和建国际工程有限公司 上海 200032
摘要：随着国内经济的发展，大量基建项目的实施，针对深基坑围护工程的施工规模和施工难度逐步提高，对基坑围护提出了更高的要求。如何保证即安全经济又按期保质的进行基坑围护施工，最关键就是选好基坑支护的结构形式，并制定和实施一个好的基坑支护方案。本文以实际工程为例讨论基坑围护选型，以及其对工程造价的影响。
关键词：深基坑；支护；搅拌桩；支撑系统；施工
引言
基坑围护工程作为项目实施过程中一项临时工程，从设计的角度和经济角度来讲，设计的安全储备可适当小一些。但因其涉及土方开挖及深基坑内操作人员安全，对其安全又提出了更高的要求。基坑围护工程是岩土工程、结构工程以及施工技术、信息监测的交叉学科，是多种复杂因素相互影响的系统工程。从某种程度上讲，基坑围护工程是先进施工技术的代表，如何做好选型并有效的控制造价，做到既安全又经济是一个重要课题。
基坑围护工程的设计与施工方案必须要考虑土方开挖方案以及土方开挖前期的准备条件等，是一项综合性比较高的分部分项工程，而这项工程又是整个项目的前期工程，施工质量的好坏直接影响整个项目的安全、质量和进度。本文以上海阿波罗实际项目为例，从基坑支护方案选型和具体施工等方面对劲性水泥土搅拌桩进行简要阐述。
1 工程概况
1.1结构参数。
该项目位于上海市奉贤区，项目为上海阿波罗机械股份有限公司综合车间，项目为两栋6层车间，下设一层整体地下室，框架结构，基桩为350预应力混凝土空心方桩。基坑开挖面积约3650m2，基坑围护周长约273m，基坑开挖深度为5.8m。
1.2 基坑工程方案设计选择。
基坑围护方案的选定必须综合考虑工程本身的特点及周围环境的要求，在满足地下室结构土建施工及确保周围环境安全可靠的前提下，尽量达到既经济合理，又方便施工。综合场地的地质条件及周边建筑物、临近管线保护需要，根据相关基坑围护设计规范确定该基坑为三级基坑，环境保护等级为三级。
2基坑周边环境及地质情况
2.1 基坑周边环境。
该项目位于工业园区内，周边建筑大多为工业厂房，基础埋深较浅，最深基础为1.50m。最为关键是项目北侧临近道路处有一天然气管道，距离基坑开挖边线为11m，需在设计和施工监测中对北侧要密切观测，作为重点监控对象。
2.2 场地地质情况
1、拟建场地地貌形态单一，类型属滨海平原区，地形较平坦。勘探期间所测勘探孔的孔口高程在4.37～4.62m之间，一般标高平均在4.50m左右。
2、本场地浅部地下水属潜水类型，主要补给来源为大气降水、地表径流，勘探期间由钻孔中测得的地下水水位埋深为0.90～1.40m，相应标高为3.16～3.72m，并随降水、地表径流等影响有所变化，根据上海市工程建设规范《岩土工程勘察规范》，上海市潜水位埋深一般为0.30～1.50m，年平均水位埋深为自然地面下0.50～0.70m。
3、基坑开挖施工涉及的土层主要有①1层素填土、②1、②2层粉质粘土、③层灰色淤泥质粉质粘土和③夹层砂质粉土。③层灰色淤泥质粉质粘土和③夹层砂质粉土，基坑开挖时有可能产生流砂现象，对基坑开挖不利。
4、场地内土层分布情况及基坑围护设计参数如下表所示：
表1：场地内土层分布情况及基坑设计参数表
注：C、φ均为勘察报告所提供的土层物理力学性质参数表中推荐值；
3 基坑围护设计方案
3.1 设计指导思想
基坑围护方案的选定必须综合考虑工程本身的特点及周围环境的要求，在满足地下室结构施工及确保周围环境安全可靠的前提下，尽量达到既经济合理，又方便施工的要求。
3.2 方案简介
3.2.1 挡土止水系统
