可回收支護(hù)體系在軟土地區(qū)深基坑工程中的應(yīng)用實(shí)例

廖志堅(jiān)

(上海地礦工程勘察有限公司　上?！?00072)

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可回收支護(hù)體系在軟土地區(qū)深基坑工程中的應(yīng)用實(shí)例

廖志堅(jiān)

(上海地礦工程勘察有限公司上海200072)

以上海某新建工業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)用房項(xiàng)目深基坑工程為背景，通過(guò)合理分區(qū)將基坑由大劃小，介紹了可回收支護(hù)體系SMW工法樁和魚腹梁鋼支撐系統(tǒng)在本工程中的應(yīng)用。實(shí)施與監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)和整個(gè)實(shí)施過(guò)程達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，較好地保護(hù)了周邊環(huán)境。

軟土； 深基坑；基坑分區(qū)；SMW工法樁；魚腹梁鋼支撐

0　引言

當(dāng)前城市地下空間發(fā)展迅速，基坑工程面積越來(lái)越大，大面積基坑工程在變形控制與土方運(yùn)輸上難度較大，是當(dāng)前軟土地區(qū)基坑工程的難題。傳統(tǒng)混凝土支護(hù)體系在基坑工程中應(yīng)用廣泛，安全度較高，技術(shù)成熟，但同時(shí)也帶來(lái)新的問(wèn)題，如造價(jià)高、工期長(zhǎng)、施工噪音大等等，因此在提倡環(huán)保節(jié)能的大環(huán)境下，應(yīng)該合理推廣新型可回收支護(hù)體系。

本文以上海某新建工業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)用房項(xiàng)目深基坑工程為背景，介紹了可回收支護(hù)體系在大面積基坑工程中的應(yīng)用。

1　工程概況

項(xiàng)目位于上海市浦東新區(qū)江鎮(zhèn)，晨陽(yáng)路以南、物流大道以西、江鎮(zhèn)河以北、郊環(huán)線以東地塊內(nèi)。整個(gè)地塊面積達(dá)到83 800 m2，含1～99#倉(cāng)儲(chǔ)用房，1～9層高，多座地下一層車庫(kù)，采用預(yù)制樁-筏板基礎(chǔ)。

基坑總面積約74 000m2，位于基坑內(nèi)部共含1～98#倉(cāng)儲(chǔ)，根據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)分布、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、基坑開挖深度以及開挖順序，將整個(gè)地塊基坑分為4個(gè)大區(qū)。其中1～3#倉(cāng)儲(chǔ)為A區(qū)，位于場(chǎng)地北部；85～98#倉(cāng)儲(chǔ)為B區(qū)，位于場(chǎng)地南部；4～58#倉(cāng)儲(chǔ)(即1～12#組團(tuán))及A區(qū)、B區(qū)的汽車坡道劃分為C區(qū)，位于場(chǎng)地內(nèi)部及西部；65～84#倉(cāng)儲(chǔ)為D區(qū)，位于場(chǎng)地東部?；泳唧w分區(qū)詳見圖1，各分區(qū)的基坑概況詳見表1。

1.1周邊環(huán)境

擬建場(chǎng)地原建筑物已拆除，現(xiàn)為空地?；?xùn)|側(cè)為物流大道，道路與基坑的距離約為8m，道路下有排水管線；南側(cè)為34m寬的江鎮(zhèn)河，其與基坑的距離約為25m；西側(cè)為規(guī)劃道路，道路后修，50m外為郊環(huán)線；北側(cè)為20m寬的九里河，其與基坑的最近距離為12m。總體上周邊環(huán)境保護(hù)要求不高，主要考慮東側(cè)道路和北側(cè)河道駁岸的保護(hù)，見圖2。

1.2工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

(1)擬建場(chǎng)地屬長(zhǎng)江三角洲濱海平原沉積類型，場(chǎng)地地形較為平坦，地貌單一。土層主要物理力學(xué)性能參數(shù)見表2[1]。

(2)擬建場(chǎng)地淺部土層中的地下水屬于潛水類型，其水位動(dòng)態(tài)變化主要受控于大氣降水和地面蒸發(fā)等影響?？辈炱陂g，實(shí)測(cè)取土孔內(nèi)的地下水靜止水位埋深在0.60～1.40m之間，標(biāo)高為2.86～3.51m。設(shè)計(jì)時(shí)地下水位按照高水位埋深0.5m取值。

