双排型钢等厚水泥土墙在深大基坑中的应用分析

摘要：以中冶39大街项目为例，介绍双排型钢等厚度水泥土搅拌墙在武汉地区深大基坑中的应用。本项目基坑面积约52145m2，普遍挖深7.15~7.45m，周边环境复杂，软弱土层深厚，地下水量充沛，工期极其紧张。针对项目特点，基坑普遍采用双排型钢等厚度水泥土搅拌墙的围护形式。分别采用规范方法和有限元法预测双排桩围护与单排桩+支撑围护的侧向位移。计算结果表明，基坑工程完成时，双排桩围护的侧移-深度曲线呈“弯剪型”，单排桩+支撑围护的侧移-深度曲线呈“弯曲型”，两种围护形式的最大侧移均发生在桩顶处，双排桩围护的最大侧移明显小于单排桩+支撑，而在坑底附近两者侧移大致相当，两种围护形式的侧移均满足规范要求。现场监测数据与理论计算结果吻合，印证了预测方法的有效性。最终基坑工程在汛期前完工，总工期仅约六个月。

关键词：双排桩；等厚度水泥土搅拌墙；深大基坑；变形

随着城市用地的日益紧张，越来越多的基坑工程呈现出“面积大、深度深、紧邻周边环境”的特点，加上工程地质条件的复杂性，采用单排桩悬臂的围护形式往往难以满足变形控制要求。为了更好地限制基坑及其周边环境的变形，通常可以采用桩-撑或桩-锚等围护形式。当设置支撑对造价、工期、土方开挖便利性等影响较大，而设置锚杆又容易出现超用地红线、与周边环境冲突等问题时，可以考虑采用双排桩的围护形式。

双排桩围护通过前后两排桩、压顶梁和连梁(板)形成空间门架式围护结构体系，可以显著增加围护结构的抗弯刚度，从而有效控制基坑的侧向变形。程演研究了双排桩桩径、间距及压顶梁刚度对围护结构水平位移的影响。孙涛等研究了双排桩围护结构的最优排距。

双排桩桩间土加固可以有效提高围护体系整体侧向刚度，从而充分发挥围护结构对变形的控制作用。蒋宏鸣和刘春林分析了桩间高压旋喷桩对双排桩围护结构侧向刚度的提高作用以及在不同施工阶段下双排桩围护结构的侧向变形形态。汪彪等提出了双排桩桩间土加固对围护结构的内力及变形影响的计算方法。

对于深大基坑，传统的双排桩围护通常采用双排钢筋混凝土灌注桩，灌注桩的优势在于抗弯刚度较大，且其刚度随着桩径的增大而增大，但灌注桩工期较长，造价较高，在施工过程中会产生大量废弃泥浆，在基坑工程完成后又会形成地下障碍物。相比而言，型钢水泥土搅拌墙施工速度较快，在基坑工程完成后，可以将H型钢从水泥土搅拌墙中拔出，达到回收和再次利用的目的，经济性好。但传统的型钢水泥土搅拌墙因其型钢型号、间距受到搅拌桩桩型的限制导致型钢布置不够灵活，其抗弯刚度往往不及大直径的灌注桩。

等厚度水泥土搅拌墙是近十多年来迅速发展起来的一类新型围护结构。其中，等厚度水泥土搅拌墙根据成墙工艺不同，可分为渠式切割(TRD工法)和铣削式(CSM工法)。TRD工法

成墙厚度550~900mm，CSM工法成墙厚度640~1200mm，可以适配多种截面高度的H型钢。不同于传统的圆形截面水泥土搅拌桩，这类水泥土搅拌墙因其等厚度的特点，其内插型钢的间距布置较为灵活。通过选取合适的墙厚、型钢截面和间距，型钢等厚度水泥土搅拌墙的抗弯刚度可与大直径灌注桩媲美。

