随着城市用地面积的减少，建筑密度不断增加，新建建筑的周边环境变得更为复杂，导致基坑支护难度增大。建筑基坑的开挖导致周围土体力学环境改变，影响土体稳定和周围建筑物的安全，对建筑基坑的支护要求较高^[1-3]。建筑基坑的支护方案一般应根据工程的实际情况来选择，以便达到结构稳定、经济适用、环境友好的效果。常用的基坑支护方法有SMW(soil mixing wall)桩、土钉墙、钻孔灌注桩、深层搅拌桩等。国内外很多学者针对基坑支护体系做了系列研究，并取得一定成果^[4-6]。Gayarre F L等^[7]对基坑的稳定性问题进行了深入分析；严薇等^[8]探讨了深基坑桩锚支护结构变形和内力分析方法；沈恺伦^[9]、杨磊等^[10]利用软件程序计算对基坑受力特性进行研究，实现了地基优化设计；武崇福^[11]等研究了刚性桩复合地基桩侧摩阻力在线性模式下中性面深度及桩土应力比的计算方法。1976年SMW工法复合围护结构在日本开发应用，该工法将型钢的强度特性与水泥土的止水特征有效结合在一起，具有止水性好、施工速度快等优点，在中国得到了广泛应用和发展^[12-13]。马郧等^[14]在工程中将SMW桩和水泥土桩锚结构相结合，探索了较深的软土地基基坑的支护方案，得到了较为理想的效果。徐汉东等^[15]在常州某基坑工程中，结合SMW桩特点提出了水泥土预应力支护桩墙(即水泥土搅拌桩内插预应力钢筋混凝土板桩，HCMW工法)的做法，获得住房和城乡建设部推广。

笔者对采用HCMW工法支护的南昌某基坑工程进行研究，通过对其工况力学分析、地表沉降量、抗倾覆稳定性验算、整体稳定性验算、抗隆起稳定性验算等参数的研究，就此种基坑支护的新方法在工程中的应用效果和稳定性进行评价。

1 工程概况 1.1 工程环境条件

基坑工程位于南昌市，基坑周边环境较复杂：基坑东侧15 m处为围墙，围墙距地铁四号线27.5 m，且埋设有市政管线；基坑南侧4.5 m处为广场东路某地下室边线，8 m处有某3层住宅(浅基础，1层地下室)；基坑西侧7 m处为8层浅基础的某印刷厂住宅。基坑复杂的周边环境，对其开挖和支护方案的选择及施工提出了较高的要求。

1.2 工程地质条件

工程场地为中间稍微凹陷的坑状地形，场地地面高程约为16~20 m；工程区域新构造运动不明显，近场区构造活动微弱、地震震级小、强度弱、频度低，自有记载以来，未产生过破坏性地震。结合土的沉积规律和工程特点，将勘察范围内的主要土体划分成7个单元土层，自上而下分别为：①杂填土，粘性土；②粉质粘土，可塑~硬塑；③细砂，中密，级配良好；④中砂，中密，级配良好；⑤砾砂，中密状态，级配良好；⑥强风化泥质粉砂岩，风化作用强烈，裂隙发育，岩芯呈碎块状、短柱状。⑦中风化泥质粉砂岩，风化程度一般。各土层的土性指标如表 1所示。

1.3 工程水文条件

工程的开挖深度为11.2 m，根据勘察报告显示，场地内土层均匀性一般，基坑局部有较厚的填土，大部份位于粉质粘土层上，现场施工条件较好。勘探报告表明，拟建场地地下水系丰富，潜水主要赋存于砂砾层中，水线高度起伏较大，基坑开挖基底位于地下水位以下2~3 m，整体基坑须考虑一定的排水措施。

2 HCMW工法原理及工艺流程 2.1 HCMW工法原理

HCMW工法是当三轴长螺旋钻机钻进时，在钻机端部将水泥浆液与土体进行原位搅拌，从而形成水泥土桩墙；在相邻桩搭接完成后，插入预应力钢筋混凝土板桩，形成连续完整的地下连续墙的基坑支护方法。该工法能充分发挥水泥土混合体和钢筋混凝土板桩的力学特性，具有抗弯性能好、工期短、截水性强、经济成本低和对周围环境影响小等特点。

2.2 HCMW工法施工工艺流程

HCMW工法在工程应用中选取钢筋混凝土板桩代替SMW工法中的H型钢，其施工工艺流程如图 1所示。

3 方案设计

以基坑工程西侧一段工程为例，研究HCMW工法的支护效果。由于本段围护周围存在居民生活区、轨道交通以及地下商场等，要求基坑的支护对周围环境影响降至最小且要保证支护效果良好。周边复杂的环境对内支撑结构的选择和桩锚支护结构的使用都受到很大的影响。在对周围环境全面分析、科学决策后采用HCMW工法来进行悬臂式支护。支护排桩选取截面类型为圆形，直径为0.90 m，桩间距为1.2 m。锚杆选取的是级别为HRB400的钢筋。

