豎向斜撐在軟土基坑支護中的應用

姬忠凱 JI Zhong-kai；王輝 WANG Hui

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，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等構件組成。當基坑工程的面積大而且開挖深度在6m左右時，如采用常規的按整個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，中心島結合豎向斜撐的圍護設計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體提供足夠的被動土壓力，其后在完成中部基礎底板之后，再利用中部已澆筑形成并達到設計強度的基礎底板作為支撐基礎，設置豎向斜撐，支撐基坑周邊的圍護體，最后挖除周邊盆邊留土，澆筑形成周邊的基礎底板，在地下結構整體形成之后，基坑周邊密實回填，再拆除豎向斜撐[1]。對于此類基坑的相關研究文獻較少，鄭剛在天津濱海某基坑支護中采用豎向斜撐對水泥攪拌樁重力式擋土墻進行加固取得了良好的效果，不僅提高了圍護結構的抗傾覆可靠性，而且降低造價[2]；簡浩等根據上海地區基坑設計提出一種新的斜撐基礎設計方法，對斜撐基礎的設計具有一定的借鑒作用[3]；郭學偉等在天津某工程采用鋼斜撐在兩級灌注樁間增加側向剛度，降低了施工成本，提高了施工效益[4]。結合豎向斜撐在我國東南沿海地區某軟土基坑的應用情況，并詳細介紹基坑支護設計算，對大面積軟土基坑支護設計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，地下為生物池，地上為停車場?；娱L226.1m、寬84.6m，基坑開挖深度為6.25m~6.75m，為本地區較為大型的軟土基坑?；又苓叚h境簡單。場地西側距廠區道路12m，其余各側均為現狀空地。

2 工程水文地質條件

2.1 工程地質條件

基坑開挖影響深度范圍內各層地基土土性特征及分布規律自上而下及物理性質指標如下：

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，場地內均有分布。

②層粉質粘土：灰黃色，軟塑～可塑，飽和，含鐵錳質斑點，稍有光澤，無搖振反應，干強度中等，韌性中等，工程性質一般，場地局部缺失。

③層淤泥質粉質粘土夾粉土：灰色，軟塑～流塑，含有機質、腐殖質等，局部夾粉土。稍有光澤，無搖振反應，干強度中等，韌性中等，工程性質差，場地內均有分布。

③a層粘質粉土：灰色，松散。干強度低，韌性無，光澤無，搖振反應迅速，屬中等偏高壓縮性土。該層于場地內局部缺失。

⑥3a層砂質粉土：灰色，中密，局部密實，濕，含大量云母和貝殼殘片、少量有機質等，干強度低，韌性無，光澤無，搖振反應迅速，土質不均勻，屬中等壓縮性土。該層于場地內局部缺失。

2.2 水文地質條件

場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，補給來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，排泄以蒸發和側向徑流為主。水位呈季節性變化，水位年變幅0.50m~1.00m。

3 基坑支護設計

3.1 基坑支護方案對比

針對本工程的工程地質和水文地質條件、深度及環境條件等綜合考慮，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。該方案對周圍環境影響相對較大，但造價較低。

表1 土層物理力學性質指標

②SMW工法樁+坑底加固+水平鋼管支撐：該方案施工工藝成熟，在工程實際中應用廣泛，對本工程而言，支護結構的樁身強度、穩定及變形可以保證，圍護結構與主體結構相對獨立。在成樁時不存在擠土問題，材料運輸及排污也比較方便，同時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，鋼管穩定性存在一定風險，且造價相對較高。

③排樁+坑底加固+鋼筋混凝土支撐：該方案施工工藝成熟，在工程實際中應用廣泛，對本工程而言，支護結構的樁身強度、穩定及變形可以保證，圍護結構與主體結構相對獨立。在成樁時不存在擠土問題，材料運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護、拆除均需要一定工期，而且造價較高。

經過對上述幾個方案在安全性、經濟性、綠色節能環保等多方面的綜合考慮之后，工程采用的支護方案為：“SMW工法樁+坑底加固+豎向斜撐”。

3.2 基坑支護方案

根據基坑周邊環境條件、工程地質、水文地質條件和基坑開挖深度，基坑安全等級為二級。本著“安全可靠、經濟合理、技術可行、方便施工”的原則，確定本基坑采用SMW工法樁+坑底加固+豎向斜撐的支護方案（上部1.5m~2m采用放坡支護），如圖1所示。SMW工法樁為Φ850@600三軸水泥攪拌樁，內插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；坑內預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 基坑支護方案

3.3 基坑支護設計驗算

根據《國家行業標準—建筑基坑支護技術規程JGJ120-2012》進行設計計算，整體穩定驗算應力計算方式有效應力法。

3.3.1 盆式開挖工況計算

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體提供足夠的被動土壓力，被動土壓力計算按照式（1）~（4）進行計算：

