随着我国城市建设的发展, 地下工程相继涌现, 基坑工程日益增多, 相应的基坑支护设计与施工逐渐成为热点问题, 但基坑支护结构属于临时性结构, 建设方对缩短支护工期与降低支护成本的要求越来越高。传统的钻孔灌注桩结合搅拌桩的支护结构不仅施工过程污染环境, 而且成桩养护时间较长。

　　 针对支护桩养护时间长的问题, 工程中采用水泥土搅拌桩内插H型钢形成复合支护结构^[1] (简称SMW工法) , 缩短养护时间, 但SMW工法应用于规模较大的基坑时存在H型钢用量大、租赁、运输费用高的缺点^[2], 且在基坑施工结束后, 需拔除H型钢, 常导致H型钢弯曲、拉裂等损坏, 当H型钢无法拔出时, 又会额外增加支护造价^[3]。为了解决拔除问题, 工程中使用预制桩代替H型钢, 即在水泥土搅拌桩中插入预制桩形成挡土与止水复合支护结构 (简称PCMW工法) , 预制桩采用预制管桩^[4]、U型预应力混凝土板桩^[5]、预应力高强混凝土矩形桩^[6]等形式, 这类传统的预制桩在工厂经离心后高压蒸养生产, 属于高强度脆性桩, 其水平抗力与抗裂性能较差。

　　 鉴于此, 在SMW工法与PCMW工法的基础上, 进一步改进预制桩截面形式, 使用通过钢绞线张拉施加预应力的混凝土工字形桩替代传统预制桩, 其桩身强度在C50～C60之间, 桩身抗弯能力更好。用预应力钢绞线混凝土工字形桩代替原有的H型钢或高强度预制桩, 形成复合止水与挡土支护结构^[7] (简称HCMW工法) 。该工法基本克服了SMW工法与PCMW工法的不足。

　　 本文通过采用HCMW工法结合混凝土圆环内支撑基坑支护形式的工程实例, 介绍了HCMW工法支护设计方案、预制工字形桩与混凝土冠梁、围檩的连接方式, 以及预制方桩用于内支撑立柱的技术, 同时结合监测情况分析了工程实施的效果。

　　 泰兴国际大酒店二期项目, 主楼地上21层, 裙楼地上4层, 整体设2层地下室, 基坑面积约6700m², 周长约330m, 基坑开挖深度约11.2m。该场地北侧为泰兴国际大酒店一期工程, 其中地上4层, 地下1层, 管桩基础。场地西侧为府前街, 道路宽约22m;南侧为国庆路, 道路宽约23m。西、南两侧道路下埋设有大量市政管线, 是本次基坑施工的重点保护对象, 现场具体环境情况见图1。

　　 拟建场地属长江三角洲冲积地貌单元, 地势较为平坦, 地面高程在-0.90～-0.10m之间, 场地岩土层从上至下为: (1) 层杂填土, 松散; (2) 层粉细砂, 饱和, 中密～密实; (3) 层粉质黏土, 软塑, 局部流塑; (4) 层粉细砂, 饱和, 密实为主; (5) 层粉质黏土, 软塑; (6) 层中细砂, 饱和, 密实为主, 该层未穿透。土体物理力学参数见表1 (地勘报告中未给出 (6) 层中细砂的力学参数) 。

　　 地下水为潜水和承压水。潜水主要赋存于 (1) 层杂填土与 (2) 层粉细砂孔隙中, 地下水初见水位埋深约为1.50～2.30m, 稳定地下水位埋深约为1.50～2.20m, 最高地下水位埋深为自然地面下0.50m, 最低水位埋深为自然地面下2.50m, 年变幅一般在2.0m左右。承压水赋存于 (4) 层粉细砂、 (6) 层中细砂中。地下水迳流滞缓, 以侧向补排为主, 承压水头埋深约为5.0m。

　　 本工程基坑距离道路较近, 周边环境保护要求较高, 开挖深度较大, 且开挖范围内土体渗透性强, 因此, 采用850@1 200三轴水泥土搅拌桩止水, 其内插YBZ400×700B预制工字形桩挡土, 竖向设置两道混凝土圆环内支撑作为支护结构, 支护结构见图2。根据工程经济性的要求, 内插预制工字形桩采用“插一隔一”与“插二隔一”的形式 (图3 (b) ) , 基坑北侧为“插一隔一”, 其余侧为“插二隔一”。

