软土地区复杂边界条件下深大基坑钢前撑支护应用研究

谢弘帅 李正阳 何林南 郑鹏亮 王宗生 杜维彬

1. 上海海洋地质勘察设计有限公司 上海 200120；2. 中建二局第一建筑工程有限公司 北京 100176

1 工程概况

1.1 工程简介

项目位于浙江省玉环市，分为住宅区和商业区，整体设一层地下室。基坑周长1 768.00 m，基坑面积7.85万 m2。基坑开挖深度为4.35～7.05 m。

基坑西侧为规划道路，其余三侧为已建市政道路，其中住宅区北侧地库外墙距用地红线最近2.10 m，距外墙5.50～8.30 m分布有消防、供水、电力等市政管线，基坑周边环境如图1所示。

图1 基坑周边环境示意

1.2 工程地质条件

根据地质资料，场地地貌属冲海积平原，基坑开挖影响深度内以淤泥为主，基坑开挖的坑底位置均位于该土层上。土性物理力学指标如表1所示。

表1 基坑围护设计土性物理力学指标

地下水类型主要为孔隙潜水和微承压水，潜水埋深0.5～1.5 m，微承压水头埋深约2.8 m。

2 基坑支护方案选型

住宅区北侧基坑距用地红线较近（最近仅2.10 m），且红线外分布有诸多市政管线。基坑跨度较大，若采用常规的水平支撑需设置大范围的角撑，支护造价高，且支撑系统养护和拆除时间长，造成资源浪费；若采用斜抛撑支护，则需跨越北侧坑边主楼设置，并需待中心岛底板养护后进行斜撑下土方的二次开挖，延误工期，无法满足建设单位主楼先施工、先预售的工期要求。

因此本工程引入钢前撑支护技术[1]，通过在坑内设置斜向钢管撑，并在基底软土中对钢管注浆以提高摩阻力，形成超前支撑。不仅不占用基坑开挖工期，且底板可一次性施工完成，既减少了资源浪费和土方开挖难度，也可以避免因底板分区可能引起的渗漏风险。从造价、工期和施工便利性方面都具有明显的优势。

3 数值模拟分析

住宅区北侧支护采用φ700 mm钻孔灌注桩＋高压旋喷桩止水帷幕，钢前撑采用φ325 mmh 8 mm，间距2 700 mm，长度24.0 m，倾角45e ，单根钢管注浆3.5 t，坑边7.0 m范围设厚200 mm配筋垫层，坑内设高压旋喷桩加固，厚3.0 m。基坑支护典型剖面如图2所示。

图2 基坑支护典型剖面示意

通过有限元数值模拟对其受力特征进行分析，基坑开挖至基底标高时，最大位移位于钢前撑与基底交界部位，位移值为17.45 mm，钢前撑轴力为404.46 kN，支护桩最大位移为15.24 mm。取距离基坑最近的消防管线进行分析，基坑开挖到底时，管线最大位移为11.61 mm，基坑变形可控（图3～图5）。

图3 基坑位移云图

图4 支护桩位移图

图5 管线位移图

4 施工工艺技术要点

4.1 施工工艺流程

支护施工流程为：施工支护桩→施工圈梁及钢前撑并跟踪注浆→采用岛式挖土分层分块挖除坑边配筋垫层设计宽度的土方→施工配筋垫层，钢前撑穿越底板区域设置止水钢板→待配筋垫层达到80%设计强度，分层分块挖除基坑中部区域土方，并浇筑垫层底板→地下室结构施工→基坑回填→割除钢前撑。

4.2 施工技术要点

1）单节钢管杆体长度一般可控制在6～12 m；上下节钢管采用套管焊接连接。

2）注浆钢管成孔可采用振入注浆式或自钻式成孔这2种方式，根据土层情况可预先引孔。

3）本工程宜采用约束式注浆工艺，水泥浆液水灰比宜取0.5～0.7。应结合约束体位置针对性实施注浆作业，钢管杆体沉放到位后跟进注浆。注浆应按约束体位置由下到上依次单独实施；注浆流量宜控制在20～40 L/min，注浆最终完成的标准以单根桩水泥用量或最终注浆压力控制：φ325 mmh 8 mm单根桩水泥用量不宜少于3.5 t或最终注浆压力1.5～2.0 MPa；注浆完成后钢管内填满20～40 mm级配碎石，并用纯水泥浆液灌满。

