超大深基坑工程支護設(shè)計與施工

文/周予啟 劉衛(wèi)未 袁革忠 劉 芳 穆鳳麟

超大深基坑工程支護設(shè)計與施工

文/周予啟 劉衛(wèi)未 袁革忠 劉 芳 穆鳳麟

天津嘉里中心工程基坑面積73 011 m2，開挖深度17～23 m，屬于軟土地區(qū)超大深基坑?；又ёo設(shè)計和施工難度大，整體采用中心島支護形式，局部應(yīng)用旋噴錨樁、重力式擋墻、放坡卸荷等輔助支護形式。文章主要針對該基坑工程的設(shè)計方案、施工工藝、重點難點等進行詳細的分析和研究，總結(jié)成功的工程經(jīng)驗。

軟土；超大；深基坑；中心島；旋噴錨樁；重力式擋墻；放坡卸荷

1 工程概況

天津嘉里中心由六經(jīng)路、六緯路、八經(jīng)路與海河?xùn)|路圍成，西側(cè)與海河相望，占地面積86 164 m2，基坑開挖面積73 011 m2，地上總建筑面積49.9萬m2，地下總建筑面積22.1萬m2。分成兩期建造，一期包括3棟62層的高級公寓住宅（高213 m）、1棟35層建筑面積約10萬m2的香格里拉五星級酒店（高161 m）以及綜合購物中心、地下停車場等；二期為1棟超高層高級辦公樓（高約 333 m）。

天津是典型軟土地區(qū)，地下水位埋深較淺（約自然地面以下2 m）。土質(zhì)以粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土、粉砂為主，具有高含水量、高靈敏性、高壓縮性、低密度、低滲透性等特性?；娱_挖深度大約17 m，局部深坑達23 m，屬于超大深基坑工程，見圖1?；?xùn)|北側(cè)與津濱輕軌地鐵的距離不足30 m，南側(cè)靠近重要交通樞紐保定橋，周邊環(huán)境復(fù)雜，對基坑施工產(chǎn)生的變形量控制提出了較高的要求。

圖1 場區(qū)平面布置

2 地質(zhì)條件

表1 地層巖性特征

3 基坑支護設(shè)計方案

基坑開挖平面尺度巨大。因為分期開發(fā)，在一、二期之間設(shè)臨時隔斷，造成基坑平面形狀極其不規(guī)則。若采用常規(guī)整體內(nèi)支撐形式，因溫度變形引起的附加應(yīng)力和變形都不容忽視。整體內(nèi)支撐體系面臨因自變形過大而無法對周邊圍護體提供可靠支撐造成基坑整體變形過大，甚至不穩(wěn)定的潛在危險。另外，內(nèi)支撐方案施工周期長，材料用量大，費用高。

基坑設(shè)計為在基坑外圍設(shè)置三軸水泥土攪拌樁止水帷幕；圍護結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁；支護形式大部分區(qū)域采用中心島法，對六緯路側(cè)和海河?xùn)|路側(cè)采用旋噴錨樁支護調(diào)整方案，對1#公寓區(qū)域范圍基坑外部采用重力式擋墻結(jié)構(gòu)，在E區(qū)與F區(qū)交界位置采用放坡+抗滑樁的支護方案?；又ёo平面見圖2。

圖2 基坑支護平面

3.1 圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計

選用“鉆孔灌注樁+止水帷幕”的形式。鉆孔灌注樁φ1 000 mm@1 200 mm，止水帷幕采用φ850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁。

3.2 支護結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2.1 中心島

基坑大部分區(qū)域采用中心島支護形式，即先施工基坑周圈圍護樁及止水帷幕，在基坑周邊留設(shè)反壓土臺護坡，基坑中部放坡開挖到底，順作施工基坑中部主體結(jié)構(gòu)，待基坑中部主體結(jié)構(gòu)施工至±0.00時，在基坑周邊圍護結(jié)構(gòu)和中部主體結(jié)構(gòu)間架設(shè)長度約22 m的短撐，將反壓土挖除，然后順作施工基坑周圈主體結(jié)構(gòu)，完成換撐后，將支撐拆除，見圖3。

圖3 中心島支護剖面

3.2.2 旋噴錨樁

六緯路側(cè)采用4道旋噴錨樁+1道鋼支撐的形式，海河?xùn)|路側(cè)采用6道旋噴錨樁的形式。

對于常規(guī)水電站，根據(jù)電站運行水頭、所在地理位置差異等因素，機組技術(shù)供水方式主要有自流減壓供水、水泵供水、二次循環(huán)供水等。對于循環(huán)供水系統(tǒng)，由于其水源沒有取自機組流道，故其往往不需要設(shè)置汛期備用水源。而對于自流減壓供水或水泵供水，其水源多來自機組流道。有部分電站則采用沉淀池供水做為機組冷卻水的備用水源，當(dāng)汛期來臨，水庫水質(zhì)較差時，機組技術(shù)供水切換到沉淀池供水。

旋噴錨樁通過高壓旋噴和攪拌技術(shù)形成大直徑的水泥土錨樁體（φ500 mm），在旋噴攪拌的同時將鋼絞線及錨錠板直接帶入形成錨樁，根據(jù)需要還可以形成擴大頭。對于超大深基坑，在原中心島法支護方案的基礎(chǔ)上局部增設(shè)旋噴錨樁，不僅可以形成較開闊的土方開挖作業(yè)面，而且可以不受結(jié)構(gòu)施工進度的制約，加快土方施工進度，同時土方開挖的順序亦相對靈活。

