天津市地道桥工程基坑支护技术应用与发展趋势

骆春雨，胡 江，曹 景，孙东利

（天津市市政工程设计研究院，天津市 300051）

1 天津市地质条件特点

天津市位于渤海湾，属于华北冲击平原，由于受到河道常年淤积冲刷，造就了地质条件较为复杂的情况（见表1）。地表有较厚的软土层，其下有厚度不等的砂层，且地下水位埋藏较浅，对于大型地下构筑物的施工会造成一定的困难。

表1 天津市地质土层分布表

近年来，随着天津市大规模的基础设施建设，特别是地道桥的大量建造，施工中针对天津地质特点选择合理的基坑开挖与支护方式对于工程建设的成功与否具有重要的意义。

2 地道桥工程基坑常见支护形式特点及应用情况

基坑的开挖是基础开挖面卸荷的过程，卸荷会引起坑底土体产生向上位移，同时也引起基坑边坡土体水平位移，引起周围地层运动随着开挖深度增加所形成的水土压力和地面各种超载的作用，就会使基坑周围土体向基坑内移动。为了抵抗这种土体位移，保护基坑周边环境，采取的支挡、加固及保护措施，统称为基坑支护。

基坑支护技术发展很快，种类日益庞杂，传统的单纯“支护”的概念也发生了变化。最初的支护结构仅包括防渗挡土的内容，但随着支护结构成体系的发展，支护的概念已扩充了不少，它或者可以成为主体结构的一部分，或者与地基基础协同工作，或者要考虑环境效应。目前工程应用中主要采用的支护形式有以下几种：

（1）锁口钢板桩（见图1）

图1 锁口钢板桩

特点：钢板桩，尤其是锁口钢板桩，能够有效封堵高流塑性淤泥向坑内涌土，并能形成有效的止水帷幕，可以有效克服支护方法中出现坡脚涌土而失事的弊病。基坑支护是临时性工程，钢板桩可以回收，目前一般是通过租赁钢板桩施工，因此综合施工费用不高，但施工噪声大，振动大，对土体的扰动大，自身刚度较小,施工时易产生较大的变形。

适用范围：适用各种土层，在硬土层中应用效果较好，一般用于开挖深度不大于5 m的基坑。

天津地道桥工程中应用情况：应用广泛，常用于地道桥基坑的起终点开挖较浅段。采用该种支护结构，开挖深度大于3 m时应与横向支撑结合使用。

（2）土钉墙（见图 2）

图2 土钉墙

特点：土钉墙是先开挖后支护，分层分段施工，具有比土方开挖稍后一步施工的特点。这个特点对那些复杂的土体结构特别有利，在开挖过程中，视土质条件的局部变化，采取相应的技术措施来解决，易于使土坡得到稳定，但软土开挖支护不宜采用土钉墙。因为，软土的内摩擦角小，使得土钉锚固体与软土的界面摩阻力小，土钉的承载能力小，另外在软土中成孔也较困难，故技术经济综合效益不理想。

适用范围：土钉墙主要适用有一定粘结性的粘性土或粉土地质，且施工场地需要满足开挖放坡、设置锚杆的条件，开挖深度一般不大于15 m。

天津地道桥工程中应用情况：天津市地表覆盖一层较厚的软土，因此不适合采用土钉墙支护，以往的工程应用较少。

（3）地下连续墙（见图3）

图3 地下连续墙

特点：地下连续墙的刚度大，止水效果好，能承受较大的水平侧向荷载，结构变形较小，周围地面的沉降少，能够较好地控制和减少对邻近建筑物的影响；地下连续墙施工时振动小、噪声低，能在建筑物、构筑物密集地区施工，对周边环境污染较小；地下连续墙无需设置围檩体系，具有安装速度快、施加预应力方便等优点。但是，地下连续墙工程量较大，对施工机械设备要求较高，造价较高。

适用范围：适用各种深度、各种地质条件的基坑支护。因其造价较高的特点，常在深基坑支护中采用。

天津地道桥工程中应用情况：地道桥工程基坑一般由两侧向中间逐渐加深，最大深度一般不大于12 m，这种深度的基坑支护形式可选性较多，地下连续墙造价相对较高，因此在地道桥工程中应用较少。

