高层建筑基坑支护工程结构设计与施工

1、工程概况

湖南长沙市某建筑工程总用地面积约为19770m2，总建筑面积约32116m2，工程主楼高为19层，群楼3～4层，设1层地下室。本工程基坑较深，大范围挖深为6.85m，局部电梯井坑部位深度8.45m。地下室平面呈矩形布置，周长327m，如图1所示。

根据该工程地块地质勘察报告，对基坑开挖范围为较厚的淤泥质黏土。各土层作为基坑支护设计的主要物理学性质指标如表1.根据地区经验，对表中C、φ值作了调整。

2、基坑支护方案的选择

根据本工程上述特点，结合基坑周边的环境和相同基坑开挖工程的实践经验，我们在设计方案中考虑几种方案：

2.1采用复合土钉墙支护的围护方案。这是比较经济的方案，但是本工程现场地面2m以下为厚层淤泥黏土，且本工程挖深度（6.85m）相对较深，所以周边环境采用该方案的围护必须比常规的要加强。复合土钉墙的方案并不能有效地控制土体位移，且土钉淤泥质土中的效果不明显。故设计不考虑该方案。

2.2采用钻孔桩支护加内支撑和水泥搅拌桩止水方案比较适合地下室开挖，但该方案较常规工程量偏大，故先不考虑该方案。

2.3采用SMW工法的围护方案，有以下特点：

①能同时挡土和止水，占用施工场地小：

②施工速度较快：

③无振动、无噪声、无泥浆污染；

④型钢可拔出回收再用。

为此，我们对方案①和方案③均进行设计计算，对综合经济、工期与社会效益做了对比，发现该工程采用SMW工法较之钻孔排桩方法节约25％的造价，符合国家倡导的节能、环保要求，具有较好的社会效益和经济效益，因此我们选用SMW工法的围护方案。

3、SMW工法连续墙的工作原理和基坑支护设计

本基坑支护设计主要采用了SMW工法连续墙与型钢立柱加钢管支撑的结构形式。SMW（Soi，MixingWall的缩写）工法是以水泥土搅拌桩体作为基坑围护的一种施工方法，该法通过特殊的多轴深层搅拌机在施工现场按设计深度将土体切散，同时从其钻头前端将水泥浆强化剂注入土体，并使之与原位土体反复混合搅拌，然后在水泥土未硬化之前插入H型钢或钢板桩作为应力加强材料，直至水泥土硬结。在施工平面上，桩与桩之间重叠搭接，在地下形成一个抗渗性好、刚度大，同时又由于H型钢的强度，能承受较大水平土压力的地下壁体。在地下结构施工结束后拔出H型钢回收再利用。这种结构由于经济合理地利用了深层搅拌桩和H型钢的优点，同时拔出回收H型钢又可带来巨大的效益，所以具有构造简单、止水性能好、工期短、造价低、环境污染小等优点。

该基坑工程支撑面标高为-0.300m。自然地面标高为-0.500m。自然地面至支护钢管支撐梁顶面的深度2.500m，支护立桩桩采用桩径700钻孔灌注桩（图2）。四周压顶梁均采用现浇钢筋混凝土结构900×500，强度等级为C25.钢管支撑截面ZC1为φ630钢管，壁厚10mm；ZC2为φ426钢管，壁厚9mm；水平ZC3为φ377钢管，壁厚7mm。

4、基坑施了方案的技术分析

4.1本工程基坑支护设计方案中考虑按后浇带进行了分段施工，由西向东分为1～8轴、8～16轴、16～22轴三个施工段，出土由东侧坡进行；3.500m以上土方开挖，先开挖掉有支撑梁部的土方，再进行混凝土压顶梁和钢管支撑梁施工。

①分段、分层开挖土方至四周压顶梁底标高-3.500m处，作好60厚C15混凝土护坡。

②按照压顶梁位置进行模板、钢筋施工，浇筑压顶梁混凝土。

③当压顶梁混凝土达到设计要求的80％，进行下道工序施工。

④钢管支撑梁施工后挖除支撑梁下土方。

4.2-3.500m以上的土方采取以11轴为分界线分作两段分块放坡开挖，开挖时应设标高控制点，尽量把挖深标高控制准确。开挖时可根据场地土质情况采取1：1放坡。

4.3-3.500m以上的土方开挖，应采取保护钢管支撑梁的措施，严禁挖土机和运土车在坑边碰撞支撑梁。

4.4在基坑底板施工完成后，拆除二次支撑梁。地下室项板浇筑完毕，拆除基坑支撑梁进行了防水验收和外衬护墙回土填后，方可拆除SMW支护体中的H型钢。

5、基坑支护施工技术

5.1施工流程

放线→SMW工法施工→压顶梁土方分段开挖至-3.500m→施工混凝土护坡→分段浇筑压顶混凝土→养护→钢管支撑梁施工→挖-3.500m以下土方→分施工段浇筑地下室底板→增加斜撑后拆除支撑→浇筑墙板顶板和防水施工→拔除SMW工法型钢→全部回填四周土方。

