姬忠凱 JI Zhong-kai；王輝 WANG Hui

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300074）

0 引言

豎向斜撐體系一般由斜撐、壓頂圈梁和斜撐基礎(chǔ)等構(gòu)件組成。當(dāng)基坑工程的面積大而且開挖深度在6m左右時(shí)，如采用常規(guī)的按整個(gè)基坑平面布置的水平支撐，支撐和立柱的工程量將十分巨大，而且施工工期長(zhǎng)，中心島結(jié)合豎向斜撐的圍護(hù)設(shè)計(jì)方案可有效的解決此難題，其具體施工流程為：基坑工程首先在基坑中部放坡盆式開挖，形成中心島盆式工況，依靠基坑周邊的盆邊留土為圍護(hù)體提供足夠的被動(dòng)土壓力，其后在完成中部基礎(chǔ)底板之后，再利用中部已澆筑形成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的基礎(chǔ)底板作為支撐基礎(chǔ)，設(shè)置豎向斜撐，支撐基坑周邊的圍護(hù)體，最后挖除周邊盆邊留土，澆筑形成周邊的基礎(chǔ)底板，在地下結(jié)構(gòu)整體形成之后，基坑周邊密實(shí)回填，再拆除豎向斜撐[1]。對(duì)于此類基坑的相關(guān)研究文獻(xiàn)較少，鄭剛在天津?yàn)I海某基坑支護(hù)中采用豎向斜撐對(duì)水泥攪拌樁重力式擋土墻進(jìn)行加固取得了良好的效果，不僅提高了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗傾覆可靠性，而且降低造價(jià)[2]；簡(jiǎn)浩等根據(jù)上海地區(qū)基坑設(shè)計(jì)提出一種新的斜撐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法，對(duì)斜撐基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒作用[3]；郭學(xué)偉等在天津某工程采用鋼斜撐在兩級(jí)灌注樁間增加側(cè)向剛度，降低了施工成本，提高了施工效益[4]。結(jié)合豎向斜撐在我國(guó)東南沿海地區(qū)某軟土基坑的應(yīng)用情況，并詳細(xì)介紹基坑支護(hù)設(shè)計(jì)算，對(duì)大面積軟土基坑支護(hù)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒作用。

1 工程概況

某污水處理廠生物池位于東南沿海地區(qū)，地下為生物池，地上為停車場(chǎng)?；娱L(zhǎng)226.1m、寬84.6m，基坑開挖深度為6.25m~6.75m，為本地區(qū)較為大型的軟土基坑。基坑周邊環(huán)境簡(jiǎn)單。場(chǎng)地西側(cè)距廠區(qū)道路12m，其余各側(cè)均為現(xiàn)狀空地。

2 工程水文地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

基坑開挖影響深度范圍內(nèi)各層地基土土性特征及分布規(guī)律自上而下及物理性質(zhì)指標(biāo)如下：

①層雜填土：雜色，松散，濕。主要以粘性土、建筑垃圾、碎石為主的雜填土，局部為素填土，場(chǎng)地內(nèi)均有分布。

②層粉質(zhì)粘土：灰黃色，軟塑～可塑，飽和，含鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)，稍有光澤，無(wú)搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度中等，韌性中等，工程性質(zhì)一般，場(chǎng)地局部缺失。

③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土：灰色，軟塑～流塑，含有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)等，局部夾粉土。稍有光澤，無(wú)搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度中等，韌性中等，工程性質(zhì)差，場(chǎng)地內(nèi)均有分布。

③a層粘質(zhì)粉土：灰色，松散。干強(qiáng)度低，韌性無(wú)，光澤無(wú)，搖振反應(yīng)迅速，屬中等偏高壓縮性土。該層于場(chǎng)地內(nèi)局部缺失。