本文以中冶39大街项目为例，介绍双排型钢等厚度水泥土搅拌墙在武汉地区深大基坑中的应用。在项目实施过程中，同时采用了TRD和CSM两种成墙工艺。分别采用规范方法和有限元法预测围护结构的侧向位移，并与现场监测数据对比，验证预测方法的有效性。

中冶39大街项目位于武汉市青山区建设四路以西、旅大街以北、建设三路以东、规划抚顺街以南。项目总用地面积约5.9万m2，总建筑面积约33.6万m2，其中地下建筑面积约10万m2。项目包括5栋超高层住宅、3栋高层住宅、若干商业配套及幼儿园，设置2层整体地下室。

2.1超大深基坑的整体开挖

本项目基坑面积达52145m2，周边延长米约1044m，基坑东西方向长约334.8m，南北方向宽约192.9m，基坑普遍开挖深度为7.15~7.45m，局部落深区域挖深8.9~11.4m，土方开挖总量超37.2万m3，基坑重要性等级为一级。根据建设进度要求，本基坑需整体开挖。根据“时空效应”理论，如此大体量的土方整体开挖，对基坑的变形控制是极为不利的。

2.2周边环境复杂

基坑周边环境情况详见图1。

图1基坑周边环境图

基坑边线普遍距离用地红线4.5~6.3m；东侧北段边线距离3层建筑15.5~42.2m，东侧南段边线距离31~32层住宅21.0~23.7m；南侧边线距离旅大街7.6m，距离天然气、排水、给水等管线15.9~22.4m；西侧边线距离建设三路9.3m，距离给水、排水、污水、通讯、电信等管线15.7~34.6m；北侧边线距离规划抚顺街7.5m，距离武九北环铁路65m，距离长江堤防保护线260m。

2.3上部土层软弱，地下水量充沛

场地地貌单元属于长江右岸一级阶地，工程地质条件复杂。场区地层主要为第四系冲积层，其中，坑底以上土层：

①层杂填土松散~稍密，最厚达到3.7m，物质成分变化较大，透水性强。

②层粉质黏土(软塑，最厚达到3.2m)和③层粉质黏土(软塑，局部流塑，最厚达到6.6m)具有含水量高、强度低、压缩性高和抗剪强度低等特点，工程性能差。

坑底主要位于③粉质黏土层(软塑~流塑)、④粉砂与粉质黏土互层(松散~软塑)、⑤1粉砂层

(承压水层)上。

承压水赋存于长江一级阶地深厚的砂层中，包括⑤1粉砂层(最厚达到6.9m)、⑤2粉细砂层

(层厚8.9~16.8m)、⑤3粉细砂层(层厚14.9~27.0m)、⑥砾砂层。本项目基坑普遍开挖深

度为7.15~7.45m，已经超过部分勘探孔承压水层顶埋深(6.80~11.50m)。

场地承压水水量大，与长江水有密切的水力联系，丰水季节，长江水补给地下水。通过现场抽水试验测得场地承压水水头在地面以下5.80m，场地内的砂层渗透系数K为16.50m/d，影响半径R为200m。

场地承压水层以下还有极厚的透水层，包括⑦1粉砂质泥岩(强风化，透水层，最厚达到

16.9m)、⑦2粉砂质泥岩(中风化，透水层，层顶埋深50.10~63.60m，层厚>6.4m)，坑底以下透水层总厚度超过50m。

主要土层物理力学参数详见表1。

表1主要土层物理力学参数

2.4工期极其紧张

由于基坑距离长江堤防保护线最近约260m，场地地下水与长江水力联系密切，二者互补性强，结合2016年9月专家评审意见以及建设单位要求，整个基坑工程须在下个汛期到来之前全部完成，总工期仅约6个月。

