新型深基坑工程结合排桩支护技术分析

庄小杰，刘洪刚，刘江，周刚，陈烈(中国建筑一局（集团）有限公司，北京 100161)

1 引言

为满足日益增长的市民出行、轨道交通换乘、商业、停车等功能需要，在用地愈发紧张的密集城市中心，结合城市建设和改造开发大型地下空间已成为一种必然，如地铁及地下车站的扩建改造、地下综合交通枢纽等。这些深大基坑常常紧邻交通干线、地铁隧道及各种地下管线，施工场地紧张，周边施工条件复杂，深基坑工程变形控制难度越来越大。在深基坑工程中，排桩支护是一种有效的支护形式，但是在紧邻交通干线、已建工程等复杂外部条件下的深基坑工程中，单独使用排桩等支护形式无法完全满足基坑支护的需要，在特定区域内，锚索因其超越红线限制使用的问题无法结合排桩进行支护加强，而传统的水平内支撑因其工艺繁琐，占用基坑内空间等弊端，并不是最优选择。本文介绍两种创新的基坑支护技术，通过两种新型体系结合排桩对深基坑支护进行加强。

目前国内部分地区采用了基坑钢斜撑支护形式，钢斜撑具有布置灵活，可拆卸循环利用，且几乎不占用基坑内空间，对基坑内施工影响小，在紧邻城市主干道情况下，是一种可靠、绿色的支护形式，但是目前国内外技术存在钢斜撑下方施工困难、防水处理难等弊端，需对目前钢斜撑技术进行改进提升。为解决以上问题，创新研究出高支墩反拉式钢斜撑施工技术，由钢斜撑、抬升支座体系及反拉装置组成新型钢斜撑体系，通过抬升钢斜撑支座高度，设置于结构底板之上，增大斜撑下方施工操作空间，易于大型机械的施工操作，大大降低钢斜撑与结构交接处防水处理的难度，同时利用钢丝绳（或型钢）等反拉体系将斜撑支座位置受到的一大部分力传递到结构底板，更好地实现支护体系的受力平衡。

传统桩锚支护中锚索锁定在设置于围护结构的腰梁上，自由段长度不小于5m，锚固段长度为15～30m 不等，锚索全长设置在基坑以外的土体中，往往使得锚索延伸范围超越本工程用地红线，对红线外相邻工程施工形成障碍而被限制使用。本技术通过采用基坑支护桁锚支撑技术形成整体性的桁架结构，利用立柱桩、钢立柱、围护结构和桁架横梁、斜向钢支撑形成位于基坑内的边桁架结构，锚索锚固段设置于基坑外的土体中，自由段固定于钢立柱与桁架横梁的连接处，将锚索与排桩有效结合来实现基坑的支护，确保基坑的稳定性，使得较大部分的锚索自由段位于土体外部，大幅减少锚索入土深度，施工方便，有效防止锚索超越本工程用地红线。

2 深基坑工程高支墩反拉式钢斜撑支护技术

深基坑工程高支墩反拉式钢斜撑支护技术，包括用于支护基坑边缘的围护结构和设置在基坑内用于支撑围护结构的支墩桩列，围护结构和支墩桩列互相平行，围护结构上设置有冠梁和围檩，且冠梁设置在基坑顶部施工场地地表，支墩桩列的顶部通过钢立柱连接设置有条形支座，围檩和条形支座通过撑臂连接，撑臂倾斜设置且与条形支座连接端的高度低于与围檩连接端的高度。围护结构与支墩桩列之间还设置有两排桩基列，两排桩基列均与围护结构平行，桩基列顶部的高度低于条形支座顶部的高度，两排桩基列的顶部设置有边跨底板连接，边跨底板设置在基坑底部，边跨底板的顶部通过多个相互平行的斜拉臂与条形支座连接。斜拉臂材质为钢绞线制成的钢索，设置在撑臂的两侧，一端通过固定安装在边跨底板顶部的钢锚座与边跨底板连接，另一端通过锚具与条形支座连接。

