桩+内支撑支护体系在武汉某深基坑工程中的应用

吴鹏琴，李进勇，冯 勇，贺建飞

（1.中冶华亚建设集团有限公司，武汉 430081；2.中南勘察基础工程有限公司，武汉 430081）

随着城市建设的快速发展，建筑物密度日益增大，拟建工程周边都存在着交通道路、建筑物及地下管线，对变形控制日趋严格[1-2]，加之国内很多城市都限制红线外使用锚杆（索），使得基坑开挖场地愈加狭小，桩+内支撑支护结构形式逐渐成为深大基坑支护设计中首选形式之一[3]。

本文结合武汉市某深基坑支护设计及施工，对复杂环境条件下采用的排桩+内支撑支护体系结构进行总结介绍，以期给类似工程提供经验。

1 工程概况

本工程位于武汉市街道口某大学校内，总建筑面积约120 000 m2，地上22 层，地下3 层，基坑周长约589 m，地下停车库占地面积约15 000 m2，整个基坑开挖面积约17640 m2。建筑物±0.00 标高相当于绝对标高32.00 m，自然地面标高为30.0~34.0 m，地下室底板标高为+17.00 m，开挖深度为13.0~17.0 m，工程重要性等级为一级。

基坑周边环境复杂，南侧基础外边线距用地红线约7 m，红线外为珞瑜路；北侧基础外边线距用地红线约11～19 m，东侧基础外边线距用地红线约10～16 m；基坑东侧、北侧红线紧邻学校家属楼，建筑物密集。

2 场地工程地质和水文地质条件

2.1 工程地质条件

场地地貌上属长江Ⅲ级阶地，场地地势有一定起伏，北西侧地势较高，基坑施工前地面标高变化在33.94～30.02 m 之间。基坑侧壁土层自上而下分别如下。

1）①层杂填土（Qml）：黄褐色、结构松散，主要由粘性土混少量碎石、植物根系组成；层厚0.5～3.4 m，重度γ＝18 kN/m3，黏聚力c＝10 kPa，内摩擦角φ=15°，极限摩阻力τ=25 kPa。

2）②层黏土（Q2al+pl）：黄褐、黄红色，硬塑，含有少量铁、锰氧化物及灰白色高岭土；层厚3.3～7.9 m，重度γ＝18 kN/m3，黏聚力c＝28 kPa，内摩擦角φ=15°，极限摩阻力τ=35 kPa。

3）③层黏土（Qel+dl）：黄红色，硬塑，含有少量铁、锰氧化物，局部含有少量砾石及碎石；层厚0.8～2.9 m，重度γ＝19 kN/m3，黏聚力c＝40 kPa，内摩擦角φ=17°，极限摩阻力τ=60 kPa。

4）④-1 层强风化泥岩（S2f）：黄褐色，岩石风化强烈，组织结构大部分被破坏，可见原岩状态，手可捏碎，失水开裂；层厚0.7～2.9m，重度γ＝18.5kN/m3，黏聚力c＝37kPa，内摩擦角φ=16°，极限摩阻力τ=60 kPa。

5）④-2 层中风化泥岩（S2f）：黄褐色，泥质结构，层状构造，岩芯呈短柱状，采取率较高，属极软岩，岩芯基本质量等级为Ⅴ级；揭露层厚4.9～9.0 m，重度γ＝19 kN/m3，黏聚力c＝75 kPa，内摩擦角φ=25°，极限摩阻力τ=60 kPa。

2.2 水文地质条件

场地对基坑有影响的地下水为赋存于（1）杂填土层中的上层滞水。地下水位主要受气候因素影响，大气降水、地表排水为其主要补给来源，上层滞水静止水位为地面下1.7～2.4 m。