⑥3a層砂質(zhì)粉土：灰色，中密，局部密實(shí)，濕，含大量云母和貝殼殘片、少量有機(jī)質(zhì)等，干強(qiáng)度低，韌性無(wú)，光澤無(wú)，搖振反應(yīng)迅速，土質(zhì)不均勻，屬中等壓縮性土。該層于場(chǎng)地內(nèi)局部缺失。

2.2 水文地質(zhì)條件

場(chǎng)地淺部地下水類型屬孔隙潛水，孔隙潛水主要分布在①、②、③、③a層土中，富水性中等，補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水和地表水入滲，水位變化主要受大氣降水、附近河流和微地貌控制，排泄以蒸發(fā)和側(cè)向徑流為主。水位呈季節(jié)性變化，水位年變幅0.50m~1.00m。

3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 基坑支護(hù)方案對(duì)比

針對(duì)本工程的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、深度及環(huán)境條件等綜合考慮，有以下幾種方案可以考慮：

①SMW工法樁+坑底加固+豎向斜撐：該方案工藝成熟，在本工程一期工程中應(yīng)用，效果較好，在擋土和止水方面均有保證，可靠度高。該方案對(duì)周圍環(huán)境影響相對(duì)較大，但造價(jià)較低。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

②SMW工法樁+坑底加固+水平鋼管支撐：該方案施工工藝成熟，在工程實(shí)際中應(yīng)用廣泛，對(duì)本工程而言，支護(hù)結(jié)構(gòu)的樁身強(qiáng)度、穩(wěn)定及變形可以保證，圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立。在成樁時(shí)不存在擠土問題，材料運(yùn)輸及排污也比較方便，同時(shí)也可以起到止水的作用。但取土空間受限，不易于施工，且本工程基坑寬度較大，鋼管穩(wěn)定性存在一定風(fēng)險(xiǎn)，且造價(jià)相對(duì)較高。

③排樁+坑底加固+鋼筋混凝土支撐：該方案施工工藝成熟，在工程實(shí)際中應(yīng)用廣泛，對(duì)本工程而言，支護(hù)結(jié)構(gòu)的樁身強(qiáng)度、穩(wěn)定及變形可以保證，圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立。在成樁時(shí)不存在擠土問題，材料運(yùn)輸及排污也比較方便，需要另采用三軸水泥攪拌樁止水帷幕。排樁及鋼筋混凝土支撐的養(yǎng)護(hù)、拆除均需要一定工期，而且造價(jià)較高。

經(jīng)過對(duì)上述幾個(gè)方案在安全性、經(jīng)濟(jì)性、綠色節(jié)能環(huán)保等多方面的綜合考慮之后，工程采用的支護(hù)方案為：“SMW工法樁+坑底加固+豎向斜撐”。

3.2 基坑支護(hù)方案

根據(jù)基坑周邊環(huán)境條件、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和基坑開挖深度，基坑安全等級(jí)為二級(jí)。本著“安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行、方便施工”的原則，確定本基坑采用SMW工法樁+坑底加固+豎向斜撐的支護(hù)方案（上部1.5m~2m采用放坡支護(hù)），如圖1所示。SMW工法樁為Φ850@600三軸水泥攪拌樁，內(nèi)插H型鋼HN700×300×13×24，插一跳一布置；豎向斜撐采用Φ609×14鋼管，間距5.5m；坑內(nèi)預(yù)留土坡及坑底加固采用三軸水泥攪拌樁格柵加固。SMW工法樁兼做止水帷幕。

圖1 基坑支護(hù)方案

3.3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)驗(yàn)算

根據(jù)《國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程JGJ120-2012》進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，整體穩(wěn)定驗(yàn)算應(yīng)力計(jì)算方式有效應(yīng)力法。

3.3.1 盆式開挖工況計(jì)算

首先在基坑中部放坡盆式開挖，形成中心島盆式工況，依靠基坑周邊的盆邊留土為圍護(hù)體提供足夠的被動(dòng)土壓力，被動(dòng)土壓力計(jì)算按照式（1）~（4）進(jìn)行計(jì)算：

