复合土钉支护结构在深厚软土基坑中的应用

曾家培 ZENG Jia-pei

（广州市城市规划勘测设计研究院，广州 510060；广东省城市感知与监测预警企业重点实验室，广州 510060）

0 引言

珠三角地区软土分布广泛，随着城市建设的高速发展，位于深厚软土场地的地下开发项目数见不鲜[1-3]，该类项目的基坑工程具有支护设计和施工难度大、工程造价高昂等特点。为均衡考虑支护设计方案的安全性和经济性，往往需要结合场地条件，充分对比分析设计方案和开展优化设计，在保证安全的前提下尽可能地降低工程造价，确保设计方案安全合理。

本文以珠三角地区某住宅楼和商业配套工程为例，基于工程地质和周边环境等条件分析了深厚软土基坑的支护设计与优化过程，分别采用理正深基坑和Midas/GTS 有限元软件验算了基坑整体稳定性，并介绍了复合土钉支护结构在紧邻既有建筑物支护段的工程实践情况，可为砂层和软土深厚场地中的深基坑支护设计与施工提供一定参考。

1 工程概况

某住宅楼和商业配套工程位于珠三角地区，拟建9 栋超高层建筑塔楼，塔楼采用框架-剪力墙结构和灌注桩基础，建筑±0.00 标高相当于1985 国家高程6.13m。场地北侧为住宅区，拟设2 层地下车库，南侧为商业区，下设1～2层地下室。场地地貌类型属珠江三角洲平原，现状地面标高在1.54～6.55m 之间，基坑顶部整平标高约3.5～4.3m。基坑开挖高度为5.87～10.35m，支护周长约1200m，开挖面积约62500m2。基坑周边大部分区域无需要保护的建（构）筑物，东南侧局部有现状变电站及地铁隧道，西南侧为在建市政道路和先建配套建筑，地下室边线距先建配套建筑边线约9m，其余建筑物离基坑较远。

2 工程地质与水文地质条件

2.1 工程地质条件

场地内粉砂、淤泥质土等松软土层深厚，主要岩土层结构特征及物理力学性质自上而下描述如下：①人工填土：杂色，层厚1.50～7.90m，广泛分布，主要由杂填土组成，局部为素填土。杂填土由粉质粘土、粉土等回填，松散；素填土由粉质粘土、中粗砂及少量碎石等组成，稍压实。②粉砂：深灰、灰黑色，松散，级配不良，层厚2.40～19.00m，广泛分布。土层含较多有机质、淤泥，局部夹有贝壳碎片和淤泥质土。③淤泥质土：深灰、灰黑色，流塑，层厚1.80～35.80m，广泛分布。土层含较多粉砂及有机质、贝壳碎片等，偶夹粉砂薄层，局部夹粉质粘土或粉细砂。④淤泥质土：灰黑色，流塑～软塑，层厚1.50～16.20m，局部分布。土层含较多粉细砂及有机质，局部夹粉砂薄层。⑤强风化砂岩：褐红色等，半岩半土状，局部为角砾状，岩石风化不均匀，局部夹中风化岩，广泛分布。（表1）

2.2 水文地质条件

场地内地下水类型主要为赋存于填土层的上层滞水、第四系松散土层孔隙潜水和基岩裂隙水。粉砂层为主要含水层，具有分布广、层厚较大、透水性好等特点；基岩中的水量较贫乏，局部因构造作用裂隙发育处水量稍丰富。相对稳定水位埋深为0.30～4.90m，水位年变化幅度在1.00～1.50m 之间。

3 基坑支护设计与优化

3.1 基坑特点与重难点

①基坑支护需采取有效措施确保止水成效，做好降排水工作。场地内砂层深厚且广泛分布，存在漏水流砂风险，可能导致坑外砂土大量流失从而对周边环境造成严重影响；砂层为透水性较好的富水层，土方开挖过程中如抽排坑内积水不及时，可能会泡软土体，对基坑安全造成不利影响。

②需严控支护结构施工质量，做好现场施工组织和应急预案。场地内分布有深厚软土层，该土层具有低强度、高压缩性等不良特性，施工时易出现水泥搅拌桩成桩质量低、预应力锚索成孔塌孔等问题；施工机械可能因松软地面沉陷倒塌；现场开挖土方过程中也易出现临时开挖面局部滑塌等现象。

③周边建（构）筑物的监测和保护尤其重要。基坑西南侧紧邻先建配套建筑，监测是了解其变形情况的重要手段；基坑和东南侧建（构）筑物相距较远，地下室边线距东南侧现状变电站和地铁隧道最近处分别为35m 和90m，但一方面深厚软土基坑的工程影响范围相对较大，另一方面监测数据异常时可及时分析处理避免纠纷，因此仍需对变电站做好监测。

3.2 原设计方案

综合考虑基坑深度与周边环境、场地地质条件、现场施工条件等情况，基坑支护主要采用放坡支护，并结合大直径或三轴水泥搅拌桩等加固处理，基坑外围均设置1 排三轴水泥搅拌桩形成封闭止水帷幕，并要求套接一孔施工确保止水成效。因基坑西南侧局部紧邻先建地上3 层配套建筑（桩基础），此段支护设计方案应通过对比分析选择安全合理的支护方案。