　　 YBZ400×700B预制工字形桩 (图3) 桩身混凝土强度等级为C60, 桩身纵向受力筋为HRB400级钢筋和高强度预应力钢绞线。三轴水泥土搅拌桩桩端进入 (3) 层粉质黏土不透水层, 形成落底式止水帷幕。

　　 混凝土构件具有受压强度高、刚度较大、整体性好的特点, 因此混凝土内支撑在开挖深度较大、环境保护要求较高的基坑工程中得到了广泛应用^[8]。

　　 本基坑南北向边长约76.0m, 东西向边长约86.0m, 形状接近方形, 适合采用混凝土圆环内支撑结构抵抗水平土压力。故本次设计内支撑采用混凝土圆环形式, 全部构件的混凝土强度等级均为C35, 内支撑杆件、冠梁及围檩的钢筋保护层厚度均为35mm, 其截面尺寸见表2。

　　 预应力混凝土预制空心方桩, 用作混凝土内支撑立柱相比于灌注桩较经济^[9], 故本次设计立柱采用此种方桩, 立柱桩采用三轴搅拌桩内插方桩的形式。内支撑立柱上段为方桩外包角钢格构形式, 内支撑立柱下段为纯方桩 (图2) , 其中方桩的型号为KFZ-A500 (280) -14, 方桩外包角钢格构与内支撑牢固连接。施工方桩时, 采取措施保证方桩各边与主支撑梁边严格垂直或平行, 方桩竖向挺直。方桩在底板范围内设置止水钢板, 见图4。

　　 图5为预制工字形桩与冠梁连接示意图。桩顶部锚入冠梁400mm, 桩顶端板焊接U形钢筋锚入冠梁, 锚入长度不小于15d (d为钢筋直径) 。冠梁高度不小于700mm, 冠梁宽度不小于预制工字形桩长边边长加400mm。冠梁在两相邻预制工字形桩之间的区域设置四肢箍, 腰筋采用封闭矩形拉结筋拉结;预制工字形桩与冠梁连接区域, 箍筋皆设置成开口箍。

　　 传统支护桩通过破除桩身表层混凝土露出桩内主筋, 并将主筋与设置在支护桩与围檩之间的斜向吊筋焊接的方式, 使混凝土围檩与支护桩可靠地连接在一起^[10]。对于预应力混凝土支护桩而言, 传统的吊筋连接方法不再适用, 一方面破除桩身表层混凝土会影响预应力混凝土支护桩的桩身质量, 另外预应力混凝土支护桩桩身较平滑, 与混凝土围檩没有较好的粘结作用, 易出现滑落现象。因此, 需要设置成吊挂式混凝土围檩。

　　 图6为预制工字形桩与混凝土围檩的连接示意图。预制工字形桩与围檩连接, 不仅需设置斜向吊筋, 且需增设水平植筋。斜向吊筋布置为隔一根桩吊一根, 斜向吊筋一端锚入冠梁至对边并垂直弯锚大于15d, 另一端锚入混凝土围檩底部, 至距离预制工字形桩桩边100mm处。植筋为直径不小于20mm的HRB400钢筋, 一根桩植入一根。植筋钻孔由专业人员进行, 需选用与埋筋相匹配的钻头, 钻孔孔径大于埋筋直径2～3mm。先在孔内灌入结构胶后及时插入已处理好的钢筋, 钢筋插入时用手转动插到孔底, 上下活动防止气泡发生, 使结构胶与钢筋全面粘合。在常温下自然固定养护, 养护期间初始2～3d内保证钢筋不受扰动。

　　 本工程施工单位于2013年12月底进场开始支护桩施工, 后续的主要施工工况为:1) step0, 开挖至第一道内支撑底标高;2) step1, 开挖至第二道内支撑底标高;3) step2, 开挖至基坑底标高 (标高-11.700m, 开挖深度11.2m) ;4) step3, 地下主体结构向上施工, 拆除第二道内支撑;5) step4, 地下主体结构向上施工, 拆除第一道内支撑。