(3)參考勘探資料及地形圖，該場(chǎng)地分布多條暗浜，暗浜深1.80～2.70m左右，上部分布1.00m左右雜填土，下部為淤泥或淤泥質(zhì)土。

(4)基坑開挖范圍主要位于②1、②3、③層中，以粉性土為主，特別是②3層，滲透系數(shù)較大。

表2　土層主要物理力學(xué)性能參數(shù)

2　支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)《基坑工程技術(shù)規(guī)范》DG/TJ08-61-2010規(guī)定，本基坑安全等級(jí)A、B、D區(qū)屬于二級(jí)，C區(qū)屬于三級(jí)；環(huán)境保護(hù)等級(jí)總體屬于三級(jí)，東側(cè)及北側(cè)按照二級(jí)考慮[2]。

本工程基坑面積大，地下室?guī)缀鯘M布，四周與紅線近，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件僅東側(cè)有一個(gè)出土口，建設(shè)單位對(duì)工期與造價(jià)要求高。要在滿足工期的前提下，方便施工，節(jié)省造價(jià)，保證基坑開挖安全，基坑的分區(qū)方案與支護(hù)體系的選擇尤為關(guān)鍵。

2.1總體方案選型

2.1.1基坑分區(qū)

(1)整個(gè)地塊基坑總面積達(dá)到74 000m2，其中沿著北、東、南三側(cè)為整體地下車庫(kù)，深度為7.10～7.30m；內(nèi)部及西側(cè)由12個(gè)組團(tuán)獨(dú)立地下室組成，深度為4m。

(2)基坑周邊與紅線的距離為3.5～7.8m，周邊不具備放坡卸土的條件。

(3)基坑?xùn)|側(cè)道路下有市政管線需要保護(hù)，北側(cè)需要重點(diǎn)保護(hù)駁岸及橋臺(tái)。

根據(jù)基坑深度劃分，可將基坑分為一深一淺兩個(gè)區(qū)，但考慮到本工程僅東側(cè)有一個(gè)出土口，且整體地下車庫(kù)形狀復(fù)雜，不利于變形控制，因此將整體地下車庫(kù)劃分為A、B、D三個(gè)區(qū)。內(nèi)部12個(gè)組團(tuán)地下室深度相同，分布一起，整體劃為C區(qū)。

A、B、D三個(gè)區(qū)深度超過(guò)7m，擬采用板式支護(hù)結(jié)合一道水平支撐的圍護(hù)方案；而C區(qū)深度較淺，外部可考慮采取重力壩支護(hù)。

2.1.2施工順序

本工程場(chǎng)地大，分區(qū)較多，合理安排施工順序至關(guān)重要。主要出土口位于東側(cè)物流大道，因此D區(qū)可作為其他三個(gè)區(qū)的施工場(chǎng)地及通道，D區(qū)最后施工；A、B兩個(gè)區(qū)相互獨(dú)立，可考慮同時(shí)施工；C區(qū)內(nèi)部12個(gè)組團(tuán)可以根據(jù)與鄰近分區(qū)的關(guān)系分段施工。統(tǒng)籌施工，有利于現(xiàn)場(chǎng)施工組織，保證基坑安全，更可以節(jié)省工期。具體施工順序如下：

第一開挖施工區(qū)：A區(qū)、B區(qū)、4區(qū)、5區(qū)、7區(qū)、8區(qū)；

第二開挖施工區(qū)：6區(qū)、9區(qū)、10區(qū)、11區(qū)、12區(qū)(需要條件：B區(qū)±0.00結(jié)構(gòu)完成，4區(qū)、5區(qū)、7分、8區(qū)基礎(chǔ)底板完成)；

第三開挖施工區(qū)：1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)(需要條件A區(qū)±0.00結(jié)構(gòu)完成、6區(qū)±0.00基礎(chǔ)底板完成)；

第四開挖施工區(qū)：D區(qū)(需要條件3區(qū)、9區(qū)、12區(qū)±0.00結(jié)構(gòu)完成)。

2.2圍護(hù)體系

2.2.1圍護(hù)體選型

A、B、D三個(gè)區(qū)基坑普遍深度為7.10～7.30m，支護(hù)樁可考慮采用鉆孔灌注樁或型鋼水泥土攪拌墻。鉆孔灌注樁結(jié)合水泥土攪拌樁止水帷幕是軟土地區(qū)傳統(tǒng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，其具有剛度大，變形控制好的特點(diǎn)，但粉性土地層不利于鉆孔灌注樁成樁[3]。