基坑西南侧开挖深度为5.87m，因建设方工期安排和为便于现场施工，不考虑支护桩结合水平撑或斜撑等影响坑内施工组织的支护方案。此外，该段勘察钻孔资料未揭露砂层，如采用支护桩结合预应力锚索的支护方案，不能确保土层能给普通锚索提供足够的锚固力，如采用扩大头锚索则易影响到邻近建筑的桩基础。且该段土质较差、施工空间受限，放坡结合水泥搅拌桩加固的方案难以放缓放坡坡率，无法满足基坑稳定性要求，而采用双排桩支护则过于昂贵。经初步对比分析，基坑西南侧紧邻先建配套建筑段拟采用支护桩悬臂结合被动区加固进行支护，支护桩选用直径1m@1.2m 灌注桩，冠梁尺寸为1m×0.8m，支护桩采用两短一长的平面布置，长桩和短桩分别长35.2m 和45.2m；被动区加固采用7 排6m 长三轴水泥搅拌桩；冠梁顶部采用1:1.5 的坡率进行放坡处理，放坡高度为2.87m，坡面插筋喷砼护面。支护剖面如图1 所示。

图1 原设计支护剖面（紧邻先建配套建筑段）

3.3 优化设计方案

紧邻先建配套建筑段的原支护设计方案在技术上可行，是软土基坑中被广泛应用的支护方案，但存在以下缺点：①软土场地中排桩悬臂支护的受力及变形在很大程度上受被动区加固影响，如出现水泥搅拌桩施工质量不佳等情况，支护结构及邻近建筑存在变形较大的风险；②桩顶放坡位于填土中且仅插筋喷砼处理，放坡坡面可能在连续降雨等因素影响下出现局部土体滑落、掉块等现象，从而影响到先建配套建筑的正常使用；③因场地存在深厚软土，为确保基坑安全稳定，设计桩长超35m 并在坑内设有较大宽度的内加固，支护造价十分昂贵。

为解决上述问题优化该段支护选型，对紧邻先建配套建筑段采用复合土钉支护结构，即在放坡结合水泥搅拌桩加固支护方案的基础上增设注浆钢花管，要求施工时钢花管避开建筑桩基础，同时根据场地空间限制控制放坡坡率。优化设计支护方案，在坡顶设置三轴水泥搅拌桩止水，坡脚及坡面设置较大宽度的水泥搅拌桩加固，局部设有竖向内插钢管加强，并采用5 道注浆钢花管加固坡面，钢花管水平间距为1.0～1.2m，长度为9～15m，成孔直径为90mm。支护剖面如图2 所示。

图2 优化设计支护剖面（紧邻先建配套建筑段）

3.4 优化效益分析

基坑西南侧紧邻先建配套建筑，变形控制要求严格，通过优化该段支护方案，降低了基坑出现过大变形的风险，提高了基坑的安全可靠性。且削坡后更便于坑内施工组织，放坡坡面采用多道注浆钢花管加固处理，也减少了坡面局部滑塌的可能性。此外，在满足基坑变形和稳定性要求的前提下，支护成本显著降低，方案经济性更为合理。如表2 所示，原设计方案每延米的工程造价约为优化设计方案的1.7 倍，通过优化设计方案，工程成本降低了203.58 万元。

表2 支护成本分析表（紧邻先建配套建筑段）

4 边坡整体稳定性计算与分析

4.1 设计验算

软弱土层中边坡易出现局部滑移甚至整体失稳，确保基坑临时边坡整体安全稳定是本工程设计计算的关键。

在边坡稳定性定量分析方法中，极限平衡法是最早出现的确定性分析方法，而有限元分析法为适用性极广的数值分析方法[4]，两者均已被较多实践[5-6]证明能得到合理的边坡整体稳定安全系数。瑞典条分法是极限平衡法中较为古老和简单的一种，该方法将边坡滑动面假定为圆弧并忽略土条侧面作用力，根据边坡的下滑力和下滑抗力计算边坡整体稳定安全系数。强度折减法则一般被用于有限元分析中，此方法不断折减土体的黏聚力及内摩擦角直至边坡达临界破坏状态，并将强度指标的折减系数视为边坡整体稳定安全系数。

如表3 所示，分别采用理正深基坑（瑞典条分法）和Midas/GTS 软件（强度折减法）计算紧邻先建配套建筑段的边坡整体稳定性，其中采用Midas/GTS 软件建立的三维有限元模型选用修正摩尔-库伦本构模型，且为便于与理正计算结果进行对比分析，模型未对邻近建筑及其桩基础进行建模。由表可知因未考虑条间力作用瑞典条分法的计算结果整体上偏于安全，但两者的计算结果较为相近，开挖到坑底标高时两种方法计算的安全系数分别为1.679 和1.951，均满足相关规范的要求，表明边坡整体安全稳定。

表3 边坡整体稳定安全系数（紧邻先建配套建筑段）

4.2 工程实践

紧邻先建配套建筑段开挖至坑底标高时，基坑最大坡顶水平位移和沉降分别为12.8mm和5.1mm，配套建筑沉降在0.9～10.8mm 之间，均远小于规范允许值。土方开挖过程中，该段放坡坡面未出现掉块、脱落现象，坡顶无明显裂缝，先建配套建筑正常使用不受影响，基坑整体稳定，表明此段设计验算与实际相符且支护方案安全可靠，达到了方案设计的预期目标。（表4）

表4 监测数据（紧邻先建配套建筑段）

5 结语

结合某住宅楼和商业配套工程分析了紧邻配套建筑段的基坑支护设计与优化过程。工程实践表明，深厚软土基坑的支护方案应结合场地条件开展充分的对比分析，在保证安全的前提下避免采用造价不合理的支护方案；本工程砂层与淤泥深厚，优化方案采用的复合土钉支护结构在紧邻既有建筑物段取得了良好的应用效果，可为类似工程提供一定参考。