（4）钻孔灌注桩（见图 4）

图4 钻孔灌注桩

特点：布置灵活，施工简便，成桩快，机械化程度高，节省钢材，价格低，适应性强。钻孔灌注桩噪声小，振动小，无挤土，无废气排放，对周围建筑物、地下管线及居民生活影响较小。钻孔灌注不具备止水的功能，往往要与水泥搅拌桩止水帷幕结合使用。综合造价略低于地下连续墙，高于其它常见支护形式。

适用范围：钻孔灌注桩适用于各种土层，尤其适宜于在建筑物密集的市区施工。

天津地道桥工程中应用情况：钻孔灌注桩对地层条件适应性强，机具简单，应用广泛。在天津市地道桥基坑工程中，开挖深度大于7 m段，应用非常普遍，施工经验丰富。

3 地道桥工程基坑先进支护形式技术特点及应用情况

3.1 SMW工法

SMW工法（见图5）作为一种较新的施工工艺，它是在现有深层搅拌桩的成熟工艺基础上，加以改进，充分利用了搅拌桩的高止水性，增加了型钢的刚度与强度，弥补了搅拌桩抗侧向土压力的不足。根据实际施工情况和以往监测数据来看，SMW工法作为基坑支护结构有较高的可行性，能有效地控制地面、周边构筑物和地下管线的沉降；从技术经济方面看，它能满足止水和抗侧向压力，型钢的回收在成本核算和间接投入上具有一定的优势。

图5 SMW工法

在天津这样的软土地基上，特别是在构筑物密集的市区，是较为理想的基坑支护结构。然而，SMW工法对施工队伍的技术水平要求较高，型钢的打拔也是一项不宜控制的施工步骤，这些因素大大制约了SMW工法在天津地区的应用与发展。

SMW工法的关键技术在于搅拌桩的制作和型钢的打拔，掌握这两项技术是成功应用SMW工法的必要条件，根据天津以往工程成功经验，这两项技术设计要点如下：

（1）搅拌桩的制作

a.同常规搅拌桩比较,要特别注重桩的间距和垂直度。施工中垂直度应小于1%,以保证型钢插打起拔顺利,保证墙体的防渗性能。

b.浆液配比除满足抗渗和强度要求外,尚应满足型钢插入顺利等要求。根据天津地区以往工程经验，注浆配比:水泥掺量、膨润土、缓凝剂、水灰比分别为13%、0.22%、0.8%、0.5左右较为适宜。

c.水泥搅拌桩在施工过程中必须加强搅拌，增加水泥与土体的均匀性。控制三搅二喷工序，第一次搅拌提升和第二次搅拌提升时进行喷浆，第三次搅拌为复拌，以提高桩身的均匀度，第一次喷浆量控制在60%，第二次喷浆控制在40%。

d.在搅拌下沉及提升过程中，控制下沉速度不大于2.0 m/min左右，提升速度50 cm/min左右。控制重复搅拌提升速度在0.8～1.0 m/min以内,以保证加固范围内每一深度均得到充分搅拌。

e.相邻桩的施工间隔时间不能超过24 h。

（2）型钢的打拔

a.施工前必须检查型钢表面平整光滑,直线度必须控制在1.0%以内，型钢插入搅拌桩前必须在表面均匀涂刷减摩剂，与围檩间用牛皮纸隔离，以利拔桩。

b.型钢起吊移动插入定位框架内，检测型钢垂直度，插入型钢应控制在搅拌桩施工完毕12 h内（水泥土初凝前）进行，同时监控H型钢的长度和插入搅拌桩的深度。插入前应校正位置,设立导向装置,以保证垂直度小于1%。插入过程中,必须吊直型钢,尽量靠桩锤自重压沉。

c.型钢回收,采用2台液压千斤顶组成的起拔器夹持型钢顶升,使其松动,然后采用振动锤利用振动方式或采用卷扬机强力起拔,将H型钢拔出，采用边拔边灌浆的方法较为适宜。

采用SMW工法是未来地道桥基坑支护技术发展的趋势，掌握搅拌桩的制作和型钢的打拔等关键技术是成功应用SMW工法的基础。随着社会的进步，施工队伍水平的提高，SMW工法必将成为天津市地道桥支护形式中重要的支护技术，得到更广泛的应用。