型鋼水泥土攪拌墻也稱SMW工法，即在水泥土攪拌樁內(nèi)插H型鋼，構(gòu)成復(fù)合的擋土止水圍護(hù)體，其施工占用場(chǎng)地小、施工速度快，且具有內(nèi)插型鋼可拔出回收的特點(diǎn)。本工程整體地下車庫(kù)分成3個(gè)區(qū)后，單個(gè)基坑面積減小，基坑完成時(shí)間大大縮短，租賃期縮短后SMW工法在造價(jià)上有較大的優(yōu)勢(shì)。

考慮到本工程周邊環(huán)境保護(hù)要求不高，采用剛度較小的SMW工法也能滿足變形控制的要求；同時(shí)本工程工期要求較高，采用SMW工法既能縮短施工工期，又能節(jié)省施工造價(jià)，因此采用SMW工法方案。

C區(qū)深度僅為4.0m，西側(cè)與紅線距離較近，采取重力壩支護(hù)；南側(cè)、北側(cè)分別緊鄰B區(qū)、A區(qū)，緊鄰的組團(tuán)在A區(qū)、B區(qū)基坑完成后再開挖，該區(qū)域考慮放坡開挖；東側(cè)緊鄰后施工的D區(qū)，該側(cè)采取放坡結(jié)合重力壩的圍護(hù)形式。組團(tuán)內(nèi)部施工有先后，臨時(shí)邊坡考慮采取兩級(jí)放坡的形式。

2.2.2圍護(hù)體系設(shè)計(jì)

A、B、D區(qū)普遍深度為7.10～7.30m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用型鋼水泥土攪拌墻，即采用Φ850@600三軸水泥土攪拌樁，內(nèi)插H700×300×13×24型鋼。場(chǎng)地內(nèi)部型鋼為“插一跳一”，靠近場(chǎng)地外側(cè)及局部深坑側(cè)為“插二挑一”，型鋼插入比為1.3～1.5；三軸水泥土攪拌樁水泥摻量為20%。基坑周邊采取1∶1.5放坡卸土2m，其中靠近外側(cè)平臺(tái)為2m，靠近場(chǎng)地內(nèi)部放坡平臺(tái)為5m。典型剖面圖見圖4。

2.3內(nèi)支撐體系

2.3.1支撐體系介紹

本工程A、B、D區(qū)水平向需要設(shè)置一道支撐系統(tǒng)，傳統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)有鋼筋混凝土內(nèi)支撐、常規(guī)鋼支撐，以及預(yù)應(yīng)力魚腹梁裝配式鋼支撐(簡(jiǎn)稱IPS支撐)。傳統(tǒng)鋼支撐剛度較小，變形控制差，布置密集，不利于土方開挖，僅適合基坑深度較淺、面積較小的小型基坑，不適用本工程。

(1)鋼筋混凝土內(nèi)支撐

鋼筋混凝土內(nèi)支撐的特點(diǎn)是受力明確，整體剛度大，變形控制好，且獨(dú)立性較強(qiáng)，不受基坑形狀的約束，但造價(jià)高，工期長(zhǎng)?；炷林蔚闹?、綁扎鋼筋、澆筑混凝土、養(yǎng)護(hù)以及支撐拆除等工藝均需占用工期。挖土不便，對(duì)撐較多，土方開挖均在支撐間進(jìn)行，挖土作業(yè)面受到支撐的限制。

(2)預(yù)應(yīng)力魚腹梁裝配式鋼支撐

IPS支撐是市場(chǎng)上新興的一種內(nèi)支撐型式，其由魚腹梁(高強(qiáng)低松弛的鋼絞線作為上弦構(gòu)建、H型鋼作為受力梁、與長(zhǎng)短不一的H型鋼等組成)、對(duì)撐、角撐、立柱、橫梁、拉桿、三角形接點(diǎn)、預(yù)壓頂緊裝置等標(biāo)準(zhǔn)部件組成并施加預(yù)應(yīng)力，形成平面預(yù)應(yīng)力支撐系統(tǒng)與立體結(jié)構(gòu)體系[4]。

其型鋼構(gòu)件之間全采用螺栓連接，支撐的安裝和拆除方便，其特點(diǎn)如下：

(a)裝配式鋼支撐可施加預(yù)應(yīng)力，有利于控制變形；且支撐結(jié)構(gòu)的破壞模式為延性破壞。

(b)采用預(yù)應(yīng)力魚腹桁架支撐系統(tǒng)，對(duì)撐跨度可達(dá)50m以上，大大減少了常規(guī)支撐系統(tǒng)的對(duì)撐，土方開挖便捷，可縮短挖土工期達(dá)30%以上。