對(duì)地下水位以上或水土合算的土層：

水土分算的土層：

式中：Ppk-支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)，第i層土中計(jì)算點(diǎn)的被動(dòng)土壓力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；

σpk-支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)計(jì)算點(diǎn)的土中豎向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；

ci、φi-分別為第i層土的粘聚力（kPa）、內(nèi)摩擦角（°）；

Kpi-土的被動(dòng)土壓力系數(shù)。

考慮坑內(nèi)預(yù)留土坡對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用，對(duì)于σpk應(yīng)采用修正后的計(jì)算深度進(jìn)行計(jì)算：圍護(hù)墻體以內(nèi)土體能夠發(fā)揮擋土作用的有效土體范圍，包括從盆式開挖底面向上45°作直線，直線與留土平臺(tái)以下的土體為有效土體。從計(jì)算點(diǎn)向上45°-φ/2作直線與有效土體輪廓相交，交點(diǎn)和計(jì)算點(diǎn)的深度差作為修正Z的取值，如圖2所示。

圖2 坑內(nèi)預(yù)留土坡修正后的計(jì)算深度示意圖

式中：γa-修正深度范圍內(nèi)平均土體重度；

Z-修正后的計(jì)算深度。

采用同濟(jì)啟明星FRWS 9.0軟件計(jì)算后。整體穩(wěn)定性（1.85）和抗傾覆穩(wěn)定性（1.3）均滿足規(guī)范要求。

3.3.2 加豎向斜撐后基坑支護(hù)計(jì)算

盆式開挖階段結(jié)束后，施做生物池底板及斜撐基礎(chǔ)，裝鋼管斜撐，繼續(xù)開挖至坑底設(shè)計(jì)標(biāo)高，此時(shí)基坑計(jì)算包括變形內(nèi)力計(jì)算、整體穩(wěn)定計(jì)算、抗傾覆計(jì)算、圍護(hù)樁強(qiáng)度計(jì)算、及豎向斜撐計(jì)算等。經(jīng)計(jì)算后，變形內(nèi)力計(jì)算如圖3所示；整體穩(wěn)定性（1.81）和抗傾覆穩(wěn)定性（1.39）均滿足規(guī)范要求。

圖3 加豎向斜撐后基坑變形內(nèi)力結(jié)果圖

①H型鋼鋼材強(qiáng)度驗(yàn)算如下：

最大正應(yīng)力滿足。

剪應(yīng)力滿足。

②豎向斜撐截面計(jì)算。

支撐水平方向荷載沿冠梁長(zhǎng)度方向分段簡(jiǎn)化為均布荷載q，支撐點(diǎn)水平間距為L(zhǎng)，則鋼管斜撐支撐點(diǎn)水平反力Nx為：

設(shè)鋼管斜撐與水平方向夾角為α，則斜撐軸向力標(biāo)準(zhǔn)值為Nk：

按軸心受壓構(gòu)件計(jì)算：強(qiáng)度滿足要求，穩(wěn)定滿足要求。

3.4 基坑降排水方案

基坑開挖前，應(yīng)做好坑內(nèi)井點(diǎn)降水疏干措施，坑內(nèi)地下水位始終保持開挖面以下0.5m?；觾?nèi)外的明排水由設(shè)置在坡頂坡腳的排水溝、集水井收集排除。坑內(nèi)設(shè)置臨時(shí)排水溝（根據(jù)實(shí)際設(shè)置臨時(shí)排水溝、距離基坑下口線2.0m以外）以及臨時(shí)集水坑（距離基坑下口線3.0m以外）進(jìn)行坑內(nèi)排水；對(duì)坑外地表水，在基坑邊坡頂部四周設(shè)置排水溝，并在基坑四角設(shè)置800*1000*1000的集水坑，集水坑內(nèi)積水采用水泵及時(shí)排出到市政管道或其他排水設(shè)施，避免回灌。

