顶管项目工程基坑支护方案研究

顶管项目工程基坑支护方案研究

孙雅茜1何玉龙2张金辉2

1、天津市中环系统工程有限责任公司天津300450；

2、国网天津市电力公司滨海供电分公司天津塘沽300450

摘要：通过天津基地项目35kV变电站第一电源线工程顶管项目基坑支护采用钻孔灌注排桩+止水帷幕围护体系的设计与施工实例,分析、研究软土地层超深基坑在复杂环境条件制约下合理的支护结构设计类型。

关键词：软土地层；超深基坑；排桩支护

1.1基坑位置

拟建天津基地项目35kV变电站第一电源线来自春华路220kV变电站地下穿越港城大道及景观河。本项目拟在新环北街北侧设顶管工作井，在港城大道北侧设接收井。工作井平面尺寸为8m*5m，深度9.4m；接收井平面尺寸为5m*6m，深度8.6m。采用Φ1550市政顶管专用钢筋混凝土套管，长度155米。

1.2场地岩土条件

天津地处华北平原，属于冲击、海积平原地貌，第四系沉积物巨厚。基坑所在区地层自上而下分布依次为：①人工填土层，杂色，松散；②全新统上组河床~河漫滩相沉积层，粉质黏土，软塑，不均；③全新统中组浅海相沉积层，土质不均，湿，软塑；④全新统下组沼泽相沉积层，粉质黏土，土质不均；⑤全新统下组河床~河漫滩相沉积层，可塑，夹薄黏土层，土质不均；⑥上更新统五组河床~河漫滩相沉积层，可塑，夹薄黏土层，土质不均。依据《天津市地基土层序划分技术规程》[1]及本次勘察结果综合分析，本场地勘察深度范围内各土层均为第四系全新系统及上更新统的沉积物。由于各土层地质年代及成因类型不同，在垂直方向上出现海陆交替沉积，岩性特征为粉质黏土、粉土沉积为主；在水平方向上，各项指标对应关系较好，属低变异性，各土层分布较为稳定且厚度变化较小，土质强度较均匀，综合评定本场地地基为较均匀地基。

由于本场区地处平原区，不存在滑坡、崩塌、岩溶（地面塌陷）、泥石流等不良地质现象。根据《建筑抗震设计规范》[2]判定：在抗震烈度7度情况下，本场区地基土无液化土层。但存在地面沉降的不良地质作用，预测未来5年平均沉降量为20~30mm。除此之外，无其他不良地质作用和地质灾害。

1.3水文条件

勘测期间，测得本场地地下水稳定水位埋深在0.6~1.6m之间，相应水位标高在0.51~2.27m之间。地下水初见水位埋深0.9m~1.9m之间，相应水位标高在0.21~1.97m之间。所以，本场地抗浮设防水位可按照大沽高程3.00m进行设防。经过对地下水的腐蚀性检测后得出结论，本场地地下水对混凝土结构具微腐蚀性，长期浸水条件下对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性，鉴于本场地地下水水位埋深较浅，建筑材料受土的腐蚀性可参考地下水的腐蚀性评价。

2支护方案选型

根据深基坑的周边环境、岩土条件和地下水位分布情况，结合本工程基坑为顶管始发井及接收井，坑基不仅尺寸很大，而且深度较深，周边无卸土放坡条件，加之周边存在道路、管线及河道，得出结论：基坑支护变形控制要求较高。基坑开挖面附近有粉土层，止水帷幕应可靠有效，避免开挖后产生流沙、流土。综合以上情况分析，天津地区类似深度基坑支护，有几种比较常见的选择[3]，例如钢板桩+内支撑、排桩+内支撑、SMW工法+内支撑等方式。

钢板桩支护通常采用工字钢或拉森钢板桩等类型[4]，适用于一般黏质土、砂性土和粒径不大于100mm的砂卵坑基坑。拉森钢板桩的止水性能远胜工字钢，但其施工作业过程中噪声较大，较少应用于市区，而且施工严格[5]，必须完全按照设计图纸进行定位，做到严格准确才能保证后续桩位不偏不移。施工过程中必须全过程监测每根桩的插打倾斜度，当其倾斜度超过合格值却又小于2%时，采用拉齐法予以调整，否则需要拔起重打。钢板桩支护施工速度快，施工后可拔除回收，比较经济。缺点是桩长、桩身刚度都受到一定的限制，面对较深的基坑时其桩长和刚度通常难以满足要求，同时期施工难度受土层性质的影响比较大。