3 基坑设计

3.1 设计方案选择

基坑支护体系的确定与众多因素有关，如基坑深度、工程地质及水文地质条件、基坑周边环境条件、主体地下结构及基础形式、基坑平面尺寸及形状、支护结构施工工艺、经济指标及环保性能、施工场地条件、施工季节和施工工期[4-5]等。本工程可选的支护体系有：排桩、地下连续墙、重力式水泥土墙、土钉墙及各种支护体系的组合等。其中，重力式水泥土墙、土钉墙支护体系适用于基坑侧壁安全等级为二、三级，开挖深度不大，对基坑周边沉降及位移要求不严的基坑；排桩、地下连续墙支护体系适用于基坑侧壁安全等级为一至三级的基坑；排桩支护体系适当采用预应力锚杆（索）或内支撑后，能有效控制基坑周边沉降及位移[4-6]，支护体系不占用基坑范围内空间，但锚杆（索）需伸入邻地，有障碍时不能设置，也不宜锚入毗邻建筑物地基内，内支撑不受此限制；地下连续墙支护体系也能有效控制基坑周边沉降及位移，但施工成本高、造价大[6]。

本工程周边建筑物密集，南侧邻近交通干道，东侧、北侧紧邻大学家属楼，需严格控制基坑周边沉降及位移，基坑安全等级定为一级。综合考虑上述因素，本工程采用排桩+内支撑支护体系，桩顶冠梁标高设计在29.5 m 处，FAB 段桩顶边坡采用土钉墙支护，其余段桩顶边坡采用放坡+土钉挂网支护；桩间土采用土钉挂网喷砼保护。

对于地表水，在坡顶进行硬化，在适当位置设置截水沟；对于上层滞水，在坡面设置一定数量的泄水孔，在坡底设置集水沟及集水井，集中向外排抽。

3.2 主要设计参数

1）支护桩设计桩径900 mm，桩间距1 400 mm，有效桩长15.0～16.0 m。桩身砼强度等级C30。

2）立柱桩分为2 类，一类为对顶撑立柱桩，桩径设计1 000 mm，A-A 截面（一、二道内支撑之间部分）四角设置L125 mm×12 mm 角钢；B-B 截面（二道内支撑与基坑底之间部分）四角设置L140 mm×14 mm 角钢；角钢采用410 mm×150 mm×10 mm 钢板四面焊接，间距800 mm；下部设置6 m 钻孔灌注桩，桩径1 000 mm。第二类为角撑立柱桩，桩径设计900 mm，截面四角设置L125 mm×12 mm角钢；角钢采用410 mm×150 mm×10 mm 钢板四面焊接，间距800 mm；下部设置5 m 钻孔灌注桩，桩径900 mm。钻孔灌注桩主筋采用10Φ22 螺纹钢，箍筋采用Φ8@200圆钢，加强筋采用Φ16@2 000 螺纹钢。钢立柱进入钻孔灌注桩3m，钢立柱与地下室底板交接处设两道止水环。

3）支护桩顶采用冠梁连接。冠梁截面尺寸设计1 100 mm×600 mm（b×h），砼强度C35。采用双面对称配筋，每侧主筋7Φ20 钢筋，上下各设4Φ16 钢筋，箍筋四支箍Φ8＠180（转角处1.5 m 范围内箍筋加密Φ8＠90）。

4）支护桩中段采用腰梁连接。腰梁截面尺寸设计1 200 mm×800 mm（b×h），砼强度C35。采用双面对称配筋，每侧主筋8Φ28 钢筋，上下各设4Φ18 钢筋，箍筋四支箍Φ10＠100（转角处1.5 m 范围内箍筋加密Φ10＠50）。

5）内支撑采用钢筋砼角撑和对顶撑，设计两道支撑。第一道内支撑：对顶撑截面600 mm×800 mm；角撑及桁架撑截面500 mm×600 mm；连系梁截面400 mm×500 mm；第二道内支撑：对顶撑截面900 mm×1 200 mm；角撑及桁架撑截面800mm×1000mm；连系梁截面500mm×600mm。