▍3 设计关键对策

(1)本基坑面积超大，工期极其紧张。为加快施工进度，同时确保环境安全，在设计过程中考虑多种施工工艺，经过多种方案比选，最终采用围护结构施工速度快、出土便捷、围护刚度大、整体性好、控制变形可靠的大面积无支撑双排桩方案。除局部角部位置外，基坑普遍采用双排等厚度水泥土搅拌墙内插H型钢围护。基坑围护平面布置详见图2，双排型钢等厚水泥土墙围护典型剖面详见图3。

图 2 基坑围护平面布置

图3基坑双排型钢等厚度水泥土搅拌墙围护典型剖面

(2)等厚度水泥土搅拌墙内插H型钢兼有挡土和止水的功能。H型钢主要考虑挡土作用，内外排深度均为18m，内排间距600mm，外排间距800mm，在保证基坑工程安全可靠的前提下，兼顾了一定的经济性。水泥土墙厚度800mm，外排深度18.5m，内排考虑增加承压水由坑外向坑内补给的绕流路径，深度35m。双排桩间采用双轴水泥土搅拌桩加固，水泥掺量13%。

(3)基坑阳角区域临近高层住宅，为了保证建筑安全，阳角区域采用双排等厚度水泥土搅拌墙内插H型钢+一道钢筋混凝土水平支撑(对撑)；综合考虑安全性、经济性和施工便利性，阴角区域采用单排等厚度水泥土搅拌墙内插H型钢+一道钢筋混凝土水平支撑(角撑)。

4.1计算工况

分别采用天汉基坑设计软件(规范方法)和Plaxis通用岩土有限元分析程序预测双排桩围护与单排桩+支撑围护的侧向位移，两种围护形式的计算工况详见表2。

表2围护计算工况

4.2规范方法计算结果

两种围护形式在各工况下的围护结构侧向位移规范方法计算结果详见图4。

图4各工况下围护结构侧移(规范方法)

由图4(a)可见，双排桩围护的侧移-深度曲线有一处反弯点，反弯点大致位于坑底处，围护侧移总体呈“弯剪型”。其中，坑底以上的侧移曲线呈“抛物线形”：坑底附近斜率较大，临近地面斜率较小；坑底以下围护侧移迅速衰减。开挖到底时，围护最大侧移位于桩顶，约为14.7mm；坑底围护侧移约为7.9mm。

由图4(b)可见，拆除支撑前(B4工况)，单排桩+支撑围护的侧移-深度曲线呈两头尖的“纺锤形”，其中，坑底附近侧移最大，约为8.2mm，与双排桩围护坑底侧移相近；桩顶、桩底侧移较小，坑底以下围护侧移曲线与双排桩围护类似。拆除支撑后(B5工况)，单排桩+支撑围护的侧移-深度曲线呈“弯曲型”，越近地面斜率越大，桩顶围护侧移最大，约为27.3mm，远大于双排桩围护；坑底围护侧移及坑底以下围护侧移曲线与拆撑前相比几乎没有变化，且与双排桩围护相当。

4.3有限元法计算结果

两种围护形式的有限元计算模型详见图5。两个模型尺寸均为150m×45m，土体采用HS-small模型，型钢等厚水泥土墙均采用板单元，支撑按锚定杆单元设置。

图 5 两种围护形式的有限元计算模型

开挖到底时双排桩围护侧向位移有限元法计算结果详见图6。

图 6 开挖到底时双排桩侧移（有限元法，最大 20.72mm）

拆撑前后单排桩+支撑围护侧向位移有限元法计算结果详见图7。

图7单排桩+支撑围护侧移(有限元法)

由图6可见，开挖到底时，双排桩围护最大侧移20.72mm(位于桩顶)，比规范方法计算结果稍大，侧移-深度曲线的形状与规范方法计算结果相似。由图7(a)可见，拆除支撑前(B4工况)，单排桩+支撑围护最大侧移10.08mm(位于坑底附近)；由图7(b)可见，拆除支撑后(B5工况)，单排桩+支撑围护最大侧移27.54mm(位于桩顶)；以上计算结果及侧移-深度曲线的形状均与规范方法计算结果吻合。