排桩支护发展成熟适用性强，对周围环境影响小，墙身强度高，刚度、支护稳定性好，变形小，长度及支护刚度可灵活选择，施工技术成熟，效果可靠[6~7]。但其桩间缝隙容易造成水土流失，特别在高水位软黏土土质地区，需要根据工程条件采取注浆、水泥搅拌桩、旋喷桩等施工措施以解决挡水问题，比较适用于软黏土和砂土地区，在砂砾层和卵石施工中应慎用。虽然时至今日，该工艺被广泛应用于基坑支护和高层建筑上，但是在其施工过程中，影响成桩质量的因素甚多，必须要严把质量关，按照操作规程工序，才能确保质量合格。由于现在市场钢材价格很低，故现阶段其造价也比较有竞争力。

SMW工法亦称劲性水泥土搅拌桩法,即在水泥土桩内插入H型钢等(多数为H型钢,亦有插入拉森式钢板桩、钢管等),将承受荷载与防渗挡水结合起来,使之成为同时具有受力与抗渗两种功能的支护结构的围护墙[8]。SMW支护结构的支护特点主要为:施工时基本无噪音,对周围环境影响小;结构强度可靠,凡是适合应用水泥土搅拌桩的场合都可使用,特别适合于以粘土和粉细砂为主的松软地层;挡水防渗性能好,不必另设挡水帷幕;可以配合多道支撑应用于较深的基坑;支护型钢的平面布局方式比较灵活，型钢可以拔出回收，从而一定程度上降低造价。缺点是其造价易受到工期的影响，同时其施工设备通常较大，较高，在小场地施工受到限制。

由于本基坑的深度较深，且基坑周边无法大规模卸土放坡，经验算，钢板桩长度难以满足基坑稳定性要求，桩身位移也比较大，此外，本项目支护桩深度范围内存在较厚的粉土层，钢板桩施工存在一定的困难。所以我们继续进行SMW工法和排桩支护进行比较，采取选用Φ700~900mm的排桩和Φ650~900mm的SMW工法桩时，Φ650mm工法桩必须采用密插500*200*10*16型钢，其位移值为28mm，若采用隔一插一，则位移将达到38mm，易导致止水帷幕开裂，并进一步影响支护的受力模式。而排桩位移可以被控制在23mm范围内。造价方面，两个月的工期前提下，SMW工法将比排桩结合双轴搅拌桩造价高出约10%，同时考虑到施工现场场地狭小，场地上方存在既有高压线，SMW工法会受到阻碍并存在安全隐患，故本方案最终选择采用排桩支护、双轴搅拌桩止水的支护方案。

3支护体系

支护结构：主副坑均采用Φ700@900钢筋混凝土钻孔灌注桩支护结构。主坑支护桩有效桩长17.4m，桩顶放坡0.8m，坡比1:1；副坑支护桩有效桩长16.2m，桩顶放坡0.5m，坡比1:1。主副坑桩顶均设1.0m*0.6m钢筋混凝土冠梁。

止水帷幕：考虑到基坑开挖深度范围内存在较厚的粉土层，止水帷幕采用双排Φ700@1000双轴水泥搅拌桩，水泥掺入比15%，水灰比0.55.

支撑体系：主坑冠梁处作为第一道钢筋混凝土支撑，其下间隔4.0m设置一道水平钢角撑及钢围檩。钢支撑采用三拼I40b工字钢。副坑冠梁处作为第一道钢筋混凝土支撑，其下间隔4.0m设置一道水平钢角撑及钢围檩。钢支撑采用三拼I40b工字钢。

进出洞口土体加固设计：在进出洞口处止水帷幕外侧增设两排Φ700@1000双轴水泥搅拌桩进行加固，使土体具有自立性、隔水性和一定的强度，防止洞口临空时水泥涌泥及顶进初期机头下栽。

进出洞口止水封堵设计：采用环形橡胶板的封堵方案。在洞口处施厚150mm混凝土护壁，利用钢压板将环形橡胶板固定在护壁上。

4结论

在基坑深度较大，高水位软质黏土地区，如果施工区域狭小，高度受限，且基坑稳定性要求严格时，排桩支护加双轴水泥搅拌桩的支护结构不仅可以节约造价成本，还可以方便工程的进行，是一种经济高效的方案。

参考文献

[1]《天津市地基土层序划分技术规程》（DB/T29-191-2009）天津市勘察院

[2]《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）中国建筑工业出版社

[3]谢柱新.常见基坑支护类型[J].山西建筑,2010,16期(16):89-90.

[4]林炳宏.钢板桩支护在深基坑开挖中的应用[J].科技信息：科学教研,2007,16期:113-113.

[5]卓全.钢板桩支护设计与施工中应注意的若干问题[J].建筑科学,2002,04期(4):42-44.

[6]刘建国.排桩支护在软土地层超深基坑中的应用[J].隧道建设,2011,02期(2):215-219.

[7]吴铭炳.软土基坑排桩支护研究[J].工程勘察,2001,第4期:15-17.

[8]张璞,柳荣华.SMW工法在深基坑工程中的应用[J].岩石力学与工程学报,2004,19(z1):1104-1107.