软土地基深基坑群阶梯式组合支护技术

软土地基深基坑群阶梯式组合支护技术

摘要：对于复杂的深基坑群传统的分区一次性围护到位、多层内支撑模式越来越不能满足工期及成本的限额要求，尤其是对高含水率流塑态淤泥层地基，深基坑群支护及开挖难度更加突出。本文在分析流塑态淤泥软基基坑变形规律的基础上，提出采用阶梯式组合支护概念，并对组合支护方法要点及基坑开挖要点进一步阐述。实例证明采用阶梯式组合支护技术在确保变形安全的前提下，能有效缩短工期且降低基坑成本。

关键词：软土地基；深基坑群；阶梯式组合；支护加固 1 前言

随着国家经济发展战略的调整及区域经济发展的需要，近年来一些大型工业生产线，尤其是冶金行业大型轧钢生产线，受原料进口及产品运输的需求，逐渐往江河入海口、滨海区域搬迁或异地改造。广东沿海区域相对上海地区软土工程性能更差，典型特点是含水率高、呈流塑淤泥态、强度低、渗透小（几乎不透水）、流变性大,一般情况液限wl=40%～90%,天然孔隙比e﹥1.0，压缩系数α1~2﹥0.5m2/mm,不排水抗剪强度小于0.03mpa,天然渗透系数k=10-6～10-8cm/s。对于标高变化多、平面不规则的大型复杂深基坑群支护而言面临新的难题，其中比较突出的问题是无法降水开挖，常见的依次分区支护、多层内支撑的支护模式很难满足建设工期及基坑成本的限额要求。笔者结合在上海、广东沿海地区施工大型复杂深基

坑的经验，提出了软基深基坑群阶梯式组合支护方法，在满足基坑稳定变形控制要求的前提下，提高基坑开挖效率，最大限度地节省工期，降低工程成本。本文对阶梯式组合支护方法及要点作简要阐述。

2 阶梯式组合支护设计依据及方法 2.1 软基基坑变形特点

基坑变形包括围护结构变形、基底隆起变形、基坑外围地层的变形【1】，考虑对工程桩的影响，还包括开挖期间基坑内待挖土层的蠕动变形。基坑支护体系的设计及开挖方案设计主要以控制这四种变形为目的，控制最终基坑周围地层变形是关键目标。基坑开挖卸载，打破围护墙内外原土压力的平衡，开挖过程伴随土压力差持续拉大发展，从而引起基底隆起变形及围护结构位移变形，进而引起基坑周围地层的沉陷及位移变形。基坑土方开挖是一切变形的根源，基底隆起和支护结构的变形是基坑周围地层变形的直接原因。对于高含水率、高流变性软土地基而言，这种前因性的变形速率、变形量及变形范围往往成几何级数地增加。

深基坑的变形规律及变形估算工程界作过大量的分析、研究及经验总结，刘国彬教授等在《基坑工程手册》（第二版）中对软土地基基坑变形有系统的分析及结论。经笔者实例统计发现，对于滨海地区高含水率流塑淤泥态软土，因流变性大，比较一般性软土具有更不利的特点：一是在基底隆起变形方面，基底面隆起弹性变形微

弱主要以塑性变形为主，同时在围护墙趾一定范围有绕流挤入式隆起，隆起量与围护墙体入土深度相关，入土越深隆起量越小，反之越大，基底隆起量统计表明沿围护墙体内侧墙趾附件隆起量最大，基坑几何中心区域次之，余下部位相对较小；二是变形发展速率相对更快，变形范围更广，基坑过程中分层开挖围护墙体外周土体主动土压力很快达到峰值，地层对围护墙侧压力持续累加直至最终相对稳定，外围地层沉陷变形影响范围往往超过5倍的开挖深度；三是外围的超载变化及振动对变形影响明显且基本都是塑性变形。 2.2 考虑时空效应的基坑挖土

任何深基坑的支撑安装与开挖总是渐进式的，尤其是多层内支撑支护基坑，做到严格意义上的先支撑完再开挖，施工相当困难。大量研究与实践表明，每步开挖所暴露的未支撑前的空间尺寸与暴露时间对基坑变形有重要影响，充分利用土体自身，通过有意识调整开挖顺序、设定分段分块开挖空间和待挖区位置等方法，可以有效控制软土基坑变形发展，尤其是对于施工周期相对较长的复杂深基坑群。根据时空效应规律，基坑地层土质越软弱，其步进式挖土空间尺寸要求越小，暴露时间要求越短。对于深厚流塑淤泥层地基基坑，较经济的应对措施是对基坑土进行适当加固改良，以保证每步开挖空间尺度和时间尺度满足基础结构 施工要求。