對地下水位以上或水土合算的土層：

水土分算的土層：

式中：Ppk-支護結構內側，第i層土中計算點的被動土壓力強度標準值（kPa）；

σpk-支護結構內側計算點的土中豎向應力標準值（kPa）；

ci、φi-分別為第i層土的粘聚力（kPa）、內摩擦角（°）；

Kpi-土的被動土壓力系數。

考慮坑內預留土坡對支護結構的作用，對于σpk應采用修正后的計算深度進行計算：圍護墻體以內土體能夠發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，直線與留土平臺以下的土體為有效土體。從計算點向上45°-φ/2作直線與有效土體輪廓相交，交點和計算點的深度差作為修正Z的取值，如圖2所示。

圖2 坑內預留土坡修正后的計算深度示意圖

式中：γa-修正深度范圍內平均土體重度；

Z-修正后的計算深度。

采用同濟啟明星FRWS 9.0軟件計算后。整體穩定性（1.85）和抗傾覆穩定性（1.3）均滿足規范要求。

3.3.2 加豎向斜撐后基坑支護計算

盆式開挖階段結束后，施做生物池底板及斜撐基礎，裝鋼管斜撐，繼續開挖至坑底設計標高，此時基坑計算包括變形內力計算、整體穩定計算、抗傾覆計算、圍護樁強度計算、及豎向斜撐計算等。經計算后，變形內力計算如圖3所示；整體穩定性（1.81）和抗傾覆穩定性（1.39）均滿足規范要求。

圖3 加豎向斜撐后基坑變形內力結果圖

①H型鋼鋼材強度驗算如下：

最大正應力滿足。

剪應力滿足。

②豎向斜撐截面計算。

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

設鋼管斜撐與水平方向夾角為α，則斜撐軸向力標準值為Nk：

按軸心受壓構件計算：強度滿足要求，穩定滿足要求。

3.4 基坑降排水方案

基坑開挖前，應做好坑內井點降水疏干措施，坑內地下水位始終保持開挖面以下0.5m?；觾韧獾拿髋潘稍O置在坡頂坡腳的排水溝、集水井收集排除?？觾仍O置臨時排水溝（根據實際設置臨時排水溝、距離基坑下口線2.0m以外）以及臨時集水坑（距離基坑下口線3.0m以外）進行坑內排水；對坑外地表水，在基坑邊坡頂部四周設置排水溝，并在基坑四角設置800*1000*1000的集水坑，集水坑內積水采用水泵及時排出到市政管道或其他排水設施，避免回灌。

4 基坑支護施工

4.1 施工流程

場地清表并平整至設計標高→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→基坑預降水至坑底下0.5m→待加固體達到設計強度后，盆式（預留土坡）開挖至基坑底標高→澆筑中心底板和斜撐基礎→安裝豎向斜撐→開挖預留土坡→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→待池壁與頂板達到100%設計強度后基坑回填土→拔出H型鋼。

4.2 SMW工法樁施工

SMW工法樁采用三軸攪拌機，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，并及時插入H型鋼形成擋土截水結構。具體施工工藝流程：①測量放線、開挖溝槽；②設置向導、定位型鋼；③三軸攪拌樁就位，校正復核樁機水平和垂直度；④三軸攪拌機鉆進，攪拌水泥漿液與土體，下沉至設計樁底標高；⑤三軸攪拌機攪拌水泥土，并提升至設計樁頂標高或重復攪拌；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

鋼管支撐結構的組成為：①由若干相互連接的鋼管節段組成的鋼管支撐；②在鋼管支撐一端設置的鋼管支墩（用于調節鋼管支撐與底板之間的夾角）；③在另一端設置的活絡接頭（用于調節長度）。

鋼管斜撐具體施工工藝流程：①根據斜撐兩端中心點的位置測量放線；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埋件上，另一端活絡頭安裝在底板支墩。

4.4 鋼管斜撐拆除

整個支撐體系安裝完成后，開挖至坑底標高，澆筑混凝土墊層及底板。待底板與圍護樁之間的傳力帶澆筑完成后，混凝土強度達到設計要求后進行拆撐。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，千斤頂頂到一定高度后，用吊車將H型鋼拔出樁體，在指定場地堆放好，分批集中運出工地。H型鋼拔除后樁體留下的空隙應進行回填黃砂、注漿處理。型鋼起拔過程中應加強坑外位移、沉降監測。

5 結語

本工程采用SMW工法樁+豎向斜撐，在大面積軟土基坑支護中應用較少，與常規按整個基坑平面布置的水平支撐，其優點在于：①減少了支撐和立柱的工程量，可大幅降低造價；②由于坑底一般為軟土，采用斜撐可提高圍護結構的抗傾覆能力，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。