　　 根据基坑周边环境、基坑面积、开挖深度及工程地质、水文地质条件, 确定该基坑安全等级为一级, 其重要性系数取1.1。支护结构的单元计算采用竖向弹性地基梁法, 即m法。土体黏聚力和内摩擦角采用固结快剪峰值指标。计算时, 普遍区域地面荷载取20kPa, 道路侧地面荷载取30kPa, 建筑物荷载按15kPa/层计。内支撑体系的计算中, 将内支撑、冠梁与围檩作为整体, 按平面杆系进行内力与位移分析。基坑稳定性验算结果和支护结构内力计算结果见表3。整个基坑各区段稳定性与抗隆起均满足规范要求。

　　 图7为基坑水平位移曲线, 可以看出, 各区段水平位移计算值与实测值变化规律基本相似, 水平位移增大主要发生在基坑开挖工况, 且位移增加最快发生在开挖至基坑底标高工况 (step2) , 最大位移的位置随着开挖不断地向下发展, 当开挖至基坑底面 (开挖深度11.2m) 时, 最大位移基本发生于基坑底面以上2.0m处。

　　 计算的最大位移发生在拆除第二道内支撑工况 (step3) , 且最大位移约位于第一道内支撑与基础底板中间;实测的最大位移发生在拆除第一道内支撑工况 (step4) , 但拆除第一道内支撑后, 水平位移增量较小, 因为拆除第一道内支撑时, 支护结构基础底板换撑及地下一层楼板换撑已完成, 基础底板与地下一层楼板刚度较大, 对基坑水平位移约束较好。

　　 通过比较基坑不同区段之间的位移发现, 最大计算位移发生在A～D段, 达到23.25mm, 约为0.207%h (h为基坑开挖深度) ;最大实测位移亦发生在A～D段, 达到31.6mm, 约为0.282%h。计算与实测位移值均小于文献[11]统计的采用SMW工法基坑支护形式的水平位移平均值0.405%h。D～F段计算与实测位移值均小于A～D段, 这是因为D～F段基坑外为公园, 计算时地面荷载取值较小, 且实际施工过程该侧不受施工机械及道路荷载等的影响。

　　 图8为冠梁最大沉降曲线, 冠梁沉降计算值较小, 整体小于实测值。但从基坑开挖至拆除第一道内支撑, 实测的冠梁沉降量均小于设计报警值20mm, 平均沉降量约为13.78mm, 其中最大沉降发生在GL1测点 (图1) , 沉降量达到16.83mm;最小沉降发生在GL22测点, 沉降量为10.85mm。这是因为基坑北侧为一期地下室, 该侧土压力小, 且一期基坑回填沟槽土体松散, 而基坑西侧及南侧土压力较大, 整个支护结构受力不均, 具有向北侧倾斜的趋势, 故北侧冠梁沉降偏大。

　　 图9为周边道路沉降曲线, 因西侧、南侧道路沉降测点与基坑边线的距离分别约为12.1, 14.8m, 均大于1.0h, 故整个基坑施工期间, 两侧道路沉降计算值与实测值均小于设计报警值20mm, 其中实测道路最大沉降发生在DL2测点, 沉降量为7.6mm;最小沉降发生在DL15测点, 沉降量为5.66mm。这与王卫东等^[12]统计的上海地区深基坑最大地表沉降一般发生于距离围护墙0.3h～1.0h之间的位置, 而在1.0h～4.0h的范围内沉降逐渐衰减至可以忽略的情况是基本一致的。

　　 所有测点实测的道路沉降量均比较接近, 其中西侧沉降略大于南侧, 这是因西侧沉降测点距离基坑开挖面略近的原因。

　　 HCMW工法是在SMW工法与PCMW工法的基础上发展起来的一种新型支护结构, 该工法基本弥补了SMW工法与PCMW工法两种工法的不足, 已在部分基坑工程中得到了应用。本工程通过计算分析与实测结果表明, 支护设计过程针对具体问题所提出的相应技术措施, 在实践中发挥了较好的作用, 从中总结出的各项技术措施可借鉴到类似工程中。