0 引言

　　天津软土地基具有变形大、压缩性高、承载力低的特点，基坑施工中的变形控制为重中之重，其支护体系多为内支撑支护体系，如“地下连续墙+多道内支撑梁”等，极少采用无内支撑支护体系。常规的软土地区无内支撑支护体系多为桩锚体系，易出现因变形大造成的安全隐患。本工程施工工艺严禁竖向临时构件穿越结构平台，因此，须采用无内支撑支护体系，与此同时带来基坑变形控制难题。

　　1 工程概况

　　1.1 整体概况

　　本工程为大型地震模拟研究设施(国家重大科技基础设施)项目，地处天津大学北洋园校区内，占地面积10万m²，建筑面积7.6万m²，工程建成后将成为全球规模最大、功能最全、装备最先进的世界一流地震模拟研究设施科研中心，包括实验中心和仿真中心，工程效果如图1所示。

　　图1 工程整体效果  

　　1.2 基坑设计

　　实验中心地下3层，基坑呈长方形，周长898m，面积约4.75万m²。大面开挖深度14.7m，最大开挖深度18.4m，如图2所示。基坑止水帷幕采用850@1 200单排三轴水泥土搅拌桩，深度25.7m，切断第一承压含水层及相对隔水层。围护结构采用二级支护，一级支护为“放坡+斜直交替预制矩形桩”支护，第二级支护为“单排钢筋混凝土灌注桩+旋喷锚索”支护。基坑东侧采用两级放坡+灌注桩+旋喷锚索支护体系。护坡采用50mm厚C20混凝土，内配4@250钢网片。开挖深度17m区域设置超深三轴止水帷幕，深度42.7m，切断第二承压含水层。基坑外围支护结构安全等级均为一级，局部深基坑为三级，基坑典型剖面如图3所示。

　　图2 基坑整体支护平面  

　　图3 基坑典型剖面  

　　700灌注桩长16.15m,732根;375mm×500mm预制桩长12m,1 127根;深25.7m三轴搅拌桩长24.7m,753组;深42.7m三轴搅拌桩长36.7m,232组;旋喷锚索长16m,327根;降水井279口，减压井19口，观察井26口，回灌井26口。

　　1.3 水文地质

　　初见水位埋深2.50～3.50m，静止水位埋深1.20～2.60m，土方开挖范围内主要土层为素填土、黏土、淤泥质黏土、粉质黏土及粉土。主要水层为潜水含水层、相对隔水层，止水帷幕切断第一承压含水层及相对隔水层，基坑支护结合地质剖面如图4所示。

　　图4 基坑支护结合地质剖面 

　　1.4 周边环境

　　南侧护校河距实验中心围护结构最小距离为10.7m，南侧在建地铁6号线区间距围护结构最小距离约67m，北侧太心湖距围护结构最小距离为125m;仿真中心东北方向为博士生公寓(在使用)、硕士生公寓(在建)，博士生公寓距围护结构最小距离为125m，硕士生公寓处于基础施工阶段，基坑深约1.5m，现回填土已完成，距仿真中心基坑上边线最小距离为25m;基坑西侧为开阔的学校预留地，如图5所示。

　　图5 基坑周边环境情况(单位:m) 

　　1.5 基坑监测警戒值设定

　　一级支护(斜直交替矩形桩)变形警戒值为50mm，二级支护(旋喷桩锚)变形警戒值为40mm，地下水位监测警戒值每日水位变化量为500mm，累计变化量为1 000mm。

　　2 基坑支护风险分析

　　2.1 多级支护耦合作用下基坑变形风险大

　　一级支护的斜直交替矩形桩根部与旋喷桩锚的锚索根部处于同一断面，二级支护变形会引起一级支护根部变形，从而形成耦合作用影响下的迭代反应，有限元模拟结果如图6所示，土体最大变形量为0.041 28m，基坑安全风险高。

　　2.2 斜直交替矩形桩应力应变监测难度大

　　基坑开挖结束时一级支护的斜直交替矩形桩最大水平位移为27.83mm，如图7所示。矩形空心桩内的应力应变监测极为重要，但无经验参考。声测管监测变形若采用混凝土灌注空心桩内，则会增加桩体整体刚度和强度，导致实际监测数据严重失真。应力计固定在空心桩内，首先须保证其处于中心线上，在最大限度不增加桩体的前提下，与桩体成为整体。

　　图6 多级支护下土体变形云图  

　　图7 土方开挖完成后矩形支护桩最大变形云图  

　　2.3 软土地基下旋喷桩锚体系连续倒塌风险高

　　软土地基下旋喷锚索成型质量控制难度大，基坑单侧支护长度达257m，通过计算水土压力，支护最大位移12mm，整体稳定安全系数为1.72，抗隆起稳定安全系数为2.4，抗倾覆安全系数仅为1.5。