4）基坑分段开挖长度需控制在20 m以内，配筋垫层一端应浇筑至围护桩边，另一端从型钢桩入土点外延不小于2.0 m。

5）钢前撑拆除应在相应区域底板以及可靠换撑形成，且达到设计强度80%后进行，若周边环境条件较为敏感，则可保留部分注浆钢管待地下室施工至f 0 m后再进行拆除回收。

6）钢前撑应通过调整角度避开工程桩、电梯井及消防集水井等部位，且需对钢前撑进行准确定位。

4.3 荷载试验

钢前撑应根据规范[2]要求进行静载荷试验以确定单桩承载力，试验桩的数量不少于3根，加载应分多级进行，且应采用逐级等量加载，最大加载量为1 000 kN，变形按总沉降量100 mm控制。

根据钢前撑竖向抗压静载试验分析报告，钢支撑竖向抗压极限承载力不小于1 000 kN，最大沉降量在18.08 mm～23.52 mm，满足设计要求，卸载至零后，有明显的回弹量，钢支撑结构基本完整。钢前撑静载荷试验成果详见表2。

表2 钢前撑静载荷试验成果汇总

5 基坑支护效果

为保证基坑的安全，在基坑施工过程中对基坑进行了各项变形和应力观测。本文主要对围护结构有直接检验效果的深层土体水平位移、支撑轴力和体现对周边环境影响的管线沉降进行分析。

图6为开挖至基底标高时深层土体水平位移监测曲线。从图中可以看出，支护桩最大位移发生在基坑顶部，位移值为15.21 mm，与有限元模拟结果基本一致。考虑到基底以淤泥为主且分布厚度较大，主要是因钢前撑在斜向荷载作用下，在淤泥土层中出现沉降和变形。

图6 深层土体水平位移监测曲线

图7为深层土体水平位移最大值在不同施工时期的位移曲线。从图中可以看到，在基坑开挖阶段位移变化速率较大，为0.55～1.31 mm/d。至底板浇筑后，位移曲线出现明显拐点，水平侧向位移趋于稳定，变形速率逐步下降至0.07 mm/d，但随着基坑暴露时间增加，累计变形仍在逐步增大。至基坑回填，深层土体最大位移值为25.72 mm，满足设计要求。

图7 深层土体位移-时间监测曲线

施工期间钢前撑轴力监测最大值为438.60 kN，未超过设计轴力预警值。

对基坑北侧最近的消防管线进行监测，基坑施工阶段管线的最大位移值为8 mm，满足规范中沉降限值30 mm的要求[2]。围护结构有效控制了对周边环境的影响。

6 结语

钢前撑支护作为一种新型的支护形式，既避免了大范围设置水平支撑造成的资源浪费，也避免了采用斜抛撑产生的主楼底板切割及二次开挖造成的工期增加。大大简化了支护结构及土方开挖的施工流程，对深大基坑周边环境适应性强，具有广泛的应用前景。

根据数值模拟，钢前撑支护可有效控制基坑开挖对周边管线产生的变形，对于环境保护要求严格的边界条件可采用基坑回填后割除钢前撑的措施来控制拆撑变形。

根据施工监测情况，支护桩最大位移发生在基坑顶部，考虑到基底以淤泥为主且分布厚度较大，主要是因钢前撑在斜向荷载作用下，在淤泥土层中出现沉降和变形。

至底板浇筑后，支护位移曲线出现明显拐点，水平侧向位移趋于稳定，变形速率逐步下降，但随着基坑暴露时间增加，累计变形仍在逐步增大。施工中应开挖到底后立即浇筑垫层，并采用分段开挖等措施，减少基坑开挖到底后的暴露时间，控制后续变形。