根据基坑开挖深度，结合周边环境、地质条件等，从安全、经济的角度出发，结合施工工艺、施工周期等因素，基坑总体思路上采用板式围护+内支撑的支护体系，局部坡道处可采用施工便利的搅拌桩重力式挡墙围护。
（1）止水帷幕选型
根据本工程的基坑规模及深度，止水帷幕一般可考虑采用三轴搅拌桩、两轴搅拌桩或旋喷桩，考虑到本工程基坑主体临近已建建筑，止水桩采用三轴搅拌桩。
三轴搅拌桩作为止水帷幕，具有以下几方面优点：①三轴搅拌桩采用全断面搭接，止水可靠；②三轴搅拌桩占用场地小，采用半置换型施工方式（介于钻孔灌注桩的全置换及两轴搅拌桩的挤入式之间的一种型式），所以施工时对建筑及管线的影响都非常小。
（2）围护桩选型
本工程基坑开挖深度5.80m，围护桩一般可采用钻孔灌注桩、SMW工法及钢板桩，考虑到钢板桩施工期间对周边环境影响较大，未考虑采用。
SMW工法为三轴劲性水泥土搅拌桩内插型钢，也称为型钢水泥土搅拌墙。相比于钻孔灌注桩，SMW工法有以下优点：①型钢可回收再利用，因此造价较低，基坑规模不大时优势尤其明显；②施工速度较快；③围护桩总宽度较小，所需场地较少。
考虑到以上几点，本方案挡土、止水结构采用SMW工法。
挖深5.80m，拟采用Ф650三轴搅拌桩中内插H500×300×11×18型钢的型式（隔一插一），型钢间距0.9m，型钢长度12m，型钢底进入坑底6.55m，搅拌桩入土深度比型钢深0.5m；为减小拆撑后围护桩变形对周边环境的影响，拟在底板上设置传力带牛腿，牛腿顶标高高出底板面0.5m，即拆撑后围护桩悬臂高度减小为4.30m，有利用围护桩的整体安全性。
3.2.2 支撑系统
支撑结构设计是基坑围护设计的核心内容。为尽可能减小对周围环境的影响，需要一个强大的支撑系统；为了做到经济合理，又必须使用尽可能少的支撑材料；要挖土方便，减少施工周期，支撑之间还得留出很大的挖土空间，支撑结构设计面临众多矛盾。为了有效地控制基坑变形，同时尽可能提供较方便的挖土空间，本方案经过比较、计算，决定采用钢支撑，平面型式为对撑加角撑。钢支撑具有安装、拆除方便、支撑跨度较大的优点，能施加一定的预轴力，对基坑周围的环境能起到很好的保护作用。
本方案支撑杆件主要采用双拼Ф609×12钢管，角撑处采用单根Ф609×16钢管，支撑立柱采用H400×400×13×21型钢，型钢入土深度9.0m。
开挖时应先撑后挖，即开槽设置钢支撑并施加预应力后，方可开挖支撑以下的土方。开挖至坑底后，浇筑垫层、底板，底板与围护桩之间设置传力带（传力带牛腿），待强度达70%左右后即可以底板作为换撑，拆除支撑。待结构施工出 0.00时，外墙和围护桩之间采用好土回填密实后，即可拔除搅拌桩内插型钢，同时应采取灌浆。
3.2.3集水井等局部深坑的处理
本工程局部深坑落深1.0～1.20m，采用压密注浆进行加固，加固深度为坑底至坑底以下4.0m，对贴边深坑处亦采用搅拌桩内插型钢加长的方式进行加强。
本支护方案主要牵涉到围护及支撑两大系统的设计和计算，需要对每根桩的内力变形、整体稳定性、坑底及墙底隆起、ＳＭＷ工法水泥土强度及支护桩抗倾覆等进行计算，具体设计计算详见《附件：劲性水泥土搅拌支护桩设计计算书》。
4.专家评审后最终方案
根据国家及上海市相关要求，对开挖深度超过5m的基坑方案需经专家评审。评审意见认为初始方案设计基本能满足施工要求，但是需要进行进一步的深化，主要有以下几点意见：
1.方案总体较安全和经济，施工较方便；
2.支撑平面采用对撑加角撑，对撑为双榀钢管，建议修改为双向十字正交钢管支撑；
3.设计型钢采用12m标准长度，最大限度的减少了型钢的损失；
4.中间汽车坡道的处理对基坑安全和稳定基本可行，但回填难以密实，需要采用更为可靠的方式；
