竖向斜撑在软土基坑支护中运用

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0引言

竖向斜撑体系一般由斜撑、压顶圈梁和斜撑基础等构件组成。当基坑工程的面积大而且开挖深度在6m左右时，如采用常规的按整个基坑平面布置的水平支撑，支撑和立柱的工程量将十分巨大，而且施工工期长，中心岛结合竖向斜撑的围护设计方案可有效的解决此难题，其具体施工流程为：基坑工程首先在基坑中部放坡盆式开挖，形成中心岛盆式工况，依靠基坑周边的盆边留土为围护体提供足够的被动土压力，其后在完成中部基础底板之后，再利用中部已浇筑形成并达到设计强度的基础底板作为支撑基础，设置竖向斜撑，支撑基坑周边的围护体，最后挖除周边盆边留土，浇筑形成周边的基础底板，在地下结构整体形成之后，基坑周边密实回填，再拆除竖向斜撑[1]。对于此类基坑的相关研究文献较少，郑刚在天津滨海某基坑支护中采用竖向斜撑对水泥搅拌桩重力式挡土墙进行加固取得了良好的效果，不仅提高了围护结构的抗倾覆可靠性，而且降低造价[2]；简浩等根据上海地区基坑设计提出一种新的斜撑基础设计方法，对斜撑基础的设计具有一定的借鉴作用[3]；郭学伟等在天津某工程采用钢斜撑在两级灌注桩间增加侧向刚度，降低了施工成本，提高了施工效益[4]。结合竖向斜撑在我国东南沿海地区某软土基坑的应用情况，并详细介绍基坑支护设计算，对大面积软土基坑支护设计具有一定的借鉴作用。

1工程概况

某污水处理厂生物池位于东南沿海地区，地下为生物池，地上为停车场。基坑长226.1m、宽84.6m，基坑开挖深度为6.25m~6.75m，为本地区较为大型的软土基坑。基坑周边环境简单。场地西侧距厂区道路12m，其余各侧均为现状空地。

2工程水文地质条件

2.1工程地质条件

基坑开挖影响深度范围内各层地基土土性特征及分布规律自上而下及物理性质指标如下：①层杂填土：杂色，松散，湿。主要以粘性土、建筑垃圾、碎石为主的杂填土，局部为素填土，场地内均有分布。②层粉质粘土：灰黄色，软塑～可塑，饱和，含铁锰质斑点，稍有光泽，无摇振反应，干强度中等，韧性中等，工程性质一般，场地局部缺失。③层淤泥质粉质粘土夹粉土：灰色，软塑～流塑，含有机质、腐殖质等，局部夹粉土。稍有光泽，无摇振反应，干强度中等，韧性中等，工程性质差，场地内均有分布。③a层粘质粉土：灰色，松散。干强度低，韧性无，光泽无，摇振反应迅速，属中等偏高压缩性土。该层于场地内局部缺失。⑥3a层砂质粉土：灰色，中密，局部密实，湿，含大量云母和贝壳残片、少量有机质等，干强度低，韧性无，光泽无，摇振反应迅速，土质不均匀，属中等压缩性土。该层于场地内局部缺失。

2.2水文地质条件

场地浅部地下水类型属孔隙潜水，孔隙潜水主要分布在①、②、③、③a层土中，富水性中等，补给来源主要为大气降水和地表水入渗，水位变化主要受大气降水、附近河流和微地貌控制，排泄以蒸发和侧向径流为主。水位呈季节性变化，水位年变幅0.50m~1.00m。