图1 高支墩反拉式钢斜撑结构示意图

2.1 支护结构及斜撑体系桩基施工

首先根据基坑的具体参数设定围护结构、支墩桩列、两排桩基列的参数，并将围护结构、支墩桩列和两排桩基列预先浇筑成型，围护结构、支墩桩列、两排桩基列相互平行设置，其中围护结构采用排桩的方式且各个排桩相互平行，排桩顶部的高度高于基坑顶部的高度，以便于与冠梁固定连接。支墩桩列采用多个支墩桩相互平行成列构成，两排桩基列均采用多个基桩相互平行成列的设置方式，支墩桩的顶部和基桩的顶部均设置于基坑底部，钢立柱插入支墩桩列的顶部，浇筑支墩桩列使得钢立柱与支墩桩有效连接，钢立柱采用中空钢管或组合型钢，且钢立柱顶部高度低于排桩顶部高度，然后施工冠梁使得各个排桩之间能够有效连接。

图2 围护结构及桩基施工示意图

2.2 基坑土方第一次开挖及支座施工

排桩及冠梁完工后进行土方开挖，采用正盆式施工方式开挖基坑至钢立柱顶部所处平面，且挖成后钢立柱顶部与排桩之间土方为倾斜面，倾斜角度为撑臂的设计支撑角度，此时围护结构和钢立柱两侧均有土方支撑，受力平衡，有助于安全施工；第一次土方开挖完成后，施工条形支座，其中条形支座上预留有用于安置斜拉臂的安装孔。

图3 第一次开挖及支座施工

2.3 安装斜撑及第二次开挖

施工围檩和撑臂，围檩为通长设置，采用钢筋混凝土材料，围檩与围护结构采取植筋方式连接；撑臂水平间距8m，材质为钢管，其两端分别固定在设置于条形支座和围檩上的预埋件钢板上，形成稳定的支撑结构，各结构施工完成后，对条形支座与围护结构之间的土方实施倒盆式开挖，直至挖至基坑底部，使得基桩顶部露出，且挖成后条形支座与基桩顶部之间的土方为倾斜面，倾斜角度等同于斜拉臂的设计倾斜角度，在此过程中，基坑边缘处给围护结构施加的水平力由围檩传递给撑臂，撑臂传递给条形支座，条形支座传递给钢立柱，因钢立柱两侧均有土方存在，受力平衡，保证了施工安全，同时围护结构一侧的土方被全部挖出，便于施工地下结构。

2.4 反拉装置的安装及结构施工

开挖完成后施工边跨底板，底板为钢筋混凝土结构，底板浇筑时在钢索对应位置预埋钢锚座，钢锚座由底座板、前后端板、两块腹板组成，均采用厚钢板，连接方式均为焊接，钢锚座底部通过锚固钢筋预埋在边跨底板上。钢锚座安装完成后再安装斜拉臂，斜拉臂为钢绞线制成的钢索，设置于每根斜撑两侧各1m位置，顶部锚固在条形支座上，底部锚固在钢锚座上，在条形支座和钢锚座处分别采用锚具锁定并施加预应力，钢索穿越条形支座处采取预埋PVC 套管，穿越钢锚座前后端板处采取开洞方式；斜拉臂全部完成后，开挖中部剩余土方，同时进行边跨地下室结构施工，待中部土方全部开挖至基坑底后，立即施工中部地下室结构。

图4 斜撑安装及土方二次开挖

图5 反拉装置的安装及结构施工

2.5 技术应用及实施效果分析

本技术研发完成后在合肥市合经区人力资源产业园项目进行了应用，建设地点位于安徽省合肥市经开区锦绣大道与天门路交口，开工日期2017年11月6日，总建筑面积12.74 万m2，地上6～16层，地下1 层，框架剪力墙结构，项目基坑深度最深处为6.5m，北侧距离基坑边缘4m 为已建厂房，东侧距离基坑边缘5m 为拟建市区主干道。部分基坑区域采用高支墩反拉式斜撑支护，并在支护施工的全过程进行了安全性监测并进行数据记录分析，通过试验记录及过程分析证明了此施工技术能够有效确保基坑支护的安全性，同时解决传统钢斜撑支护的各项弊端，易于大型机械的开挖施工等，充分发挥钢斜撑基坑支护技术的优点，后续工程中可推广应用此项技术。

