1. 引言
近几年，我国城市建设规模之大，速度之快，已位居世界之首，深基坑支护技术的研究与工程应用也在随之飞速发展。目前，我国南方大部分临海靠江地区，因地下水位较高(降排水量大)，工程技术人员普遍研究和采用桩墙或钢筋混凝土地下连续墙做基坑的挡土墙和止水帷幕(俗称两墙合一)；而在北方，因地下水位普遍较底(干旱少雨，地下水匮乏)，基坑施工降水多采用明排法、管井法等抽取地下水排入市政管网。超采地下水会形成大范围降水漏斗，不仅会导致地基沉降和建筑物的破坏 [1] [2] ，而且也会造成严重的地下水资源浪费。针对基坑排水问题研究表明减采地下水仍是主要预防措施，为确保基坑工程顺利施工，压力回灌 [3] 是有效措施(事实上回灌极其困难)。当今，我国在禁止降水施工区域常采用地下连续墙、混凝土搅拌桩墙止水帷幕等措施 [4] ，但基坑工程建造成本很高。本文就桩锚支护后旋喷综合止水帷幕技术进行研究分析，以期实现不降水支护施工，努力降低建造成本，节约水资源。
2. 工程概况
某商务综合楼总建筑面积约10万平方米，南北长140 m，东西宽120 m，地下两层，基坑开挖深度为12 m。结构类型为框架剪力墙结构。勘察期稳定水位−8.00 m~−8.50 m，属于潜水，含水层为砾砂层和细砂层。基坑及周边建筑分布如图1所示。
Figure 1. Construction site and foundation pit
图1. 施工场地及基坑
3. 基坑原降水设计方案
利用井点降水使基坑中心水位降至−12.5 m。基坑采用护坡桩与土钉墙综合支护方案：图1中V、VI区采用桩锚联合支护，其他分区采用土钉墙按照1:0.3放坡支护施工，I、II和VII区超载区域通过增加1~2排预应力锚索控制。
土钉墙技术参数。土钉及锚索倾角10度，水平、竖向间距均为1.5 m，土钉及锚索长度分别为9 m、15 m，钻孔直径分别为100 mm、130 mm，孔深均超挖0.5 m，详见表1。
Table 1. Support mode partition table
表1. 支护方式分区表
护坡桩技术参数。V区、VI区护坡桩长分别为15.0 m、17.0 m，直径均为600 mm，桩中心距1.20 m，均设置三道预应力锚索，锚索总长15 m，自由段5 m，锚固段10 m，护坡桩顶设有冠梁。
4. 基坑不降水止水帷幕支护设计方案
4.1. 基坑支护方式
考虑到枯水期水位变化，止水帷幕设计须高出稳定水位2 m~3 m。整个基坑先按1:0.3放坡挖至自然地面以下5 m，塔吊周边进行局部放坡处理。−5 m以下采用护坡桩支护，桩顶标高−5 m；I、II、VI、VII区设计深度12 m，桩长12 m，笼长12 m；III、IV、V区设计深度10.5 m，桩长12 m，笼长9 m，桩下部3 m仅作隔断基坑内外水位联系的作用。桩含钢筋笼部分埋入土中深度4.5 m，满足规范围护桩插入比不小于1/3的要求，支护简图如图2 (单位m)。
Figure 2. Simple drawing of the waterproof curtain
图2. 止水帷幕支护简图
4.2. 止水帷幕
先施工钢筋混凝土护坡桩，然后再在期间补施两根旋喷桩与护坡桩严密咬合形成止水帷幕。旋喷桩直径500 mm，长度为12.0 m，两旋喷桩中心距为400 mm，旋喷桩间搭接100 mm，旋喷桩与护坡桩中心距为400 mm，搭接长度为150 mm。
4.3. 基坑支护设计参数
基坑所有分区桩的桩径均为600 mm，笼径500 mm，桩中心距1.2 m，桩顶设有600 × 400冠梁一道，冠梁内设有一道15 m长，水平间距1.2 m的预应力锚索。设置在冠梁内的锚索，自由段5 m，锚固段10 m，注浆达到设计强度后再施加153 KN预应力。锚索及土钉技术参数见表2。
Table 2. Anchor cable (soil nail) parameters
表2. 锚索(土钉)参数
4.4. 组合支护体系稳定性分析
内部整体稳定性分析。由土钉、锚索、止水帷幕及护坡桩对整体稳定的单独贡献可得边坡稳定系数
，不满足侧壁安全等级一级的要求。经分析计算，将放坡处的第一排土钉换为锚索可增大内部稳定性。调整后锚索技术参数见表3，
，满足设计要求。
其他稳定性验算。方案调整后抗滑移安全系数KH = 1.36 > 1.2，抗倾覆稳定安全系数Kq = 1.28 > 1.2,抗隆起稳定性系数
、渗流稳定性验算均满足要求。篇幅所限，不做详述。
取桩底以下15m区域绘制流网图，分析计算得地下水的涌水量Q = 2.52m3/d，即整个基坑每日渗流量约2.52 m3，施工时仅做适当排干即可，帷幕止水效果良好。
5. 止水帷幕支护方案有限元受力性能分析