5.1监测点的平面布置

本项目的基坑工程自2017年1月开始施工，至2017年7月完成。基坑工程施工期间，监测单位布设了52个桩身测斜点，对本项目的围护体系进行信息化监测，各测斜点(编号W1~W52)的平面布置详见图8。

图8围护测斜点的平面布置

5.2监测数据分析

基坑工程完成时，采用双排桩围护的基坑侧向位移详见图9，采用单排桩+支撑的基坑侧向位移详见图10，在两种围护形式下，围护结构侧向位移的监测数据与计算结果汇总详见表3。

表 3 基坑工程完成时围护侧移监测数据与计算结果对比

由图9~10和表3可见，基坑工程完成时，采用双排桩围护的各测斜点的最大侧移约为3.2~15.1mm(0.045%~0.2%H，H为基坑开挖深度，下同)；采用单排桩+支撑围护的各测斜点的最大侧移约为15.6~28.0mm(0.2%~0.4%H)，两种围护形式的最大侧移均位于桩顶。在坑底附近，双排桩围护的侧移约为1.31~9.91mm，单排桩+支撑围护的侧移约为4.68~13.55mm。两种围护形式的侧移-深度曲线分别符合前述计算所预测的“弯剪型”和“弯曲型”特征，监测数据与计算结果基本一致，双排桩围护最大侧移普遍小于单排桩+支撑，坑底附近两者侧移相当。在两种围护形式下，围护结构侧移均能满足规范对基坑及其周边环境的变形控制要求(围护结构变形6≤40mm)。

图9基坑完成时采用双排桩围护的基坑侧向位移

图10基坑完成时采用单排桩+支撑的基坑侧向位移

此外，根据监测报告，最终基坑周边建筑最大累积沉降量为6.9mm，基坑周边地下管线最大沉降8.3mm，基坑周边路面最大沉降12mm。周边环境沉降数据表明，本项目采用的围护形式刚度较大，且等厚度水泥土搅拌墙止水效果较好。

本文以中冶39大街项目为例，介绍双排型钢等厚度水泥土搅拌墙在武汉地区深大基坑中的应用。

(1)针对本项目基坑规模超大(面积约5.2万m2，普遍开挖深度为7.15~7.45m)、基坑周边环境条件复杂、场地工程地质与水文地质条件复杂、工期要求高的特点，围护设计采用了大面积无支撑双排等厚度水泥土搅拌墙内插H型钢围护方案：外围围护结构普遍采用双排等厚度水泥土搅拌墙内插H型钢，阳角区域采用双排等厚度水泥土搅拌墙内插H型钢+一道钢筋混凝土水平支撑，阴角区域采用单排等厚度水泥土搅拌墙内插H型钢+一道钢筋混凝土水平支撑。

(2)分别采用规范方法和有限元法预测双排桩围护与单排桩+支撑围护的侧向位移。计算结果表明，开挖到底时，双排桩围护的侧移-深度曲线呈“弯剪型”；拆除支撑前，单排桩+支撑围护的侧移-深度曲线呈“纺锤形”；拆除支撑后，单排桩+支撑围护的侧移-深度曲线呈“弯曲型”。基坑工程完成时，两种围护形式的最大侧移均发生在桩顶处，双排桩围护的最大侧移明显小于单排桩+支撑，而在坑底附近两者侧移大致相当，坑底以下两者侧移-深度曲线类似，两种围护形式的侧移均满足规范要求。

(3)根据监测结果，基坑施工期间，基坑变形始终保持在安全可控范围内，其中，采用双排桩围护的最大侧向变形(3.2~15.1mm)普遍小于单排桩+支撑(15.6~28mm)。现场监测数据与理论计算结果吻合，印证了预测方法的有效性。最终基坑周边环境变形满足预期，周边道路、地下管线、建筑始终处在正常使用状态。