由上述可以得出简单结论，软基深基坑控制变形的关键在于三点：1）控制支护结构稳定及变形；2）控制坑底土体稳定及变形；

3）任何时候都尽最大可能减少基坑暴露尺寸及时间。 2.3 阶梯式组合支护方法

软土地基复杂深基坑群采用阶梯式组合支护思路，正是基于对流塑淤泥态软土基坑的变形特性分析及考虑挖土时空效应对基坑变形主动优化作用。阶梯式组合支护设计方法及步骤简述如下： 1)复杂的深基坑群外边轮廓凸凹曲折，开挖深度变化多，总体而言还是内部较深，外周相对较浅。从平面上可按施工部署要求将基坑群进行合理分区，基坑外轮廓适当归并简化；按开挖深度将基坑支护设计标高简化归并为浅、中、深2～3层开挖深度。

2)从外向内依次布设围护墙体，形成外、中、内阶梯式围护体系。外层采用重力式或悬臂式无内支撑挡墙，中层采用单层内支撑钢板桩或钻孔灌注桩挡墙，内层采用刚度更大的钻孔灌注桩或钢筋混凝土连续墙带冠梁及单层内支撑挡墙。外、中、内层支护体系整体刚度依次增加。

3)设法降低土层含水量，对基底及基底以上坑内土体进行改良。疏干降水和深层水泥搅拌桩法是常用的土层加固改良方法，适用于中渗透性及低渗透性软土层。流塑淤泥土层渗透性极小，经过深层搅拌桩加固改良后能显著降低土层流变性，提高基底土层竖向及水平向抗力，可有效优化围护墙体入土深度及控制基底隆起变形。在流塑淤泥态软基中，基底加固是阶梯式组合支护体系确保稳定的关键因素之一。

4)对阶梯式围护墙体间土层进行改良加固，增强淤泥层以改善主动土压力分布及发展，改善被动土区抗力，同时加强围护墙体的嵌固稳定性。

5)确定基坑分区施工顺序，设计基坑内分块开挖顺序及分块开挖空间尺度，设计合理的工序衔接搭配，控制基坑分块开挖暴露时间。 6)根据分块开挖部署及阶梯式各层围护墙体支撑体系的平面几何要求，确定支撑立柱布设方案，从空间构造上进行归并简化，细化节点构造，使阶梯式多层次围护墙体、支撑体系、基底加固层形成相对稳定的空间。

7)选取合适的原始土层及改良后的工程参数，对支护体系及基坑稳定、变形进行验算校核，对支护结构及开挖方案进一步协调调整，最终形成完整的阶梯式组合支护体系。 3 支护设计及基坑开挖要点 3.1土工参数的选取

沿海地区流塑淤泥态软土往往成高饱和欠固结状态存在，软硬分布也极不均匀，在同一勘测地块，工程勘察参数上下限值差别较大，对原状土勘察报告中各项地质参数建议取标准值，考虑标准差。 采用深层水泥搅拌桩作围护墙体或加固改良土体的效果与原始土的含水率、液限指数、腐殖质含量有关，与水泥（包括外加剂）掺量、成桩工艺、排桩方式及施工质量也密切相关。针对具体土质情况当无成熟经验时，应采用现场试桩方法，通过抽芯检测水泥土

强度，推算合理的强度指标及改良土的土工参数、水泥土合适的养护时间。

3.2 深层水泥搅拌桩加固地基土

常见的有干法粉喷桩和湿法搅拌桩两种掺入形式，理论上“干法”不额外增加地基含水加固效果要优于“湿法”，对软基土大量的室内试验验证了这一点。但在现场深层搅拌法中“干法”和“湿法”应用实效长期存在争议。在同一高含水率流塑淤泥地层，笔者做过简单现场试验，以12%、15%、18%的水泥掺入比，“干法”及“湿法”14d、28d、40d养护龄期横向及纵向对比无侧限抗压强度。结果显示两种成桩方法在相同龄期内随掺入比增加水泥土强度增加，早期强度差异不大，28d后差异明显；相同掺入比干法成桩早期强度高于湿法成桩，28d后“湿法”强度提升相对较快，40d“湿法”强度高于“干法”强度；通过取芯观察湿法成桩均匀性明显优于干法成桩；取样测量加固区混合土含水率情况，早期“干法”对降低原土含水率效果明显，后期“湿法”对降低原土含水率效果明显，28d后两种方法对改善原土含水率没有太大区别。

高含水率流塑淤泥层中湿法成桩总体强度较高的主要原因在于易于保证水泥掺入均匀。湿法成桩养护需要时间可以通过“似水灰比法”查表推定【2】（r=m+1000ρ/(1+100/wn)c，r:似水灰比；m：设计浆液水灰比；ρ:土的密度103kg/m3；wn：土的含水量%；c：