3基坑支护设计

3.1基坑支护方案对比

针对本工程的工程地质和水文地质条件、深度及环境条件等综合考虑，有以下几种方案可以考虑：①SMW工法桩+坑底加固+竖向斜撑：该方案工艺成熟，在本工程一期工程中应用，效果较好，在挡土和止水方面均有保证，可靠度高。该方案对周围环境影响相对较大，但造价较低。②SMW工法桩+坑底加固+水平钢管支撑：该方案施工工艺成熟，在工程实际中应用广泛，对本工程而言，支护结构的桩身强度、稳定及变形可以保证，围护结构与主体结构相对独立。在成桩时不存在挤土问题，材料运输及排污也比较方便，同时也可以起到止水的作用。但取土空间受限，不易于施工，且本工程基坑宽度较大，钢管稳定性存在一定风险，且造价相对较高。③排桩+坑底加固+钢筋混凝土支撑：该方案施工工艺成熟，在工程实际中应用广泛，对本工程而言，支护结构的桩身强度、稳定及变形可以保证，围护结构与主体结构相对独立。在成桩时不存在挤土问题，材料运输及排污也比较方便，需要另采用三轴水泥搅拌桩止水帷幕。排桩及钢筋混凝土支撑的养护、拆除均需要一定工期，而且造价较高。经过对上述几个方案在安全性、经济性、绿色节能环保等多方面的综合考虑之后，工程采用的支护方案为：“SMW工法桩+坑底加固+竖向斜撑”。

3.2基坑支护方案根据

基坑周边环境条件、工程地质、水文地质条件和基坑开挖深度，基坑安全等级为二级。本着“安全可靠、经济合理、技术可行、方便施工”的原则，确定本基坑采用SMW工法桩+坑底加固+竖向斜撑的支护方案（上部1.5m~2m采用放坡支护），如图1所示。SMW工法桩为Φ850@600三轴水泥搅拌桩，内插H型钢HN700×300×13×24，插一跳一布置；竖向斜撑采用Φ609×14钢管，间距5.5m；坑内预留土坡及坑底加固采用三轴水泥搅拌桩格栅加固工法桩兼做止水帷幕。

3.3基坑支护设计验算

根据《国家行业标准—建筑基坑支护技术规程JGJ120-2012》进行设计计算，整体稳定验算应力计算方式有效应力法。

3.3.1盆式开挖工况计算

首先在基坑中部放坡盆式开挖，形成中心岛盆式工况，依靠基坑周边的盆边留土为围护体提供足够的被动土压力，被动土压力计算按照式（1）~（4）进行计算：对地下水位以上或水土合算的土层：式中：Ppk-支护结构内侧，第i层土中计算点的被动土压力强度标准值（kPa）；σpk-支护结构内侧计算点的土中竖向应力标准值（kPa）；ci、φi-分别为第i层土的粘聚力（kPa）、内摩擦角（°）；Kpi-土的被动土压力系数。考虑坑内预留土坡对支护结构的作用，对于σpk应采用修正后的计算深度进行计算：围护墙体以内土体能够发挥挡土作用的有效土体范围，包括从盆式开挖底面向上45°作直线，直线与留土平台以下的土体为有效土体。从计算点向上45°-φ/2作直线与有效土体轮廓相交，交点和计算点的深度差作为修正Z的取值，如图2所示。则有：σpk=γa•Z（4）式中：γa-修正深度范围内平均土体重度；Z-修正后的计算深度。采用同济启明星FRWS9.0软件计算后。整体稳定性（1.85）和抗倾覆稳定性（1.3）均满足规范要求。

3.3.2加竖向斜撑后基坑支护计算

盆式开挖阶段结束后，施做生物池底板及斜撑基础，装钢管斜撑，继续开挖至坑底设计标高，此时基坑计算包括变形内力计算、整体稳定计算、抗倾覆计算、围护桩强度计算、及竖向斜撑计算等。经计算后，变形内力计算如图3所示；整体稳定性（1.81）和抗倾覆稳定性（1.39）均满足规范要求。①H型钢钢材强度验算如下：最大正应力满足。②竖向斜撑截面计算。支撑水平方向荷载沿冠梁长度方向分段简化为均布荷载q，支撑点水平间距为L，则钢管斜撑支撑点水平反力Nx为：Nx=qL（5）设钢管斜撑与水平方向夹角为α，则斜撑轴向力标准值为Nk：Nk=Nx/cosα（6）按轴心受压构件计算：强度满足要求，稳定满足要求。

