軟土地區(qū)交通重載下條形深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

王 新

[上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200125]

0 引 言

我國(guó)東南沿海許多城市如天津、上海、寧波、溫州、臺(tái)州等均分布較深厚的軟弱土層，在深基坑工程方面形成了具有地方特色的設(shè)計(jì)和施工方法[1-5]。出于經(jīng)濟(jì)性考慮，一定深度的基坑支護(hù)材料更傾向于可回收利用的鋼材，例如常用的SMW工法中的型鋼。新型的綠色支護(hù)技術(shù)也不斷涌現(xiàn)，例如天津地區(qū)某工程嘗試采用高壓旋噴插入型鋼作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)[1-2]，寧波、杭州地區(qū)出現(xiàn)大量鋼管+拉森鋼板樁結(jié)合的圍護(hù)方法[3]，溫州地區(qū)應(yīng)用了預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁的新型支撐[4-5]。然而在交通重載下，條形基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)處于動(dòng)靜結(jié)合的受力狀態(tài)，在此狀態(tài)下，對(duì)于型鋼復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的適用性尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，尤其是施工棧橋結(jié)構(gòu)與圍護(hù)結(jié)合的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，也未形成統(tǒng)一的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

本文基于上海北橫通道工程隆昌路下立交項(xiàng)目，探索SMW工法樁支護(hù)在交通重載下的變形規(guī)律和適用性，通過(guò)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)此類復(fù)雜工況下的圍護(hù)設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)，以指導(dǎo)類似工程的設(shè)計(jì)與施工。

1 工程概況

隆昌路下立交屬上海北橫通道工程的東端地面擴(kuò)容段，連接北橫東段地道和周家嘴路越江隧道。下立交敷設(shè)于周家嘴路上，規(guī)模為雙向4車道，設(shè)計(jì)時(shí)速50 km/h；暗埋段主體結(jié)構(gòu)為雙孔單箱矩形現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1），敞開(kāi)段為U型結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）。下立交全長(zhǎng)510 m，其中西側(cè)敞開(kāi)段160 m，暗埋段190 m，東側(cè)敞開(kāi)段160 m。下立交基坑開(kāi)挖寬度18.4～19.2 m，最大基坑開(kāi)挖深度約10 m，局部泵房處落低約2.8 m。

圖1 隆昌路下立交暗埋段結(jié)構(gòu)斷面（單位：m）

圖2 隆昌路下立交敞開(kāi)段結(jié)構(gòu)斷面（單位：m）

隆昌路下立交地處上海市楊浦區(qū)城區(qū)周家嘴路上?，F(xiàn)狀周家嘴路交通繁忙，且重載車輛較多，沿線建筑主要為2～7層住宅小區(qū)、廠房，距基坑大于14 m，處于1～2倍基坑深度范圍。沿線地下管線主要存在給水、雨水、燃?xì)狻⒐╇?、信息等。直? 000 mm給水管距離基坑3～4 m，保護(hù)要求較高（見(jiàn)圖3）。

圖3 隆昌路下立交周邊環(huán)境總圖

工程沿線場(chǎng)地地貌類型單一，屬上海地區(qū)五大地貌單元中的濱海平原類型。地勢(shì)較為平緩，地面標(biāo)高一般在2.4～3.1 m。常年平均地下水位埋深一般為0.50～0.70 m。工程沿線分布的第⑦（含⑦1和⑦2）層為第一承壓含水層，水位埋深約3.0～12.0 m，不突涌。

場(chǎng)地地基土在勘察深度范圍主要由飽和黏性土、粉性土和砂土組成。由上至下依次發(fā)育的土層為：①1填土、②1褐黃-灰黃色粉質(zhì)黏土、③灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土、③t灰色黏質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④灰色淤泥質(zhì)黏土、⑤1灰色黏土、⑥暗綠-灰綠色粉質(zhì)黏土、⑦1草黃-灰色砂質(zhì)粉土、⑦2灰黃-灰色砂質(zhì)粉土、⑧1灰色粉質(zhì)黏土、⑧2灰色粉質(zhì)黏土夾砂質(zhì)粉土、⑧2t灰色粉砂夾粉質(zhì)黏土。工程基坑坑底主要置于③、③t層，該2層土屬高壓縮性高靈敏度軟弱土，具有一定的流變及觸變性。

2 支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 圍護(hù)選型

多年來(lái)，上海軟土地區(qū)基坑工程積累了較多建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)本工程周邊環(huán)境、地質(zhì)和水文條件的研究，基坑可采用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式有地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁+水泥土攪拌樁止水帷幕、型鋼水泥土攪拌墻、水泥土重力式擋土墻、放坡等。