4 基坑支護(hù)施工

4.1 施工流程

場(chǎng)地清表并平整至設(shè)計(jì)標(biāo)高→樁基施工→上部放坡開挖→工法樁和冠梁施工→坑底攪拌樁加固→基坑預(yù)降水至坑底下0.5m→待加固體達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，盆式（預(yù)留土坡）開挖至基坑底標(biāo)高→澆筑中心底板和斜撐基礎(chǔ)→安裝豎向斜撐→開挖預(yù)留土坡→澆筑四周底板→澆筑底板傳力帶→拆除豎向斜撐→施工池壁及頂板→待池壁與頂板達(dá)到100%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后基坑回填土→拔出H型鋼。

4.2 SMW工法樁施工

SMW工法樁采用三軸攪拌機(jī)，將土體和鉆頭處噴出的水泥漿液、壓縮空氣原位均勻攪拌，各施工單元間采取套接一孔法施工，并及時(shí)插入H型鋼形成擋土截水結(jié)構(gòu)。具體施工工藝流程：①測(cè)量放線、開挖溝槽；②設(shè)置向?qū)?、定位型鋼；③三軸攪拌樁就位，校正復(fù)核樁機(jī)水平和垂直度；④三軸攪拌機(jī)鉆進(jìn)，攪拌水泥漿液與土體，下沉至設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高；⑤三軸攪拌機(jī)攪拌水泥土，并提升至設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高或重復(fù)攪拌；⑥型鋼起吊、定位校核垂直度；⑦插入、固定型鋼。

4.3 鋼管斜撐安裝

鋼管支撐結(jié)構(gòu)的組成為：①由若干相互連接的鋼管節(jié)段組成的鋼管支撐；②在鋼管支撐一端設(shè)置的鋼管支墩（用于調(diào)節(jié)鋼管支撐與底板之間的夾角）；③在另一端設(shè)置的活絡(luò)接頭（用于調(diào)節(jié)長(zhǎng)度）。

鋼管斜撐具體施工工藝流程：①根據(jù)斜撐兩端中心點(diǎn)的位置測(cè)量放線；②沿支撐軸線開槽挖土（一般開挖0.3m，隨安裝隨開挖）；③將斜撐吊裝到位；④一端焊接在圈梁預(yù)埋件上，另一端活絡(luò)頭安裝在底板支墩。

4.4 鋼管斜撐拆除

整個(gè)支撐體系安裝完成后，開挖至坑底標(biāo)高，澆筑混凝土墊層及底板。待底板與圍護(hù)樁之間的傳力帶澆筑完成后，混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行拆撐。一般需遵循“先裝先拆，后裝后拆”的原則。

4.5 型鋼拔除

待生物池地面以下部分施工完畢，土方回填完成后，采用專用夾具及千斤頂以壓頂梁為反梁，起拔回收H型鋼，起拔過程中始終用吊車提住頂出的H型鋼，千斤頂頂?shù)揭欢ǜ叨群?，用吊車將H型鋼拔出樁體，在指定場(chǎng)地堆放好，分批集中運(yùn)出工地。H型鋼拔除后樁體留下的空隙應(yīng)進(jìn)行回填黃砂、注漿處理。型鋼起拔過程中應(yīng)加強(qiáng)坑外位移、沉降監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)語(yǔ)

本工程采用SMW工法樁+豎向斜撐，在大面積軟土基坑支護(hù)中應(yīng)用較少，與常規(guī)按整個(gè)基坑平面布置的水平支撐，其優(yōu)點(diǎn)在于：①減少了支撐和立柱的工程量，可大幅降低造價(jià)；②由于坑底一般為軟土，采用斜撐可提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力，防止倒塌；③斜撐可以隨挖隨撐，通過合理安排施工工序，可縮短工期。