3.4基坑降排水方案

基坑开挖前，应做好坑内井点降水疏干措施，坑内地下水位始终保持开挖面以下0.5m。基坑内外的明排水由设置在坡顶坡脚的排水沟、集水井收集排除。坑内设置临时排水沟（根据实际设置临时排水沟、距离基坑下口线2.0m以外）以及临时集水坑（距离基坑下口线3.0m以外）进行坑内排水；对坑外地表水，在基坑边坡顶部四周设置排水沟，并在基坑四角设置800*1000*1000的集水坑，集水坑内积水采用水泵及时排出到市政管道或其他排水设施，避免回灌。

4基坑支护施工

4.1施工流程

场地清表并平整至设计标高→桩基施工→上部放坡开挖→工法桩和冠梁施工→坑底搅拌桩加固→基坑预降水至坑底下0.5m→待加固体达到设计强度后，盆式（预留土坡）开挖至基坑底标高→浇筑中心底板和斜撑基础→安装竖向斜撑→开挖预留土坡→浇筑四周底板→浇筑底板传力带→拆除竖向斜撑→施工池壁及顶板→待池壁与顶板达到100%设计强度后基坑回填土→拔出H型钢。

4.2SMW工法桩施工

SMW工法桩采用三轴搅拌机，将土体和钻头处喷出的水泥浆液、压缩空气原位均匀搅拌，各施工单元间采取套接一孔法施工，并及时插入H型钢形成挡土截水结构。具体施工工艺流程：①测量放线、开挖沟槽；②设置向导、定位型钢；③三轴搅拌桩就位，校正复核桩机水平和垂直度；④三轴搅拌机钻进，搅拌水泥浆液与土体，下沉至设计桩底标高；⑤三轴搅拌机搅拌水泥土，并提升至设计桩顶标高或重复搅拌；⑥型钢起吊、定位校核垂直度；⑦插入、固定型钢。

4.3钢管斜撑安装

钢管支撑结构的组成为：①由若干相互连接的钢管节段组成的钢管支撑；②在钢管支撑一端设置的钢管支墩（用于调节钢管支撑与底板之间的夹角）；③在另一端设置的活络接头（用于调节长度）。钢管斜撑具体施工工艺流程：①根据斜撑两端中心点的位置测量放线；②沿支撑轴线开槽挖土（一般开挖0.3m，随安装随开挖）；③将斜撑吊装到位；④一端焊接在圈梁预埋件上，另一端活络头安装在底板支墩。

4.4钢管斜撑拆除

整个支撑体系安装完成后，开挖至坑底标高，浇筑混凝土垫层及底板。待底板与围护桩之间的传力带浇筑完成后，混凝土强度达到设计要求后进行拆撑。一般需遵循“先装先拆，后装后拆”的原则。

4.5型钢拔除

待生物池地面以下部分施工完毕，土方回填完成后，采用专用夹具及千斤顶以压顶梁为反梁，起拔回收H型钢，起拔过程中始终用吊车提住顶出的H型钢，千斤顶顶到一定高度后，用吊车将H型钢拔出桩体，在指定场地堆放好，分批集中运出工地。H型钢拔除后桩体留下的空隙应进行回填黄砂、注浆处理。型钢起拔过程中应加强坑外位移、沉降监测。

5结语

本工程采用SMW工法桩+竖向斜撑，在大面积软土基坑支护中应用较少，与常规按整个基坑平面布置的水平支撑，其优点在于：①减少了支撑和立柱的工程量，可大幅降低造价；②由于坑底一般为软土，采用斜撑可提高围护结构的抗倾覆能力，防止倒塌；③斜撑可以随挖随撑，通过合理安排施工工序，可缩短工期。

作者：姬忠凯 王辉 单位：中国市政工程华北设计研究总院有限公司