水泥含量kg/m3）。

水泥搅拌桩排桩形式与其在基坑整个支护体系中作用目标紧密相关，通常采用的“满堂密排式”、“格栅式”、“条形间隔式”、“井字形网格式”等，结合具体情况合理选用，相邻桩体间确保有效“咬合”是关键。 3.3 基坑开挖

软土地基阶梯式组合支护体系建立原则之一是充分考虑基坑开挖的时空效应，通过优化挖土方案主动控制基坑的变形发展。基坑开挖原则可简要归纳为“分块开挖、均衡对称、先撑后挖、扇形退进、及时封底”，具体针对软基地层控制要点如下：①分块大小适中，以不超过30m见方为宜，与结构分块施工统一考虑，软土基坑中基坑越深，分块面积宜越小；②类似矩形基坑宜对称分块同步开挖，最后开挖块留置在长向跨中部位，待其余分块区底板浇筑完毕后开挖；③当软土加固后土质效果较好的前提下，对于带内支撑大面积坑中坑，可以在基坑边设置塔吊安装支撑用，采用“扇形退进”开挖方法，实现“边撑边挖”，条件允许情况下，甚至可以实现“边挖边撑”；④开挖完一块及时浇筑一块基础底板，基底暴露时间一般不应超过7天，对深基坑一般控制在5天以内为宜。 4 工程实例

广州某钢板有限公司酸洗-轧机生产线工程，主体设备基础全部在±00以下，结构复杂，基坑成群分布开挖深度-4.8～-13.4m，大

面积开挖深度在-10m。基坑位于典型的海相沉积淤泥区，其原始土工参数见“表1”。

表1 土层参数标准值统计表

基坑群采用阶梯式组合综合支护方式：外围采用深层水泥搅拌桩重力式挡墙无内支撑，支护范围-1.2～-5.7m；中层采用钢板桩+单层内支撑支护，支护范围-5.7～-10m；内层钻孔灌注桩+冠梁、单层内支撑，支护范围-10m～-13.4m。详见“图1基坑支护平面示意图”。

重力式挡墙采用φ700搅拌桩，密排布置，水泥掺入比15%；外层围护墙与中层围护墙体间采用搅拌桩条形间隔加固，基坑内部采用“井”字形网状排桩加固；所有搅拌桩均采用湿法成桩，桩体咬合200mm，坑底加固部分水泥掺入比15%，待开挖部分加固水泥掺入比7.5%。基坑验算重力式挡墙水泥土抗压强度取值0.8mpa，加固部分水泥土c、φ取值35kpa、15°,基坑开挖条件为水泥搅拌桩抽芯无侧限抗压强度不小于0.4mpa。

基坑采取平面分块竖向分层的总体开挖方式，基坑开挖过程中穿插部分支护结构及基础结构的施工。基坑支护施工及开挖顺序为：外层围护结构施工→内部搅拌桩加固施工→-5.7m以上分层分块开挖→中层钢板桩施工→分块分层开挖-5.7m以下部分（开挖顺序①→②③→④→⑤）→分块浇筑基础底板。-5.7～-10m中层钢板桩+

单层内支撑基坑土采用内“弧线退进”开挖方法，基本做到“随撑随挖、随挖随撑”，挖土效率大幅度提高。

基坑开挖前对水泥搅拌桩进行抽芯检测，养护龄期40～90d，原状水泥土无侧限抗压强度0.4～1.1mpa，平均0.6mpa，加固效果比较理想。开挖过程基坑检测数据显示，重力式挡墙最大位移243mm，平均110mm；中层钢板桩最大位移115mm，平均58mm；内层钻孔灌注桩最大位移59mm，平均34mm；坑底隆起最大69mm，平均30mm；坑外30m范围内累计最大沉降115mm，平均52mm。外层重力式挡墙变形相对较大主要原因是单面墙体长达110m，暴露时间较长，位移变形速率不高但持续时间长。总体来看基坑变形未对周围地层及已有构筑物产生不良影响，对原有工程桩进行检测、测量未发现断桩或产生过大位移情况。基坑开挖效率较高，经测算仅基坑开挖的工期相对一次性支护到位多层内支撑的方案，缩短40余天，成本节省200余万元。 5 结语

软土地基阶梯式组合支护体系相对于一次性支护到位+多层内支撑的方法而言，优点是直接降低支护成本，加快基坑开挖及基础结构施工速度，降低基坑综合成本，缺点是支护体系相对柔性基坑变形控制难度较大。解决问题的途径石需要进一步提升支护体系优化组合技术、软基加固改良技术、深基坑开挖技术、施工协调组织管理技术等。

参考文献：

【1】 《基坑工程手册》第二版，刘国彬主编

【2】 《水泥土搅拌法加固特殊软土的实验与应用研究》 储诚富

注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。