软土地基复杂深基坑阶梯式组合支护方法

摘要

本发明涉及地基中深基坑支护方法，尤其涉及低渗透性、高含水率软土地基中，大型工业生产线设备基础的复杂深基坑的组合支护设计、施工方法。一种软土地基条件下复杂深基坑的支护方法包括如下步骤：步骤一：复杂基础平面、空间环境分析、归并建模；步骤二：地基土质工程参数及支护案例调查，建立阶梯式支护结构计算模型；步骤三：阶梯式支护结构组合验算、调整；步骤四：支护结构施工及基坑土体加固施工；步骤五：分层分块土方开挖、分块分层结构施工。本发明强调了方便土方开挖及基础结构施工的基坑支护方法，解决了复杂深基坑中基坑支护布置与基础结构施工统一协调问题，加快施工进度，降低工程总成本。

说明书

技术领域

本发明涉及地基中深基坑支护方法，尤其涉及低渗透性、高含水率软土地基中，大型工业生产线设备基础的复杂深基坑的组合支护设计、施工方法。 

背景技术

大型工业生产线项目，由于生产原料及产品交通运输需要，选址一般靠近江、河入海口、沿海软土(包括吹填区)区。这种基坑的典型特征是地基软弱，含水率高，渗透系数小，无法常规降水，基坑平面面积大、不规则，基底深且标高层次多，无法分解成单一独立的地下空间，简单的支护布置无法满足基坑开挖及基础施工需要。软土地基复杂深基坑的支护问题，一直是广大工程技术人员探讨的技术难题之一。国内外常用的控制措施主要有：1)降水，大面积放坡开挖；2)将地下部分分解成相对独立的地下空间，采用支护方式先深后浅逐个施工；3)外围设置超深支护结构体+内支撑刚性支护，基坑内采用放坡开挖。常规做法的利弊主要表现在：大型工业生产线设备基础体量大、埋深深、基础平面不规则及标高变化复杂，很难保证设备基础高低差变化处基础结构的施工要求，同时大范围刚性支护造价高，内支撑密集对开挖后基础结构施工影响大，支护费用高，基坑土方超挖、超回填，工程总体部署受限，工期长总成本高。 

发明内容：

本发明旨在解决现有技术的局限，提供一种软土地基复杂深基坑阶梯式组合支护设计、施工方法。本发明充分利用地基土的加固改良及阶梯式组合支护，通过合理利用基坑的时空效应合理组织分层分块挖土，分块跳仓施工基础结构，有效解决了高含水率软土地基无降水情况下复杂深基坑的问题，节约了工期，降低了工程造价。 

本发明是这样实现的：一种软土地基复杂深基坑阶梯式组合支护方法， 所述支护方法包括如下步骤： 

步骤一：复杂基础平面、空间环境分析、归并建立三层阶梯式支护模型； 

步骤二：地基土质工程参数及支护案例调查，建立支护结构计算模型； 

步骤三：阶梯式组合支护结构验算、调整； 

步骤四：支护结构施工及基坑土体加固施工； 

步骤五：分层分块土方开挖、分块分层结构施工； 

所述的软土地基复杂深基坑阶梯式组合支护方法，其特征在于：所述步骤一包括对地下基础结构平面、标高变化、周边建(构)筑物、管线的平面位置及埋深进行图纸放样；将基坑不同深度归并成浅、中、深三层支护深度(开挖深度)，分别为4～6m、8～10m、12～15m(具体支护深度根据基础结构主要基底面确定)，在深度方向形成三层阶梯式支护模型；该模型建立从施工的角度出发，主要依据设备基础分块施工部署、基坑土方开挖的部署，以加快基础施工为目的。同时确定基坑变形控制要求。 