4 HCMW工法基坑支护效果分析与讨论 4.1 工况力学分析

根据设计方案，基坑开挖分为3个阶段：第1阶段开挖至2.2 m处加撑上部锚索；第2阶段开挖至6.7 m处加撑下部锚索；第3阶段开挖至11.2 m基底设计标高处。工况信息表如表 2所示。

4.1.1 土压力计算

土压力计算选用库伦土压力理论，不考虑地面堆载、地下水、地震荷载等对计算的影响，土压力计算公式为

$ {E_{\rm{a}}} = \frac{1}{2}\gamma {H^2}{K_{\rm{a}}}, $

(1)

式中：E_a为最大土压力，kN/m；K_a为主动土压力系数；γ为土的重度，kN/m³；H为高度，m。

4.1.2 基坑内力及位移计算

在考虑土压力的同时，考虑支护结构的弯矩、位移、剪力等力学指标在基坑的开挖和支护过程中的变化，根据该基坑工程的设计参数及施工情况，通过理正深基坑6.0软件的弹性法计算，对支护效果进行全面的理论分析。各工况计算结果如图 2~图 6所示。

图 2为工况1(开挖至2.20 m时)的计算结果。由图可知，弹性法计算得到的基坑侧壁位移的变化范围为-0.36~0.00 mm，弯矩的分布范围为-15.92~8.65 kN·m，剪力分布范围为-24.81~26.05 kN，土压力的范围为-269.67~266.75 kN/m(正号表示向基坑外侧的位移，负号表示向基坑内侧的位移)。图 3为工况2(加撑1.70 m时)的计算结果。弹性分析法求解出的支护后基坑侧壁位移变化范围为-0.38~3.11 mm，弯矩的分布范围为-137.84~5.66 kN·m，剪力分布范围为-42.83~60.89 kN，土压力的分布范围为-269.33~266.75 kN/m。工况2较工况1的基坑侧壁位移大，最大达到3.47 mm，土压力的变化范围有所增大，在第1次加撑后位移出现正位移，有效减小了工况1开挖向基坑内侧位移变化，弯矩、剪力值等相关数据也有所增大，说明支护结构对基坑侧壁的支护力增强。

工况3(开挖至6.70 m)的计算结果如图 4所示，弹性法计算得到基坑侧壁位移的变化范围为-1.89~1.58 mm，弯矩的分布范围为-215.75~34.48 kN·m，剪力分布范围为-92.21~69.39 kN，土压力的范围为-270.20~266.75 kN/m。图 5为工况4(加撑6.20 m时)的计算结果。可以看出，弹性法计算得到的支护后基坑侧壁位移的变化范围为-1.52~1.81 mm，弯矩的分布范围为-174.72~21.63 kN·m，剪力分布范围为-69.64~67.32 kN，土压力的范围为-270.02~266.75 kN/m。工况3和工况4的曲线走向趋势基本一致。

在第2次加撑(工况4)后可以看出，基坑内侧位移最大值减少、基坑外侧位移最大值增大，说明基坑内壁整体向外移动。弯矩和剪力的变化范围均有所减小。根据设计方案，基坑继续开挖至11.20 m，通过求解得到工况5的计算结果如图 6所示。经弹性法计算得到的位移的变化范围为-13.46~0.00 mm，弯矩的分布范围为-511.45~391.97 kN·m，剪力分布范围为-291.49~138.66 kN，土压力的范围为-280.84~266.75 kN/m。

对比可知，支护结构的水平位移从地表到坑底呈现逐渐减小的规律。由于开挖时土体卸载导致侧支护土体的土压力减小，并在开挖区域内向基坑内移动导致基坑下部土体位移减小，变小的区域一般出现在距坑底0~2 m的范围内。各个工况的正向位移最大值如图 7所示，工况2的加撑有效增大了基坑侧壁正向位移，工况3开挖时，由于土体卸载使基坑侧壁向内移动，导致正向位移变小。工况4的加撑改善了由工况3开挖时引起向基坑内侧移动的趋势。从整个开挖和加撑过程来看，开挖时正向位移减小，说明基坑周边围护结构向基坑内移动，加撑支护以后能有效增大侧壁的正向位移即支护结构向外侧移动，由此可见，支撑效果比较理想。由图 8可知，基坑外侧土层的最大沉降量为18 mm，发生在距离坑边5.6 m的位置，距离基坑边缘越近，变形量越小，整体沉降量和距坑边距离呈抛物线状。建议在施工时应加密最大沉降量附近监测点的布置，并增加监测频率，以保障工程的安全质量。