利用MIDAS软件对不降水支护方案主要受力结构进行施工全过程模拟分析 [5] 。
本工程设计每次挖深1.5 m，按取土顺序可划分为六个阶段，共计13种工况。
桩身、桩顶水平位移随取土深度增加不断增大，但桩顶最大水平位移仅8 mm，源于桩顶设有一道锚索限制其水平位移发展。锚索及被动区土压力形成两个支点，使桩身中部位移较大，故第六阶段取土后桩中部出现最大位移20 mm，见图3。桩的水平位移符合一类基坑水平位移不大于30 mm的要求。
Figure 3. Pile horizontal displacement map
图3. 桩身水平位移图
从桩身弯矩及剪力图(图4)中可以看出最大剪力为183 kN，弯矩随取土深度增加而增加且增速加大，最大值为261 kN∙m，桩在坑内主动区产生较大负弯矩，被动区产生正弯矩，又因坑内外水压力的存在使桩身出现两个正负弯矩转折点。
Figure 4. Pile bending moment and shear force diagram
图4. 桩身弯矩及剪力图
锚索设在−2 m、−5 m处。由图5可知第一道锚索最大轴力114 kN，第二道锚索最大轴力277 kN。第一道锚索由于不承受桩尖作用力直接与土钉墙共同作用，受力较小；第二道锚索控制桩尖及桩后滑移区域水平位移，承受桩尖力，故轴力较大。
如图所示，起始时坑内土的应力释放导致基坑底板隆起范围较广且均匀，中后期支护结构的位移变化及被动土压力受力增大，最大隆起处随土层开挖逐渐向基坑坑脚移动。基坑竖向位移见图6、基坑底部隆起值见图7。
Figure 6. Vertical displacement of foundation pit
图6. 取土基坑竖向位移
不降水设计方案基坑周边最大沉降出现在距其一倍开挖深度处，沉降值仅为2.5 mm；原降水支护设计方案最大沉降量计算见表4；不降水设计方案沉降量较小，对基坑周围环境影响较小，如图8。
Table 4. Maximum settlement of precipitation support
表4. 降水支护最大沉降量
Figure 8. Foundation pit influence range
图8. 基坑影响范围
基坑开挖过程由于被动土压力作用，剪力最大值均出现在基坑坑脚处，因此施工过程中要注意保护基坑坑脚位置，防止由于扰动、超挖等破坏基坑坑脚导致坑脚剪切破坏。
通过MIDAS分析得知，由于桩身只设一道锚索以及基坑外的水压力作用，导致位于桩顶的第二道预应力锚索在开挖最后一层土后，最大轴向拉力为277 kN，超出设计值218 kN，应对不降水支护设计方案进行调整，以满足设计要求。经验证，可行调整方案为：方案A，将第二道锚索水平间距由1.2 m缩至0.8 m；方案B，第二道冠梁内锚索由2根Φ15.24-1860钢绞线增为3根，以增大锚索的轴向承载力。
方案A须增加锚索155根，总长2313 m，每米综合单价为116元，共需增加26.83万元；方案B需增加钢绞线及其制作安装等费用，增加长度15m的Φ15.24-1860钢绞线共309根，每根综合单价112元，共需增加3.46万元。方案B经济可行且满足设计要求。且该不降水支护方案相比采用排桩或地下连续墙而言，混凝土用量较少，施工机具简便，工期较短，属优选方案。
6. 技术经济对比分析
经济性对比。采用综合单价计算，原降水支护方案(即方案一）费用合计279.84万元，其中工程量包含土钉5042.8 m，桩2257 m，锚索8869.5 m；止水帷幕支护设计方案(即方案二)费用合计303.37万元，与前方案相比，工程量主要变动在土钉减少为2470 m且增加旋喷桩共计7416 m。因此，后方案比前方案费用增加8.41%。
工期对比。方案一基坑四周均设有1~2道预应力锚索，每步挖土至少须在锚索注浆养护21天施加预应力后进行，放坡开挖区设有多层土钉，护坡桩支护区设有三道锚索。而方案二中相邻旋喷桩在护坡桩桩身强度达到设计强度的75%后即可施工，且仅设有两道锚索一道土钉，较方案一约缩短工期1个月。
节水对比。方案一以24眼抽水管井设置，经计算全天抽水量约12,230.4 m3计算，基坑施工需持续抽水1.5年，抽水总量为6531万吨；方案二中帷幕插入不透水层，渗流量甚微，仅需基坑疏干，总抽水量极少，可节约水资源约6531万吨。
7. 结语
深基坑桩锚支护后旋喷综合止水帷幕支护方案节能环保，且经有限元模拟分析验证了该方案支护结构受力、变形合理，基坑整体稳定。与传统支护方案相比，该方案可大量节约地下水资源，有效避免地面沉降带来的危害，且旋喷桩与护坡桩在接近地下水位处共同组成止水帷幕，不仅大量减少了地下水的排放，也有效地控制了工程的建造成本。不降水综合支护方案科学、安全，适用性强，此技术对类似深基坑工程不降水施工具有很好的推广应用价值。