综合以上几点，经过充分的讨论，在初始设计的基础上，对基坑围护方案进行深化更改。修改前后的方案如下：
图2：设计初始方案概图
图3：最终设计施工方案
根据最终的设计方案，项目的工程量有些变化，主要体现在钢支撑用钢量增加、内插型钢用钢量减少，钢支撑施工难度减小。在原有设计方案中的双榀支撑施工难度系数较大，因单件构件较重，需要的起重设备也有所差异。因支撑点较之前的方案增多，对整个基坑的受力更趋于合理，上部圈梁每个支撑点的力变小，受力更为均匀。
又因支撑点增多，外部围护结构内插型钢数量较最初方案变少。从施工进度上讲，这将加快工法桩施工进度，有效的减少围护工程所用时间。
对于评审意见中提到的汽车坡道回填土密实度难以保证的问题，项目上将把此处回填作为重点进行监控，必要时采用砂石混合料进行换填，以确保回填质量。
5.主要施工流程
该基坑围护工程主要施工流程为SMW工法桩—压密注浆—钢立柱—钢管支撑及降水—挖土，必须遵循土方开挖“开槽支撑，先撑后挖，分层开挖，严禁超挖”原则。
图4：SWM工法桩施工主要流程图
6.重点工序质量控制要点
6.1确保桩机垂直度
桩机安置要平稳，桩机安装前应对桩机四周进行平整，安装时用经纬仪观测钻机垂直度，确保钻孔轴心不偏移，三轴水泥搅拌桩桩位定位偏差应小于20mm，成桩后桩的中心偏差不得超过50mm，桩身垂直度偏差不得超过1/150。
严格控制钻孔下钻深度，利用钻杆和桩架相对位移原理，提前在钻杆上划出钻孔深度的标尺线，严格控制下钻、提升的速度和深度，保持螺杆匀速转动、匀速下钻、匀速下沉速度不大于1m/min，提升速度不大于2m/min，钻至桩底时应持续搅拌注浆，保证整桩搅拌均匀、充分，确保成桩质量。
6.2严格控制水泥掺入比
所用的材料必须符合相关规定，水泥必须具有出厂质量证明书，水泥进场时必须对其品牌、标号和出厂日期进行检验，同时按规定进行抽样送检，复检合格后方能进行施工。
水泥掺入比直接影响到水泥土的强度和基坑围护的质量，应派专人对水泥掺入量进行检查。浆液不能发生离析，放浆前必须搅拌30秒后再倒入浆桶，存浆桶内也需设置搅拌装置。压浆阶段不允许出现断送现场，输浆管不能堵塞，全桩需注浆均匀，不得出现夹心桩。现场应派专人检查，做好每根桩的成桩的原始纪录，确保成型的每根桩具有可追溯性。
水泥土和涂有隔离层的型钢具有一定的粘结力，共同起到止水挡土的效果。SMW搅拌桩施工时每班需做同条件养护试块，28天强度应达到1.0Mpa。
6.3防止产生施工冷缝
三轴桩施工过程中，应尽量避免施工冷缝的出现，因此在施工时应提前做好准备，包括施工人员提前就位、材料提前入场、现场用电、设备检修等，避免施工过程中因准备不足产生施工冷缝。在施工过程中，若因设备故障、断电或处理障碍物等意外情况发生，造成施工间断时间超过24小时，需在冷缝处围护桩外侧补搅素桩，并与内侧三轴桩咬合100mm。
6.4严格控制型钢插入质量
型钢表面要涂上涂层，浇筑连接梁时，埋设在梁中的型钢部分
要用10mm厚泡沫塑料片包裹好，以便型钢拔除。在沟槽定位型钢上设定位模具，固定插入型钢平面位置，然后将型钢底部中心对正桩位中心并沿定位模具徐徐垂直插入水泥土搅拌桩体内，型钢下插至设计深度后，将其搁置在定位型钢上，等水泥土搅拌桩达到一定硬化时间后，将吊筋及沟槽定位型钢撤除。若型钢下插达不到设计标高，则重复提升下插使其达到设计标高，同时要始终用线锤监控型钢垂直度。地下结构施工完成恢复地面后，即可拔除型钢，以圈梁为反力梁采用专用夹具及千斤顶起拔回收型钢，起吊完成后拌制水灰比为1.0的水泥浆，使其自流充填型钢拔出后的空隙，减少对邻近建筑物的影响。
6.5 控制支撑系统的施工质量