（1）地下連續(xù)墻。地下連續(xù)墻的剛度較大，能承受較大的側(cè)向水平荷載。基坑開(kāi)挖時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形小，周邊地面沉降少，能夠較好地控制和減少對(duì)鄰近建筑物、構(gòu)筑物和地下管線的影響。地下連續(xù)墻與內(nèi)襯墻的“兩墻合一”技術(shù)已日趨成熟，可以實(shí)現(xiàn)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)使用階段的再利用。從經(jīng)濟(jì)性考慮，當(dāng)一般軟土地區(qū)基坑開(kāi)挖深度大于10 m，且周邊環(huán)境保護(hù)等級(jí)要求較高時(shí)，采用地下連續(xù)墻圍護(hù)方式。

（2）鉆孔灌注樁+止水帷幕。一般情況下，開(kāi)挖深度5～14 m的軟土地區(qū)基坑可采用鉆孔灌注樁+止水帷幕，灌注樁的樁徑600～1 200 mm，樁間止水帷幕可采用三軸攪拌樁或高壓旋噴樁。鉆孔灌注樁施工工藝靈活成熟，結(jié)構(gòu)剛度較大，比較有利于基坑變形控制，控制重點(diǎn)在于樁間止水的可靠性。因此，上海地方規(guī)范要求當(dāng)采用高壓旋噴樁止水時(shí)需雙排設(shè)置，圍護(hù)+止水帷幕的占地寬度相比地下連續(xù)墻、型鋼水泥土攪拌墻等圍護(hù)方式稍大。

（3）型鋼水泥土攪拌墻。水泥土攪拌樁內(nèi)插H型鋼作為圍護(hù)墻，H型鋼主要承受側(cè)向荷載，水泥土則抵抗地下水的滲透作用。內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)施工完成后，H型鋼可回收，故該種圍護(hù)類型工程造價(jià)較低。型鋼攪拌墻按照三軸攪拌樁直徑有650 mm、850 mm、1 000 mm等尺寸，內(nèi)插型鋼通常有HW500 mm×300 mm、HN700 mm×300 mm、HN800 mm×300 mm、HN900 mm×300 mm等尺寸。根據(jù)周邊環(huán)境變形控制，H型鋼可采用插一跳一、插二跳一、密插等布置形式。普通三軸樁施工設(shè)備占地范圍較大，當(dāng)環(huán)境受限時(shí)可采用連續(xù)式水泥土攪拌墻（TRD或CSM法成墻），墻體厚度亦能達(dá)到550～1 200 mm。但等厚情況下，型鋼水泥土攪拌墻整體剛度不及地下連續(xù)墻和鉆孔灌注樁，故一般應(yīng)用于開(kāi)挖深度小于13 m且環(huán)境變形控制并不苛刻的基坑工程。此外，受型鋼接頭焊接質(zhì)量、型鋼剛度、型鋼與水泥土黏結(jié)強(qiáng)度、內(nèi)部支撐體系等綜合因素影響，一旦型鋼發(fā)生豎向沉陷，則支撐體系存在失效風(fēng)險(xiǎn)，故型鋼水泥土攪拌墻不宜承受豎向荷載。

（4）鋼板樁。鋼板樁占用空間小，采用拉森鋼板樁更兼具止水效果。但其剛度低，受運(yùn)輸條件限制，樁長(zhǎng)通常為6 m、12 m、15 m，當(dāng)樁長(zhǎng)大于18 m時(shí)需考慮接樁，通常焊接質(zhì)量難以保證，因此鋼板樁一般適用于挖深不超過(guò)7 m且環(huán)境保護(hù)要求不高的基坑工程。

（5）水泥土重力式擋土墻。利用水泥土抗?jié)B的材料特性，通過(guò)墻體構(gòu)造設(shè)計(jì)形成重力擋土壩。重力式水泥土排樁占地面積較大，通常變形量也較大，一般用于基坑開(kāi)挖深度不超過(guò)7 m，周邊場(chǎng)地條件寬松且無(wú)重要保護(hù)構(gòu)建筑物的基坑工程。

（6）放坡。基坑開(kāi)挖深度小于2.5 m時(shí)，利用淺部填土或黏性土的自立性，基坑通常采用放坡開(kāi)挖，坡度1∶1.5～1∶2。

本工程位于現(xiàn)狀周家嘴路中央，在保證施工期社會(huì)交通情況下，可用的施工場(chǎng)地非常有限，還需結(jié)合支撐設(shè)置棧橋以保證施工作業(yè)?；觾蓚?cè)均有雨污水、燃?xì)獾戎匾芫€，且直徑1 000 mm給水管距離基坑3～4 m，保護(hù)要求較高。受限于經(jīng)濟(jì)性，不宜采用地下連續(xù)墻圍護(hù)。鉆孔灌注樁+止水帷幕占用空間大，在施工圍護(hù)時(shí)易產(chǎn)生對(duì)管線的擾動(dòng)，不宜采用。鋼板樁剛度較小，對(duì)變形控制不利。重力式擋土墻占用場(chǎng)地較大，不適用于本工程。通過(guò)綜合比較，本工程擬采用型鋼水泥土攪拌墻圍護(hù)，在減少圍護(hù)占地的同時(shí)通過(guò)提高型鋼的插入密度來(lái)控制基坑變形，通過(guò)施工棧橋與頂圍檁的特殊設(shè)計(jì)，確保型鋼不承受豎向荷載。