3 用于基坑支护的桁锚支撑结构施工技术

用于基坑支护的桁锚支护结构，包括边桁架结构和锚索结构。边桁架结构围绕基坑内缘四周设置，包括立柱桩、钢立柱、围护结构和桁架横梁，立柱桩设置在基坑内，围护结构设置在基坑边缘，立柱桩上设置钢立柱，桁架横梁架设在钢立柱与围护结构的顶部；用于基坑支护的桁锚支护结构还包括锚索结构，锚索的锚头台座设置在钢立柱与桁架横梁的连接处，锚索的锚固段倾斜向下设置于基坑外的土体中，锚头台座与锚固段之间由贯穿围护结构的锚索自由段连接。

图6 桁锚支护结构示意图

3.1 围护结构及立柱施工

在场地地面施工围护结构、立柱桩、立柱、冠梁，冠梁上预埋钢筋与拟施工的首层边桁架横梁接驳；排桩采用钻孔灌注桩，按一定间距形成柱列式，桩与桩之间通过冠梁连接形成排桩围护结构。立柱桩采用钻孔灌注桩，桩顶标高为拟建地下室底板垫层底以下200mm-500mm，钢立柱采用钢格构材质，由角钢和钢缀板焊接而成，底部插入到立柱桩内。

图7 围护结构及立柱施工

图8 土方开挖及锚索施工

3.2 土方开挖及锚索施工

进行第一次土方开挖后施工锚索，锚索分锚固段和自由段，在基坑外的土体中施工锚索锚固段，锚索自由段暂时放置在基坑内。

3.3 桁架支撑结构施工

依次施工边桁架横梁、边桁架纵梁、二层边桁架横梁、围檩、二层边桁架纵梁、斜向钢支撑、锚头台座。边桁架横梁与冠梁、边桁架纵梁浇筑为整体，二层边桁架横梁与围檩、二层边桁架纵梁浇筑为整体，边桁架纵梁与二层边桁架纵梁及围檩沿基坑通长设置。斜向钢支撑使用中空的钢管件或钢格构，其两端分别固定在设置于边桁架纵梁和围檩上的预埋件钢板上。锚索的自由段设置在钢管或钢格构的管腔内，穿越围檩和边桁架纵梁7 处采取预埋PVC 套管，桁架结构施工完成后，锚索先后穿越围檩、斜向钢支撑和边桁架纵梁，预应力张拉后锁定在锚头台座上。支撑结构施工完成后，将整个基坑开挖至基坑底，进行后续土方开挖及主体结构工程施工。

3.4 本技术研究总结

通过用于基坑支护的桁锚支撑结构技术，取消了水平对撑及其下方的立柱，仅在基坑边缘设置边桁架水平支撑和沿基坑周边的立柱，为基坑土方开挖和地下室结构施工提供了良好的平面作业空间，大大提高了施工效率，减少了基坑暴露时间，缩短了工期。同时由于立柱和立柱桩的取消，解决了立柱穿底板的防水处理难题，节约了造价。采用锚索与边桁架支撑共同作用替代了水平对撑，锚索的自由段置于边桁架中的斜向钢支撑内，仅锚固段位于土体中，大大减少了锚索进入基坑外的尺寸，解决了锚索超越本工程用地红线造成的侵权问题。

图9 桁架支撑结构施工

4 结语

尽管排桩支护是一种传统的可靠深基坑支护形式，但是随着基坑深度越来越深，基坑周边环境的复杂性等原因，单独的排桩支护很多情况下已无法满足某些深基坑工程的支护要求，高支墩反拉式钢斜撑支护技术和用于基坑支护的桁锚支撑结构施工技术，是两种新型的深基坑工程结合排桩支护技术，可以有效的实现特殊或复杂条件下的深基坑支护，后续可在工程中推广使用。