3.2 预应力鱼腹梁钢支撑支护（简称IPS）

预应力鱼腹梁钢支撑支护（见图6）是由型钢梁、钢绞线、弦梁支撑件、连接点和锚具组成。其作用原理为：通过对钢绞线施加预应力，给鱼腹梁支撑杆件产生了一个较大的反作用力，从而使作用于鱼腹梁围檩上的弯矩大大减少，提高了鱼腹梁的弯曲刚度。将预应力鱼腹梁通过专用结点与角撑或对撑梁连接在一起，便组成了深基坑的支护系统。

图6 预应力鱼腹梁钢支撑

经基坑工程实践证明：该支护形式是现有基坑支护技术的跨越式发展，不仅能大大降低基坑支护的造价，显著改善地下工程的施工作业条件，而且大大地减少了支护结构的安装、拆除、土方开挖及主体结构施工的造价及工期。

其特点如下：

（1）安全可靠。相对于传统支护形式的脆性破坏模式，IPS的破坏模式是延性破坏，从而提高了基坑支护结构的安全度。

（2）变形较小。及时支护并施加预应力，使基坑周边地层水平位移能控制在20 mm之内。

（3）造价经济。与传统的支护形式相比，IPS可大大减少立柱和支撑的数量，进而降低了工程造价。

（4）施工方便。现场拼装与螺栓连接使围护结构的安装、拆除非常方便，较大的施工作业面，使土方开挖、建筑材料搬运及主体结构施工均十分便利。

预应力鱼腹梁钢支撑支护是近几年刚刚出现的一种基坑支护形式，在浙江、江苏、上海等地已有工程应用，应用效果良好。在天津地区该种支护形式还处于发展阶段，应用较少。鉴于该种支护形式的种种优点，未来必将在天津市地道桥基坑支护中得到广泛的应用。

4 天津市地道桥工程基坑支护技术现状及发展趋势

为了在基坑支护工程中做到技术先进，经济合理，确保安全，应综合场地工程地质与水文地质条件，基坑开挖深度，周边环境和周边荷载，支护结构使用期限等因素，因地制宜地选择合理的支护形式，来确保工程的造价合理与结构安全。

天津市地道桥工程基坑具备的特点如下：

（1）天津地区地表有较厚的软土层，其下有厚度不等的砂层，且地下水位埋藏较浅。

（2）地道桥工程基坑一般长宽比较大，宽度约为15～50 m，长度约为300～1 000 m，开挖深度一般为1～12 m，纵桥向为由两端向中间逐渐加深。

根据上述特点以及天津市已建的中纺路地道桥、海河西路地道桥、芥园西道地道桥等工程建设经验，天津市地道桥工程基坑支护应根据不同的开挖深度优先选择不同的支护形式。

开挖深度小于3 m段：优先选择锁口钢板桩支护；

开挖深度3～7 m段：优先选择SMW工法；

开挖深度大于7 m段：如掌握预应力鱼腹梁钢支撑支护，应优先采用，其次选用SMW工法（施工队伍应具备该种深度型钢的打拔能力），再次选用钻孔灌注桩的支护形式。

5 结语

近年来，随着我国工程技术的迅猛发展，向地下要空间已逐渐成为工程建筑行业发展的必然趋势。地下空间的发展，可在一定程度上有效解决城市建设用地紧张的问题，有效缓解建设用地的供需矛盾，提高有限土地的使用效率，符合我国走绿色发展、可持续发展道路的要求。

地下工程的施工建设，不可避免地需要采用基坑支护方案。本文详细论述了目前较为常用的基坑支护方案以及尚处于推广前期的新型基坑支护方案，具体介绍了各方案的优缺点及适用条件，希望可借此文为天津市未来的地道桥工程施工提供借鉴。

[1]JGJ 120-99，建筑基坑支护技术规程[S].

[2]GB 50108－2001,地下工程防水技术规范[S].