所述的软土地基复杂深基坑阶梯式组合支护方法，其特征在于：所述步骤二包括对软基土渗透系数、土工性能进行调研，对地勘报告中原始数据进行判断、选取；对用于地基加固的水泥搅拌桩进行原位试桩、试验，确定加固后土工参数及土体改良的可靠度；对当地相似土质条件下支护案例进行调查分析。 

a对于地基含水率40～90％，渗透系数＞1.0×10^-5cm/s，可考虑利用井点进行疏干降水，根据地勘报告及相应计算、试验获取相对准确的加固后土工参数； 

b对地基含水率40～90％，渗透系数1.0×10^-7cm/s，天然孔隙比e＞1.5，压缩系数α＞1.0Mpa^-1，无法常规降水且土质软弱，需对地基土进行改良加固，可选用深层水泥搅拌桩加固，并进行原位试桩、试验，确定水泥搅拌桩工艺参数，推算加固土体养护周期，与整体施工部署顺序、工期进行协同调整，确定预期的加固后土工参数； 

c充分调查当地近似地质条件，确定支护结构参数及加固改良土体抗力等参数。 

d确定三层阶梯式支护结构布局、深度、支撑形式，确定土体加固范围、 基底加固厚度、加固排桩形式，建立阶梯式支护结构计算模型。-12m～-15m范围坑中坑支护可选用深层水泥搅拌桩内套设钻孔灌注桩排桩支护，冠梁支撑或钢支撑，形成稳定内核；-8m～-10m左右范围中层坑，面积较大，可选用钢板桩+内支撑或SMW工法桩+内支撑支护，形成了稳定可靠的中层支撑体系；-5m～左右选用水泥搅拌桩重力式挡墙，作为阶梯式外围支护结构，形成稳固的无内撑支护体系。 

所述的软土地基复杂深基坑阶梯式组合支护方法，其特征在于：所述步骤三包括对基坑建构模型进行验算、调整。依据开挖工况对基坑浅、中、深支护墙进行单元计算、调整；基坑对阶梯式组合支护体系进行整体验算，包括体系整体刚度、抗倾覆稳定、基坑隆起、支护变形等进行验算并调整。 

a根据步骤二建立的阶梯式支护模型，对每道支护结构进行内力及变形单元计算、整体计算，调整支护截面、入土深度、内支撑设置，直至满足基坑稳定及变形控制要求为止。 

b协同基坑开挖及基础结构施工部署要求、开挖工况可预见性土体变形数值，完善基坑支护结构、支撑结构平面布置及构造措施，修正并完善主被动土区土体加固范围及形式。 

所述的软土地基复杂深基坑阶梯式组合支护方法，其特征在于：所述步骤四包括阶梯式支护结构施工顺序：外层及内层支护结构施工(水泥搅拌桩、重力式挡墙)→土体加固施工→中层支护结构施工(钢板桩、SMW工法桩等)→养护→部分土方浅层土方开挖→中层支护结构内支撑体系安装(钢管内支撑，与土方开挖同时进行)；包括深层水泥搅拌桩与钻孔灌注桩施工衔接顺序，加固水泥搅拌桩排桩模式及施工优化顺序。 

所述的软土地基复杂深基坑阶梯式组合支护方法，其特征在于：所述步骤五包括深基坑土方分块对称开挖、设备基础结构跳仓块施工、信息化监测等技术方法；合理组织工序、控制施工时间，充分利用基坑开挖的时空效益，同时辅助相应的预控措施，有效控制基坑的稳定及变形。 

本发明是基于基础结构施工为根本目标的一种基坑组合支护体系设计、施工方法。本发明以变形控制为安全要素，充分利用不同支护墙的特性、软土加固后土工生能提升，形成外、中、内三层阶梯式组合支护体系，充分利 用分块挖土、分块基础结构施工，通过合理施工部署优化基坑开挖时空效应，增强基坑安全储备。本发明强调了方便土方开挖及基础结构施工的基坑支护方法，解决了复杂深基坑中基坑支护布置与基础结构施工统一协调问题，加快施工进度，降低工程总成本。 

本发明是基于以顺利实现基坑开挖及基础结构施工部署为目标的支护设计方法，以地基土加固改良增加土体抗力及阶梯式组合支护为手段，协调、优化处理施工过程矛盾，将支护设计紧密融汇到结构施工过程之中。 

具体实施方式：

一种软土地基复杂深基坑阶梯式组合支护方法，所述支护方法包括如下步骤： 

步骤一：复杂基础平面、空间环境分析、归并建立三层阶梯式支护模型； 

步骤二：地基土质工程参数及支护案例调查，建立支护结构计算模型； 

步骤三：阶梯式支护结构组合验算、调整； 

步骤四：支护结构施工及基坑土体加固施工； 

步骤五：分层分块土方开挖、分块分层结构施工； 

如：某钢板有限公司酸洗-轧机生产线建设，轧机区设备基础基坑长120m、宽80m、深-10m、-13.4m。本发明软土地基复杂深基坑阶梯式组合支护方法实施步骤如下： 