　　3 无内支撑多级支护体系关键施工技术

　　针对基坑支护体系存在的安全风险，现场采取斜直交替矩形桩静压施工技术、长短交替应力分散锚索施工技术、超前反压支撑技术、矩形支护桩创新监测技术等一系列措施控制基坑变形。

　　3.1 斜直交替矩形桩静压施工技术

　　斜桩平面位置放样不同于直桩，斜桩入土位置、桩顶面和桩底面三者均不在同一垂线上。精确测量作业面场地标高，换算直斜桩夹角α(20°)与下浮高度H的关系，确定作业面上直桩与斜桩的定位。按定位、吊桩、喂桩、角度及垂直度调整、压桩、送桩的步骤对矩形桩进行施工。成桩剖面如图8所示。

　　图8 斜直交替矩形桩成桩剖面  

　　3.2 长短交替应力分散锚索施工技术

　　1)长短交替锚索设计优化技术应用考虑到多级支护耦合作用下基坑变形风险大，将原设计“两桩一锚”的16m(自由段6m，锚固段10m)长锚索优化为12m(自由段6m，锚固段6m)与20m(自由段6m，锚固段14m)长短交替的锚索，最大限度地降低一、二级支护交接位置的变形风险。锚索剖面如图9所示。

　　图9 优化前后锚索剖面  

　　2)应力分散型锚索技术应用锚盘设置在扩大头锚固体内，从设计端部开始，短锚索中每隔1.5m设置1个锚盘，长锚索中每隔2m设置1个锚盘，从而实现锚索预拉应力的分级控制，最大限度地降低了锚索突然性失稳，相邻两侧桩锚体系受力突增造成的连续倒塌风险。

　　3)锚索施工前进行了破坏性试验，采用普通硅酸盐水泥P·O42.5级，水灰比1.0，水泥掺量35%，第三方检测单位检测结果显示，长、短锚索均满足设计要求，其中，短锚索抗拔承载力达到560k N。正式施工后，待同条件试块强度达到75%，按5%抽检锚索抗拔承载力，均满足设计要求。

　　3.3 超前反压支撑技术

　　为减少坑底暴露时间，减小软土地区基坑“时空效应”引起的变形，也进一步降低旋喷桩锚体系连续倒塌的风险，土方开挖后，根据基坑开挖顺序，支护桩向基坑内8m范围内，垫层厚度由100mm增加至200mm,C20混凝土，内设单层双向12钢筋，间距250mm，与工程桩锚固，并与周边支护桩支顶，超前支撑，便于控制基坑变形安全风险。

　　3.4 矩形支护桩创新监测技术

　　矩形空心支护桩内部空心导致其侧向刚度较灌注桩差，极少作为支护桩，因此，基坑变形监测极为重要，其中，一个重要监测指标为测斜监测。作为空心预制桩，测斜管无法与空心矩形桩内壁有效结合，若在空心桩内灌注混凝土，则会增加空心桩的强度及侧向刚度。

　　通过在测斜管与矩形空心支护桩孔之间交替填入砂、水泥砂浆，在不明显增加空心支护桩刚度及强度的情况下，有效连接测斜管与空心支护桩，最大限度精准测量支护桩的测斜变形。具体实施步骤为:提前安装测斜管固定就位;向矩形空心支护桩孔中灌入1.0～1.5m厚河砂，填充均匀密实;继续灌入0.3m厚的1∶2水泥砂浆，保证灌注相对平整密实;重复上述步骤直至灌注到空心支护桩上端口部。测斜管施工如图10所示。

　　图1 0 测斜管施工示意  

　　3.5 矩形空心支护桩应力计固定结构及其安装技术

　　制作一种钢筋应力计组合固定结构，将应力计牢牢固定在矩形空心支护桩孔中心，通过浇筑混凝土将钢筋应力计组合固定结构嵌固在空心支护桩内，与空心矩形桩同心，保证试验数据的准确性。具体实施方式为:选择直径18～22mm、长1 000mm两端螺纹套丝的钢筋，形成标准节;在标准节中点处焊接直径小于矩形空心支护桩内径5mm的钢筋圈(见图11);将钢筋应力计与钢筋标准节通过螺纹连接，形成钢筋应力计组合固定结构(见图12);将钢筋应力计组合固定结构通过不断连接直至放入矩形空心桩底部，同时，上端钢筋及应力监测导线外露桩孔以上1m，浇筑C15细石混凝土。

　　图1 1 固定钢筋圈安装  

　　图1 2 应力计连接  

　　4 实施效果

　　本工程于2020年1月15日开始土方开挖，5月5日开挖完成，累计土方量54万m³。24h监测土方开挖过程中的基坑变形及地下水位变化，施工完基础底板时，一级支护变形最大值为41mm(警戒值50mm)，二级支护变形最大值为20.9mm (警戒值40mm)，坑外观察井最大累计变化水位为530mm，锚索内力最大值为226k N(设计值560k N)。基坑周边道路无明显开裂及沉降现象，变形控制良好。