(c)IPS支撐施工操作面大，對(duì)主體結(jié)構(gòu)影響小，拆撐換撐方便；IPS支撐施工無(wú)養(yǎng)護(hù)期，可縮短施工工期達(dá)30%以上。

(d)IPS支撐鋼材用量少，支撐鋼構(gòu)件可回收，并可再次利用，不但降低了工程投資，還符合國(guó)家節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)的政策要求。

2.3.2支撐體系選型

本工程A、B、D三個(gè)區(qū)整體形狀較為規(guī)則，大體呈長(zhǎng)方形，寬度為50～65m，面積為8 000～13 000m2，現(xiàn)以A區(qū)為例，兩種支撐布置形式分別見圖5、圖6。

A區(qū)兩種支撐體系，混凝土支撐體系造價(jià)約為430萬(wàn)元，IPS鋼支撐體系造價(jià)約為310萬(wàn)元，造價(jià)上IPS能節(jié)約近30%。且在工期上，IPS方案在支撐養(yǎng)護(hù)上能節(jié)省約15d，支撐施工和拆除上節(jié)省15d，土方開挖能節(jié)省10d，總共能節(jié)省40d的工期。加之，本工程三個(gè)分區(qū)的基坑形狀均較規(guī)則，大致呈長(zhǎng)方形，適合于IPS支撐的布置，因此本工程采用IPS支撐。

2.3.3支撐體系設(shè)計(jì)

裝配式支撐鋼圍檁采用H400×400×13×21型鋼，預(yù)應(yīng)力魚腹梁工具式組合內(nèi)支撐(包括魚腹梁、角撐、對(duì)撐)標(biāo)準(zhǔn)件采用型鋼H350×350×12×19，角撐、對(duì)撐連系梁采用槽鋼32a(Q235)，剪刀撐采用L-90×90×10角鋼。

立柱采用方鋼管內(nèi)灌混凝土的形式，基底以上部分為300×10方鋼管，基底以下為300×6方鋼管，長(zhǎng)度為7m。

2.4地基加固方案

由于基坑底部位于④1淤泥質(zhì)粘土層中，土質(zhì)軟弱，且基坑單邊跨度超過(guò)150m，在被動(dòng)區(qū)結(jié)合坑邊集水井等深坑位置采用Φ700@500雙軸水泥土攪拌樁進(jìn)行加固，加固深度為第一道支撐底部至坑底以下4m，加固體水泥摻量基底標(biāo)高以上部分為7%，基底以下部分為13%。

同時(shí)對(duì)基底挖深超過(guò)1.2m的集水井、電梯井等深坑采用雙軸水泥土攪拌樁進(jìn)行加固并封底。

3　降水與挖土設(shè)計(jì)

3.1地下水處理

本工程需要處理的地下水主要為潛水，特別是對(duì)②3層與③層土體的疏干。A、B、D區(qū)采用14m長(zhǎng)多濾頭真空深井降水，每口井降水面積為200m2。

疏干井均布于基坑內(nèi)部，避開相關(guān)主體地下結(jié)構(gòu)及支撐體系，在基坑開挖前3周開始降水，坑內(nèi)水位降至基底以下0.5m。

C區(qū)開挖深度為4m，采取輕型井點(diǎn)降水，井管的間距為1.5m，每套井點(diǎn)的間距為15m。

3.2挖土設(shè)計(jì)

本工程地下工程體量較大，通過(guò)合理的分區(qū)，將D區(qū)留到最后施工，作為前面3個(gè)分區(qū)的施工場(chǎng)地及運(yùn)輸通道，大大地縮短了工期。C區(qū)根據(jù)12個(gè)組團(tuán)分區(qū)開挖，A、B、D區(qū)采取魚腹梁鋼支撐，支撐寬度較大，出土速度快，但由于鋼支撐上不允許車輛直接在上面行走，在基坑內(nèi)部及周邊，需要設(shè)置一定的跨支撐鋼棧橋。

A、B、D區(qū)土方開挖主要按照后澆帶劃分，待相鄰分區(qū)基礎(chǔ)底板完成后，再往后開挖下一塊分區(qū)，以減少基坑暴露面積，控制基坑變形。在鋼支撐架設(shè)完畢后，土方開挖前，首先對(duì)支撐體系施加預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力值與土方開挖后產(chǎn)生的側(cè)向土壓力相抵消，因此樁頂變形理論上為零。在基礎(chǔ)底板及換撐帶強(qiáng)度達(dá)到后，可分區(qū)將魚腹梁鋼支撐拆除。