步骤一、按比例绘出基础外围轮廓、基底标高、平、剖面示意图；按比例在示意图中加入周边管线、建(构)筑物基础平立面布置图，明确相互关系，确定基坑等级及变形控制要求；根据结构分块施工要求及优化基坑开挖空间效应，将120×80m不规则连续基坑分成5块区间，将基坑支护深度归并为-5.7m、-10m、-13.4m，自然地面实测为-1.2m，三种实际开挖深度4.5m、8.8m、11.2m，建立三层阶梯式支护结构模型。阶梯式支护最外层选用水泥搅拌桩重力式挡墙；中层支护采用拉森钢板桩；内层坑中坑支护采用水泥搅拌桩套打钻孔灌注桩；基坑第5块分区挖深8.8m，采用水泥搅拌桩套打钻孔灌注桩支护。所有设备基础PHC桩均未送桩，考虑地基土均为高含水率淤泥，阶梯式支护结构被动土区及基坑开挖区采用深层水泥搅拌桩加固。 

步骤二、收集地质勘察报告关于地质及水文等技术资料；考察当地基坑工程的案例，强化对土工参数的把握。经过综合考察，该基坑施工区为深厚流塑淤泥土层，地基土平均含水率60％以上，土层渗透系数小于1.0×10-7cm/s一般井点降水方法无法降水；淤泥层平均厚度超过30m，表层2m范围为吹填粉细沙。综合考察当地深基坑工程成功案例，类似土质条件下水泥搅拌桩重力式挡墙宽深比不小于1∶1，入土比例约1∶1.5；通过原位试桩确定水泥搅拌桩水泥掺量、成桩工艺、测定不同龄期不同深度芯样强度曲线，结合经验确定加固后土工平均参数(c、 值)、加固水泥搅拌桩布置形式、置换率；对阶梯式支护结构进行简单经验计算及软件计算初步确定支护结构入土深度、被动土区重点加固范围、坑底加固厚度等，建立三层阶梯式支护结构计算模型。 

步骤三、根据步骤一、步骤二中获得的数据、模型，对每层支护结构进内力变形验算及基坑整体稳定、抗隆起等进行验算、调整最终确定支护结构及构造要求。经验算调整后，①②③⑤区外层支护选用水泥搅拌桩重力式挡墙，宽厚比1∶1，入土比1∶1.25，④区外围水泥搅拌桩套打钻孔灌注桩，钻孔灌注桩 入土比1∶1.1两道内支撑；中间层12mIV型钢板桩桩顶标高-5.5m，入土比1∶1.6，一道内支撑；底层坑中坑水泥搅拌桩套打钻孔灌注桩，钻孔灌注桩 入土比1∶1.5，一道内支撑内；阶梯式支护体系外、中、内间距7.2m、10m，支护体系总坡度1∶1.7；基坑坑底深层水泥搅拌桩“井”字形加固平均厚度4m，加固范围基坑面积50％，均匀排桩，基底以下部分15％水泥掺量，基底以上5％水泥掺量，水泥搅拌桩均选用 搭接200排桩，加固区域形成稳定的网格体系。通过进一步验算调整结合土方开挖部署，对被动土区、重点加固区域水泥搅拌桩排桩进行优化；对支护结构内支撑进行构造设计、协同计算，完成阶梯式组合支护详细方案。 

步骤四、根据步骤三阶梯式组合支护方案及施工部署要求组织实施，施工顺序3→4→1→2，其中4、1基本同时施工，4的加固范围还包括基坑内需要挖出的土体；2在3、4养护中期开始施工，采用地面开槽后施打钢板 桩，基坑内分层卸土后复打一次至设计标高。水泥搅拌桩施工完毕养护45天以上，取芯强度0.4Mpa以上可以进行基坑开挖。 

步骤五、步骤四施工完毕达到养护龄期后，根据步骤三中设计工况分块组织挖土，基坑共分①②③④⑤五块开挖，开挖顺序①②④→③→⑤，第③块位于外层、中层支护结构跨中，待两边分块底板施工完毕后开挖，充分利用了基坑支护体系的时空效应，最大限度地控制基坑变形；设备基础根据二十冶发明专利【ZL03116821.3普通混凝土分块跳仓浇筑裂缝控制方法】所提供的方法组织实施。