2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)基坑開(kāi)挖深度，10～7 m采用?850型鋼水泥土攪拌墻（HN700 mm×300 mm×13 mm×24 mm），7～2 m采用?650型鋼水泥土攪拌墻（HM500 mm×300 mm×11 mm×18 mm），2～0 m采用放坡。針對(duì)地道北側(cè)對(duì)直徑1 000 mm給水管的特殊保護(hù)，坑深大于3 m時(shí)，型鋼插二跳一布置以增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，其余均考慮插一跳一布置。型鋼插入坑下深度與基坑深度比（即插入比）根據(jù)基坑深度每米變化進(jìn)行分別設(shè)計(jì)，按照最不利斷面計(jì)算的最小插入比為1～1.8。

按照基坑深度和棧橋設(shè)置的需要，深7～10 m基坑設(shè)置3道支撐（并設(shè)鋼管換撐，見(jiàn)圖4），第1道采用鋼筋混凝土支撐（間距9 m），余下為鋼支撐（間距4.5 m）；深5～7 m基坑設(shè)置2道支撐，第1道采用鋼筋混凝土支撐，第2道為鋼支撐；深3.5～5 m基坑設(shè)置1道鋼筋混凝土支撐；深3.5～2.5 m基坑設(shè)置1道鋼支撐；深2.5～2 m基坑不設(shè)置支撐。

圖4 隆昌路下立交基坑圍護(hù)斷面圖（典型斷面）（單位：mm）

水平支撐體系中，鋼筋混凝土支撐尺寸800 mm×800 mm，鋼筋混凝土圍檁尺寸800 mm×1 200 mm（適用于?850攪拌墻）和800 mm×1 000 mm（適用于?650攪拌墻），鋼支撐全部采用?609鋼管撐（壁厚16 mm），2～3道鋼圍檁采用雙拼HM500 mm×300 mm×11 mm×18 mm型鋼組合焊接，縱向系梁采用2根HW400 mm×300 mm×10 mm×16 mm型鋼。

豎向支撐體系中，設(shè)置縱向連續(xù)棧橋，局部設(shè)置橫向棧橋以滿足挖土和土方車輛的會(huì)車，棧橋板厚300 mm，棧橋梁800 mm×1000 mm，鋼立柱采用角鋼組合焊接，外包尺寸460 mm×460 mm，立柱樁與抗拔樁盡量結(jié)合布置，樁徑800 mm，樁長(zhǎng)約35 m。為避免工法樁承受大量豎向荷載，在近坑邊處設(shè)計(jì)1排立柱，立柱與結(jié)構(gòu)墻保證約1 m間距，滿足主體結(jié)構(gòu)內(nèi)模的架設(shè)空間。型鋼與圍檁之間設(shè)置泡沫板隔離，埋置在圍檁中，避免型鋼露頭影響場(chǎng)地需求。棧橋區(qū)域設(shè)置隔離墩，通過(guò)管控措施確保施工車輛荷載分布在棧橋立柱之間。隔離區(qū)以外區(qū)域，作為施工人員臨時(shí)通道。

針對(duì)軟弱地基土，基坑設(shè)置高壓旋噴樁裙邊+抽條地基加固，裙邊和抽條寬度4 m，加固深度坑下3 m，抽條加固選擇變形縫處，控制結(jié)構(gòu)施工后的差異沉降，水平間距20～30 m。

降排水方面，基坑挖深大于5 m時(shí)采用管井降水，平均150～200 m2布置一口管井，坑下濾頭5～6 m；基坑挖深2～5 m時(shí)采用輕型井點(diǎn)降水；基坑挖深小于2 m時(shí)集水明排。

3 驗(yàn)算與分析

3.1 參數(shù)取值

以典型斷面為例，基坑開(kāi)挖深度9.8 m，寬度18.8 m，型鋼插入坑底深度15.6 m。根據(jù)勘察資料和經(jīng)驗(yàn)，基坑土層主要物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1?？紤]到周邊社會(huì)交通以重載車居多，考慮1.3的動(dòng)力系數(shù)，周邊超載值為20×1.3=26 kPa。地基加固采用旋噴樁加固，按經(jīng)驗(yàn)黏聚力C值取20 kPa，摩擦角取30°，m值取6 MN/m4。地下水位按照地面以下0.5 m，計(jì)算中不考慮周邊水位下降，坑內(nèi)水位隨基坑開(kāi)挖降至坑下1 m。保守計(jì)，不考慮鋼支撐預(yù)加軸力。