4　實(shí)踐效果分析

4.1實(shí)施效果

本工程在合理的分區(qū)后，采用可回收的支護(hù)體系，大大地縮短了施工工期及工程造價(jià)，取得很好的經(jīng)濟(jì)效益，得到了建設(shè)單位的一致認(rèn)可。

對(duì)于A、B、D區(qū)，工法樁施工速度快，約1個(gè)月時(shí)間完成，工法樁主要依靠H型鋼受力，養(yǎng)護(hù)時(shí)間短；進(jìn)行降水后挖除首層土，澆筑圈梁并拼裝魚腹梁鋼支撐，鋼支撐系統(tǒng)為工廠加工，現(xiàn)場(chǎng)安裝，安裝速度快；采取了大框度支撐，出土速度快，基礎(chǔ)施工僅用1個(gè)半月時(shí)間，然后拆除支撐系統(tǒng)。到最后地下結(jié)構(gòu)完成，周邊密實(shí)回填拔出型鋼，型鋼的租賃期僅為5個(gè)月。

整個(gè)工程從C區(qū)先行開挖，至D區(qū)最后結(jié)束，地下工程歷時(shí)約為一年時(shí)間。在環(huán)境保護(hù)和變形控制上，也取得較好的效果。

4.2監(jiān)測(cè)情況

本工程對(duì)基坑和周邊環(huán)境實(shí)施了全面監(jiān)測(cè)，對(duì)圍護(hù)樁的側(cè)移、支撐的軸力、鄰近道路的沉降、管線的變形等進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。

本工程采用同濟(jì)啟明星進(jìn)行計(jì)算，普遍區(qū)域計(jì)算結(jié)果見圖7，拆撐前最大位移約為21mm，位于基坑底部附近；拆撐后樁頂最大位移為28.2mm?；又苓吂膊贾?0個(gè)樁身測(cè)斜點(diǎn)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，典型測(cè)斜點(diǎn)拆撐前最大位移量約為24mm，位移量最大處位于基坑底部以下1m處；支撐拆除后，樁頂總位移量約為26mm，與計(jì)算值基本相符。

周邊共設(shè)置65個(gè)圍護(hù)墻頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在支撐拆除前，墻頂沉降量基本上在5mm以內(nèi)，水平位移量普遍為向坑內(nèi)位移2～3mm，可見魚腹梁支撐系統(tǒng)的變形控制效果特別理想。

魚腹梁鋼支撐的軸力監(jiān)測(cè)值均不超過(guò)3 000kN，立柱上抬量在10mm以內(nèi)?；又苓叺缆芳肮芫€沉降量在10mm左右，少數(shù)超過(guò)了20mm報(bào)警值，但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，周邊道路狀況良好。

5　結(jié)論

SMW工法樁與預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐均為可回收的支護(hù)結(jié)構(gòu)，其適用于基坑形狀較為規(guī)則，面積不大的基坑工程，具有施工速度快，工程造價(jià)低，施工難度低的特點(diǎn)。對(duì)于大面積基坑則可通過(guò)合理分區(qū)解決出土難題，并將基坑由大劃小后采取可回收支護(hù)體系，亦可收到良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

[1]武漢地質(zhì)工程勘察院.上海華辰通達(dá)物流有限公司新建工業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)用房西塊巖土工程勘察報(bào)告詳勘[R].

[2]DG/TJ08-61-2010 基坑工程技術(shù)規(guī)范[S].

[3]徐中華, 王建華, 王衛(wèi)東.軟土地區(qū)采用灌注樁圍護(hù)的深基坑變形性狀研究[J].巖土力學(xué), 2009, 30(5): 1 362-1 366.

[4]周勇, 周挺.IPS預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐在金都大廈基坑支護(hù)中的應(yīng)用研究[J].工程與建設(shè), 2013(5): 658-660.

The example of recyclable supporting system applied in deep excavation engineering in soft soil area

LIAOZhijian

(Shanghai Geological Engineering & Geology Institute Co, Ltd, Shanghai 200072)

This paper uses the deep foundation pit engineering of a new industrial storage space project in Shanghai as the background, by dividing the foundation pit reasonably from large to small, introduces the recyclable supporting system of SMW piles and fish bellied beam steel support system in the engineering application.The monitoring results show that the procedure of construction is safe and the deformation of surrounding facilities is under control.These solutions provide good reference for other similar projects in soft soil regions.

Soft soil; Deep foundation pits; Pit zoning; Soil mixed wall; Supporting system of Fish-bellied beam

廖志堅(jiān)(1982.07-)，男，工程師。

E-mail:shundelzj@163.com

2016-04-19

TU47

A

1004-6135(2016)06-0063-05