4.2 抗倾覆稳定性验算

抗倾覆稳定性是决定支护结构插入土体深度的重要因素。在抗倾覆安全系数的计算时，假定在主动区受的是主动土压力，被动区受的是被动土压力，在失稳时，以最下层支撑点为转动中心。相关计算参数如表 3所示。

计算公式为

$ {K_{\rm{S}}} = \frac{{{M_{\rm{p}}}}}{{{M_{\rm{a}}}}}, $

(2)

式中：K_S为抗倾覆安全系数；M_P为被动土压力对支撑点的弯矩，kN·m，内支撑的支点力由其抗压力决定，锚索的支点力由锚索抗拉力的最小值决定；M_a为主动土压力对支撑点的弯矩，kN·m。

计算可知，工况5的安全系数最小。规范要求安全系数为1.250，而工况5的安全系数Ks=1.974＞1.250，抗倾覆稳定性满足规范要求。

4.3 整体稳定性验算

基坑的整体稳定性判断是把基坑作为一个平面问题来考虑，整体稳定性的验算一般采取圆弧法。圆弧法能求解有效应力的应力状态，利用瑞典条分法^[16]的计算方法，条分法中的土条宽度为1.00 m。

滑裂面整体稳定安全系数K：

$ K = \frac{{{M_{\rm{R}}}}}{{{M_{\rm{T}}}}}, $

(3)

式中，M_R为抗滑力矩，kN·m，可由式(4)确定：

$ {M_R} = R\;\tan \varphi \sum\limits_{i = 1}^n {{Q_i}\cos {a_i}} + RcL。$

(4)

式中，M_T为滑动力矩，可由式(5)确定：

$ {M_{\rm{T}}} = R\sum\limits_{i = 1}^n {{Q_i}\cos {a_i}, } $

(5)

式中：R为圆弧半径，m；φ为内摩擦角，(°)；Q_i为第i个土条重量，kN；c为粘聚力，kPa；L为圆弧AB的总长度，m；α_i为法向分力N_i与垂线之间的夹角，(°)。

计算滑裂面的数据分别为：圆弧半径R=16.794 m，圆心坐标(x，y)=(-2.793，5.219)，整体稳定安全系数K_s=1.386＞1.250，满足规范对整体稳定性的要求。

4.4 抗隆起稳定性验算

基坑隆起是由于基坑支护结构受到自重、底边荷载和基坑土体卸载等影响，对基坑底部土体作用，造成基坑底部土体向坑内移动的现象。基底隆起也是基坑支护结构底部土体卸载的表现。结合本工程对基坑的抗隆起稳定性进行验算分析。由抗隆起稳定性计算公式：

$ {K_{{\rm{Wz}}}}{\rm{ = }}\frac{{{\gamma _2}D{N_{\rm{q}}} + c{N_{\rm{c}}}}}{{{\gamma _1}\left( {H + D} \right) + q}}, $

(6)

式中：K_wz为抗隆起稳定性安全系数；c为土体的粘聚力，kPa；γ₁为坑外地表至围护墙底各土层天然容重的加权平均值，kN/m³；γ₂为坑内开挖面以下至围护墙底各土层天然容重的加权平均值，kN/m³；H为基坑的开挖深度，m；D为支护墙体在基坑开挖面以下入土深度，m；q为坑外地面荷载，kPa；N_q、N_C分别是地基承载力系数。

从支护底部开始，逐层验算抗隆起稳定性，抗隆起稳定性安全系数K_s=15.714≥1.800，满足规范要求。坑底抗隆起以最下层支点为转动轴心的圆弧条分法计算K_s=2.793＞2.20，满足规范要求。

综上所述，HCMW工法在工程应用中选取钢筋混凝土板桩代替SMW工法中的H型钢，省略了型钢回收工序，节省了工期；同时避免了回收型钢对周围环境的影响；另外，该方法继承了SMW工法止水性强、抗弯性好的优点。通过对各工况力和位移的变化计算分析，再结合抗倾覆稳定性、整体稳定性、抗隆起稳定性的验算，证明了HCMW工法的安全性，表明该工法在工程中具有一定的优越性和实用性。

5 结论

1) 支护结构的水平位移在加撑前后有较明显的变化。其水平位移从地表到坑底呈现逐渐减小的规律，由于开挖时土体卸载，导致侧支护土体的压力减小，在开挖区域内向基坑内移动，导致基坑下部土体位移减小，一般出现在距坑底0~2 m的之间。

2) 经计算分析基坑周围整体沉降量和其距坑边距离呈抛物线状，最大沉降量为18 mm，发生在距离坑边5.6 m的位置。应注意在该区域加强安全监测措施，加密监测点的布置和增加监测频率等。

3) 对基坑抗倾覆稳定性、整体稳定性和抗隆起稳定性验算，安全系数分别为1.974、1.386和2.793，均大于规范规定的安全系数，表明此工法能有效利用预应力混凝土板桩和水泥土混合体的力学性质，保证基坑的稳定。