表1 土層物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

3.2 驗(yàn)算與實(shí)測(cè)分析

運(yùn)用同濟(jì)啟明星深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算，基坑安全等級(jí)為二級(jí)，環(huán)境保護(hù)等級(jí)為二級(jí)，典型斷面各項(xiàng)穩(wěn)定系數(shù)驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表2。插入比深度主要受控于抗傾覆驗(yàn)算。

表2 典型斷面各項(xiàng)穩(wěn)定系數(shù)驗(yàn)算

圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)：圍護(hù)最大變形16.9 mm＜0.3%×9.8 m=29.4 mm，最大彎矩-721.9 kN·m，最大剪力-569.2 kN。第1道支撐軸力-152.8～79.6 kN/m，第2道支撐軸力537.6 kN/m，第3道支撐軸力622.8 kN/m，第2道支撐換撐軸力609.1 kN/m。地表最大沉降13.4 mm＜0.25%×9.8 m=24.5 mm。通過(guò)計(jì)算，圍護(hù)變形和穩(wěn)定均滿足《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（DG/T J08-61—2018）要求；型鋼截面和水泥土剪切驗(yàn)算均滿足安全要求，過(guò)程略。

圖5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力計(jì)算結(jié)果（典型斷面）

通過(guò)施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)基坑開(kāi)挖至坑底時(shí)，圍護(hù)最大變形達(dá)到了40 mm，底板澆筑后拆除第3道支撐支護(hù)附加變形3～5 mm。周邊地表最大沉降16.35 mm，DN1 000給水管最大沉降13.96 mm。

與計(jì)算結(jié)果相比，實(shí)際圍護(hù)變形量明顯偏大，從而說(shuō)明圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度明顯不足。實(shí)測(cè)地表沉降比計(jì)算值超22%，也說(shuō)明首道支撐的剛度略顯不足。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工工況、變形數(shù)據(jù)的整理和分析，總結(jié)此次變形過(guò)大的主要原因如下：

（1）支撐不及時(shí)。土方開(kāi)挖與支撐架設(shè)存在較明顯的時(shí)間差，計(jì)算軟件中無(wú)法考慮超挖狀態(tài)。

（2）降水效果不佳。上海軟土孔隙比大，但滲透性極差，即便采用真空管井，也經(jīng)常出現(xiàn)抽水量不大的情況，降水效果無(wú)法達(dá)到理想要求，可能導(dǎo)致計(jì)算工況與實(shí)際存在差異。

（3）周邊動(dòng)載持續(xù)作用。周邊交通重載的反復(fù)、持續(xù)和不確定作用，對(duì)基坑支護(hù)存在較明顯的影響，而僅僅提高超載值與實(shí)際并不相符。

（4）圍護(hù)剛度偏弱。在底板澆筑完成后，拆除第3道支撐時(shí)，圍護(hù)墻仍發(fā)生3～5 mm變形，說(shuō)明圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度偏弱。

綜上所述，在加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工管理等措施的前提下，仍需要針對(duì)此類基坑的支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，例如部分深基坑考慮型鋼密插以提高圍護(hù)剛度；地基加固抽條間距加密，加固深度加深，進(jìn)一步保障被動(dòng)區(qū)土壓力發(fā)揮；建議加密鋼支撐間距至3～3.5 m。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）從安全性和經(jīng)濟(jì)性考慮，10 m以內(nèi)基坑采用型鋼水泥土攪拌墻較合理。建議采取隔離和管理措施，既保證施工場(chǎng)地平整，又使得型鋼不承受主要豎向荷載。

（2）采用同濟(jì)啟明星軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算，各項(xiàng)控制指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，但實(shí)際圍護(hù)變形量明顯偏大，實(shí)測(cè)地表沉降也較計(jì)算值超22%。

（3）通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工工況、變形數(shù)據(jù)的整理和分析，此次變形過(guò)大的主要原因?yàn)橹尾患皶r(shí)、降水效果不佳、周邊交通重載持續(xù)作用、圍護(hù)剛度偏弱。

（4）在加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工管理等措施的前提下，仍需要針對(duì)此類基坑的支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，例如部分深基坑考慮型鋼密插以提高圍護(hù)剛度；地基加固抽條間距加密，加固深度加深，進(jìn)一步保障被動(dòng)區(qū)土壓力發(fā)揮；建議鋼支撐間距加密至3～3.5 m。