预压力控制值不宜小于支撑设计轴力的50%，但也不宜过高（一般小于支撑轴力设计值的80%），否则要防止围护结构的外倾。预压力加至设计要求的额定值后，应再次检查各连接点的情况，必要时对节点进行加固。
水平支撑的现场安装节点应尽量设置在纵横向支撑的交汇点附近。钢支撑与钢围檩的连接可采用焊接或螺栓连接，节点处支撑与围檩的翼缘和腹板均应加焊加劲板，加劲板的厚度不小于10mm，焊缝高度不小于6mm。
支撑安装应采用开槽加设，当支撑顶面需运行挖土机械时，支撑顶面的安装标高宜低于坑内土面20～30cm，钢支撑与基坑土之间的空隙应用粗砂回填，并在挖土机及土方车辆的通道处架设道板。
支撑安装完毕后，应及时检查各节点的连接情况，经确认符合要求后方可施加预压力，预压力施加宜在支撑的两端同步对称进行，预压力应分级施加，重复进行，预压力后再次检查所有连接接点情况。
7.施工效果总体评价
7.1 施工进度评价
因项目整体工期较紧张，从工程桩基施工开始，项目部就非常注重施工进度，并根据现场的实际情况，合理安排工期。原计划整个基坑支护和挖土预计工期为105天，因方案调整后减少了双榀支撑的拼接和安装，直接采用单肢支撑，更易于施工，实际施工工期为89天，比原计划工期缩短了16天，为后期结构施工抢工期打下了良好的基础。
7.2 工程造价评价
根据支撑钢管的增加量及型钢减少量，以及综合其他分部分项工程的工程量减少，加上实际施工工期缩短16天，支护结构及SMW桩内插H型钢租用时间减少，租金相应降低，该基坑支护工程造价由最初的430万元减少到370万元，造价降低14%。
7.3 安全评价
经施工过程中连续不断的监测，从土方开挖时，周边环境位移累计不超过3cm，达到了预期的效果；顶部支撑拆除后，连续监测周边环境位移不超过5cm，从这方面来讲基坑的安全性非常高，达到了预期的施工效果。再者，土方开挖到支撑拆除期间，工法桩内侧无明显水渍，止水效果良好，目前项目地下室即将封顶，整个支护桩的安全性完全达到预期目标。
7.4 其它方面评价
有利于节约钢材：我国是钢材消耗大国，SMW工法桩中的支护结构和H型钢均可拆除重复使用，相比以前的地下连续墙和钻孔灌注桩使用大量的钢筋且无法回收重复利用，SMW工法桩可以大大的降低钢材消耗量。
有利于环境保护：采用地下连续墙和钻孔灌注桩，围护结构大部分永久性的埋在了地下，造成地下建筑物底板以下（该建筑物的深度地下空间）资源受到了原围护结构的污染，给以后底板下地下资源的开发造成了极大困难，而采用SMW工法作为围护结构，H型钢大部分都拔除回收，不会产生如此问题。同时SMW桩无论是施工噪音还是扬尘都较连续墙和钻孔灌注桩小，更有利于环境保护。
图5：基坑围护及内壁图
8结语
基坑围护工程作为重要的临时工程，对基坑安全有着重要意义，必须从设计方案的选择开始，到优化设计，再到施工的质量控制、施工监测等各个方面予以重视，尤其的前期设计阶段的方案比选和优化，对工程造价的影响最为关键。方案的比选应综合施工场地状况，施工难易和质量控制的难易，综合考虑予以选择，方能达到最好的效果。
参考文献：
[1]《深基坑支护结构形式与方案选择》张新华广东建材2010年第四期
[2]《某基坑支护的优化设计》魏科峰等长江大学（自然科学版）2012年第6期
[3]《基于价值工程的深基坑支护方案优选研究》吴秉策物流工程与管理 2010年第7期
[4]刘建航、侯学渊等主编，基坑工程手册【M】，北京：中国建筑工业出版社
论文作者:张军,王寿和
论文发表刊物:《建筑科技》2018年第1期
论文发表时间:2018/4/8
标签：基坑论文; 型钢论文; 工程论文; 方案论文; 结构论文; 钻孔论文; 水泥论文; 《建筑科技》2018年第1期论文;