边环境多样的基坑工程，尤其是处于上海软土地区的基坑工程[5]，需结合基坑各边的周边空间可利用条件、基坑挖深及土层地质特性等因素，从基坑的安全性、技术的有效性、施工的可行性以及经济的合理性等多方面进行综合考虑，择优选用适宜于当前基坑工程情况的支护结构设计方案。

本工程结合基坑的特点及周边环境情况，对不同的区域分别采用了水泥土重力式围护墙、“椅子式”水泥土重力式围护墙、水泥土重力式围护墙套打“双排桩”支护结构以及土工法桩支护结构等多种组合式支护结构，在保证了基坑开挖施工的安全性和保护了周边环境的前提下，也满足了业主方对于施工进度、经济效益及工期的需求，可为今后类似工程提供一定的参考经验和价值。