6）冠梁、腰梁及支撑梁砼强度等级均为C35。冠梁应与其相应的内支撑结构一同浇筑，砼内支撑结构施工完必须养护28 d 或达到设计强度80%[5]后方可开挖支撑梁以下的土方。

7）地下室底板浇筑时应同时设置钢筋砼暗撑，同底板一起浇筑，厚度为500 mm，暗撑标高同底板面标高。

8）地下一层、二层楼板处设置钢筋砼换撑，同楼板砼一起浇筑。换撑板厚同楼板厚度，宽度为外墙与排桩之间距离，长度为3 m，为格构式，中间空格长3 m。混凝土等级同楼板混凝土。换撑板双层双向配筋，主筋插入楼板35d，配筋同底板。

9）主楼和裙楼间设置有后浇带处，绑扎板筋时在后浇带处预埋[14 槽钢，间距为2 m，长度为1.2 m。若车道临边，换撑前必须对楼道开孔部分进行加固。在墙体间增加钢管支撑，为Φ194 钢管，壁厚7 mm，水平间距为1.2 m，其标高同地下室楼板标高。

10）待换撑强度达80%[7-8]后拆除支撑。支撑拆除采用人工与机械风镐相结合的方式，或者控制爆破[9]。拆撑顺序：先拆辅撑，后拆主撑。拆撑时间同步进行基坑监测，以确保基坑边坡安全。

4 基坑施工

本工程支护桩施工完成后，先进行了养护，对达到龄期的支护桩进行了小应变检测，结果均合格。随后根据支护桩龄期分段进行了第一层土方开挖—第一层内支撑施工—第二层土方开挖—第二层内支撑施工—开挖到底—底板及换撑板带施工—地下二层楼板及换撑板带施工—第二层内支撑拆除—地下一层楼板及换撑板带施工—第一层内支撑拆除—基坑回填[5]。整个施工情况进展顺利。本工程重点控制的施工项目如下。

4.1 土石方开挖

土石方分多次开挖，均严格按照施工组织设计进行。开挖第一层土方至第一层冠梁及支撑梁时，进行第一层冠梁及支撑梁施工，待支撑梁砼达到设计强度后，再进行第二层土石方开挖。第二层土石方开挖因部分区域包含强、中风化泥岩，岩体强度较高，采用啄木鸟配合反铲的方式开挖，机械作业时，安排专人专职管理一台机械，严禁设备碰撞支撑体系。第二层土石方开挖完毕后，进行第二层腰梁及支撑梁施工，施工同第一层，并待其强度达到设计强度后，再开挖第三层土石方。开挖方式同第二层土石方，开挖至底板底以上300 mm 时，留300 mm 进行人工开挖，防止超挖造成地基承载力破坏。

4.2 内支撑拆除

由于内支撑对基坑开挖的影响很大，拟采用以机械拆除为主、人工拆除为辅的支撑梁拆除方案。选用啄木鸟设备主要拆除两道对顶撑支撑梁、支护桩周边支撑梁；其他啄木鸟等设备无法到达、操作的部位采用人工手持风镐进行拆除。人工拆除时，采用风镐分段截断方式，用塔吊将混凝土块吊运至集中堆场，而后在堆场集中破碎。

拆撑时，为了减少拆撑对支护桩的振动影响，先用风镐凿除支护桩与立柱桩之间的主撑梁，再凿除与之相连的角撑或联系梁，使支护桩与支撑梁全部分离，确保啄木鸟拆撑时支撑梁的振动无法影响支护桩，避免已稳定的基坑荷载出现变化。啄木鸟拆撑时，在须拆除的支撑梁下方铺设脚手架，对楼板进行保护，防止混凝土块直接掉落至楼板上。

人工拆撑：地下室二层楼板顶标高约为22.540 m，基坑支护设计的第二层支撑梁底标高为23.500 m，因此，操作人员可以站立于地下室二层楼板，手持风镐工作；地下室一层楼板顶标高约为26.000 m，第一层支撑梁底标高为28.500 m，即地下室一层楼板施工完毕后，第一层支撑梁相对于楼板净空2.500 m 左右，操作人员无法站立于楼板施工，此时需要搭设脚手架平台。