5.2施工方法

5.2.1测量放线：按照工程的已知控制轴线，放出基坑边线，在边线的控制点用4×4角钢作好标志。并按照设计要求做好监测点的埋设和开挖前的初始值测读。

5.2.2SMW工法施工：该工法因为具有速度快和占用施工场地小的特点。为加快围攻护进度与保证质量，工法桩以11轴为分区线。配合压顶梁及护坡施工，分为两段。从A11轴顺时针方向进行施工，工法桩控制好钻具下沉及提升速度，同时要求桩位偏差值在30mm以内，垂直度偏差不大于1％，在搅拌成桩时，下行钻进时灌入70％～80％的水泥浆，其余在钻上升时灌入。

5.2.3-3.500m压顶梁处土方开挖：根据SMW工法桩的进度，当完成11轴线以西，开始该压顶梁处地槽土方开挖（图3），开挖时按着梁的灰线进行开挖，因-3.500m以下为淤泥，地槽、压顶梁土方采取分段施工，压顶梁-3.500m以上护坡施工。

5.2.4压顶梁施工：采取边挖土、边铺混凝土垫层，边浇筑压顶梁，同时，人工修整好土方后进行了护坡钢筋网绑扎，随后进行60厚C15混凝土浇筑。

①压顶梁钢筋绑扎与钢管支撑预埋件留设，按设计及规范要求，钢管支撑梁预卖件留设位置，按照图纸要求引测至顶梁上，保证平面几何尺寸，加强测量复核工作。

②浇注混凝土压顶梁时先检查钢筋横板梁面尺寸是否符合规范及设计要求。混凝土采用C25商品混凝土掺入早强剂，按顺序浇捣。

③养护混凝土浇筑完终凝后即可进行浇水养护，混凝土强度要达到设计值。混凝土强度以同条件养护下的试块试压结果为判断依据。

5.2.5钢管支撑梁施工：待压顶梁强度达到设计要求的80％进行钢管支撑梁施工，在钢管支撑梁位置进行沟槽开挖，土方开挖按组织方案施工，进行钢管支撑梁定位、焊接。为使钢管支撑梁安装后保持整个支撑成为不变体系，根据轴力值在施焊前进行焊接试拉。焊缝应四周满焊，钢管支撑梁全部安装完毕后，对压顶梁进行了保护，运输道路再回填，以保证钢管支撑梁不易压断及撞击混凝土压顶梁。

5.2.6-3.500m以下土方开挖，根据后浇带位置分为一个施工段。

5.2.7钢管支撑在地下室墙板混凝土达到设计强度的80％后，用人工气焊切割钢管支撑。

5.2.8拔除SMW工法中的型钢：等做好地下室工程的防水试验合格后，拔除SMW工法的型钢。型钢拔除采用专业机具进行，拔除过程中应避免碰撞地下室结构。同时，对于在周边人员的安全和结构等要有专人负责指挥。

6、基坑施工监测情况

6.1监测内容

根据本工程基坑开挖深度、环境特点、地基土层物理力学性质指标和围护设计方案要求，监测内容如下：

6.1.1深层土体水平位移观测：在基坑靠近围护结构的位置共设置11个深层土体水平位移监测孔，测斜孔深度为15m：

6.1.2支撑轴力观测：在基坑支撑体系的水平角撑主撑布设9组轴力监测点，在斜抛撑布设6组轴力监测点，主要观测支撑体系在深基坑开挖过程中的支撑应力随时间和工况的变化情况：

6.1.3围护结构顶及道路中人行道水平垂直位移观测：在基坑四周大道靠近基坑的人行道上及围护结构顶设若干个观测点，以监测其随基坑开挖的变化情况。

6.2监测工期频率及警戒值

6.2.1监测工期：从开挖前一周进场埋设测点，至斜拋撑拆除且监测数据稳定或结构做到±0，00。

6.2.2监测频率：按围护设计方案，根据挖土的进展速度及基坑的变形情况来定。基坑开挖阶段每天监测一次，在基坑开挖接近坑底时如遇超警戒值或变化速度较快的异常情况应增加观测次数，必要时每天两次或更多。拆撑期间加密监测频率。

6.2.3监测警戒值：土体监测斜孔最大水平位移和沉降警戒值为50mm，水平位移和沉降速率警戒值一般取大于3mm/d。

通过监测发现：水平位移随着挖土施工进度增长较快，日平均变化率约为+1.0mm，特别是CX4、CX7、CX11等孔在开挖三角土期间日增量的最大测量值为10mm，水平位移总量超过设计警戒值，但水平位移速率一直未超过。分析其原因主要是其周边荷载较大，期间重车行走较多，这就增加了总的水平位移量。支撑轴力在基坑开挖过程中监测一直相对稳定，未超过设计值的要求。

7、结语

综上所述，SMW工法连续墙具有施工快、无振动、无噪声、无泥浆污染、止水防水好等特点，是提高坑底抗隆起的有效措施，并能降低围护工程造价（较常用的钻孔排桩方法节省20％～30％的费用），符合国家倡导的建筑节能要求，具有较好的社会效益和经济效益。