脚手架搭设须严格按照JGJ 128—2000《建筑施工门式钢管脚手架安全技术规范》执行。操作人员持风镐凿除支撑梁混凝土，耗时费力[8]，可先使用劈裂机劈裂支撑梁混凝土，再使用风镐凿除混凝土。首先，操作人员先使用空压机于支撑梁顶部钻孔，一般孔深500 mm（且距离支撑梁底距离为100～200 mm）、孔间距500 mm、孔径6～10 mm；其次，使用劈裂机插在孔中，依靠油压，劈裂支撑梁身混凝土，代替传统静态爆破拆撑方式；操作人员再手持风镐，将已劈裂的支撑梁身混凝土与梁钢筋剥离；其次，操作人员使用气割设备将钢筋裂断，回收；最后清扫人员配合塔吊将楼板上的碎混凝土块转运出场。

在支撑梁拆除过程中，需加大坑监测力度，安排专人专职对于基坑坡、坑壁、坑底进行每日两次巡视，若发现有新发育裂缝，立即进行处理，并对此相关区域加强监测。

4.3 应急预案

在基坑周边，严禁任何单位或个人进行材料、机械、机具堆载，以免加大支护体系荷载。在拆撑过程中，如发现有位移、变形较大时，立即停止相关区域内的机械作业，同时在基坑周边卸载，支护桩附近加直撑或斜撑，以防止位移、变形进一步扩大，同时加强此区域内的监测力度。

5 施工监测

为使基坑开挖顺利进行，确保基础工程施工安全，对基坑及周边建（构）筑物、市政设施进行跟踪监测，及时为信息法施工提供可靠的监测资料，本工程在基坑支护体系及周边共布置监测点111 个。其中，周边建筑物上布设垂直位移监测点28 个，基坑支护体系的冠梁、立柱桩及边坡上布置垂直位移监测点40 个，基坑支护体系的冠梁及边坡上布置垂直位移监测点兼做水平位移观测点34 个，基坑支护桩上布设深层水平位移监测孔共7 个，内支撑上布设应力监测点36 个。

监测单位于整个施工期间共进行了65 次基坑监测，通过65 次的监测结果来看基坑部位处于相对稳定状态，其中，基坑周边建筑物最大沉降量为11.86 mm；基坑周边道路最大沉降量为6.47 mm；基坑支护体系最大沉降量为27.12 mm，最大水平位移量为向基坑内侧偏移28 mm；深层水平位移监测最大位移为向基坑内侧偏移30.85 mm；应力监测最大值为64.494 kN。

根据上述监测结果，基坑支护体系水平位移、深层水平位移及应力均未出现超过预警值[10]的情形，基坑支护体系处于安全状态。

6 结束语

1）基坑设计施工要确保基坑边坡稳定或支护结构的稳定，保证坑内施工作业安全、顺利，保证坑内工程桩的安全或保护天然地基土。

2）在进行基坑支护设计时，不仅应考虑基坑侧壁自身的安全，还必须注意基坑开挖产生的沉降变形对周边建筑物的影响[4]。在周边环境复杂的地段，要严格控制基坑周边沉降及位移，避免不良社会影响，维护社会的稳定和谐。

3）在选择基坑支护方案时，需详细了解基坑周边的环境条件，根据地质条件及水文地质条件、基坑规模、当地的施工技术经验等合理选择支护形式。

4）内支撑的拆除对基坑的安全影响很大，需制订详细的基坑拆除施工方案及应急救援措施，避免拆撑造成基坑支护结构失效而影响施工安全及周边环境。

5）为保证工程安全和周边建筑物及道路安全，施工需严格按照“信息法”施工，加强监测，根据监测结果及时修改设计并采取防范措施，同时也对设计文件进行验证，积累经验。