3.2.3 重力擋墻

1#公寓樓距離基坑邊線較近，如果采用中心島支護形式，公寓樓主體結(jié)構(gòu)需留設(shè)豎向施工縫，而根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計單位及業(yè)主單位的要求，該位置底板需整體澆筑。為滿足設(shè)計要求，考慮在1#公寓范圍基坑內(nèi)外采用三軸水泥土攪拌樁和高壓旋噴樁對基坑內(nèi)外土體進行加固，形成重力式擋土結(jié)構(gòu)，與支護排樁共同承擔(dān)基坑外部土壓力，基坑內(nèi)部不再留設(shè)護坡土臺。

加固土體面積置換率達到55%左右。三軸攪拌樁水泥樁摻量為20%，攪拌樁插入毛竹作為加筋材料，以增強其抗拉彎承載能力。同時，護坡樁及帽梁施工完畢后，在1#公寓范圍高樁的帽梁上與高樁對應(yīng)的位置設(shè)置構(gòu)造柱，構(gòu)造柱尺寸1 000 mm×500 mm；基坑外部三軸攪拌樁局部區(qū)域延伸至自然地面；在自然地面上做硬化路面，具體做法見圖4；采用φ28 mm（Ⅱ級鋼）將延伸至自然地面的三軸攪拌樁與構(gòu)造柱拉結(jié)起來。

3.2.4 放坡卸荷

為加快E區(qū)和F區(qū)交界位置地下結(jié)構(gòu)施工進度，對支護方案進行調(diào)整，省去短撐，采取放坡+抗滑樁支護形式。放坡坡面局部采用噴射混凝土（內(nèi)置φ4 mm鋼絲網(wǎng)片）進行加固處理，坡頂沿著開挖線每隔10 m設(shè)置一口降水井，以保證放坡坡體的穩(wěn)定性。

圖4 重力式擋墻加固剖面

放坡采用二級放坡的方式，坡底標高-8.00 m，坡頂標高3.25 m，在標高為-4.475 m處留出一個平臺，坡度均為1∶1，總共需要開挖土方約為4 000 m3。挖土完畢之后在土坡上噴射100 mm厚的混凝土，坡底和坡頂均打入鋼釘。為避免坡底出現(xiàn)漏水，在距放坡邊線5 m處每隔10 m設(shè)置一個直徑為700 mm、管徑為500 mm的降水井，降水井井底標高為-18.35 m，見圖5。

圖5 E、F區(qū)交界位置放坡+抗滑樁支護方案平面

3.3 基坑降水截水設(shè)計方案

沿基坑周邊設(shè)置φ850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁形成封閉的止水帷幕，止水帷幕已經(jīng)將上部潛水和⑦5層微承壓含水層隔斷。因此，對于上部潛水和淺層微承壓水主要采取坑內(nèi)設(shè)置大口管井進行疏干。疏干井主要分A、B型，A型井為單一疏干井，B型井較深，除了起到疏干井作用外，還考慮了止水帷幕在⑦5層局部可能不閉合的因素，起到減壓井的作用。

深層⑨層微承壓水，由于需降水頭不大，采取坑外設(shè)置C型減壓井的方式進行處理。

4 數(shù)值分析

關(guān)于反壓土護坡，目前的規(guī)范并未對圍護樁和反壓土的最大允許位移做出說明。為保證基坑安全，同時對反壓土護坡的圍護體系的變形控制標準做出施工控制判斷。首先采用理正基坑設(shè)計軟件對反壓土護坡體系進行了整體穩(wěn)定性驗算，隨后采用FLAC數(shù)值模擬分析軟件針對圍護體系建立數(shù)值計算模型，根據(jù)土方開挖的實際工況，對反壓土和圍護樁的位移及內(nèi)力進行數(shù)值模擬并結(jié)合天津地區(qū)反壓土護坡工程實例，建立反壓土護坡的變形控制標準，見圖6和圖7。

基坑開挖到底后，反壓土臺的位移趨于穩(wěn)定，一、二級土臺坡頂位移曲線形式類似，由此說明反壓土臺護坡的支護體系其穩(wěn)定性滿足要求。根據(jù)上述數(shù)值分析結(jié)果確定的不同開挖工況（開挖深度分別為2.5、5、10、15.5 m）對應(yīng)的一、二級土臺坡頂位移變化，考慮已經(jīng)長期降水的有利因素，取計算值的70%左右；同時還提供基坑從±0.0開挖到基底時各級土臺的位移監(jiān)測結(jié)果。

數(shù)值分析的結(jié)果與實際位移監(jiān)測結(jié)果變化趨勢一致，基坑變形距離位移包絡(luò)圖警戒值還存在一定距離，并且基坑變形趨勢逐漸平緩，趨于穩(wěn)定狀態(tài)；但是也必須注意的是，軟土基坑開挖到槽底后，基坑變形仍有一定量的發(fā)展。

5 基坑施工過程

土方開挖過程中，降水效果較好，基本未發(fā)現(xiàn)明顯的積水。在土方開挖到槽底至基礎(chǔ)底板施工過程中，鉆孔灌注樁變形最大50 mm，圍護結(jié)構(gòu)未發(fā)生過大變形；基坑開挖對地鐵軌道的影響很小（＜4 mm），槽底均未出現(xiàn)管涌等現(xiàn)象。

基坑最大水平位移約125 mm，其中較大的變形量主要發(fā)生在反壓土護坡形成及持續(xù)過程中；而反壓土開挖階段，旋噴錨樁施工過程中發(fā)生的變形量相對較小約20 mm。反壓土區(qū)域地下結(jié)構(gòu)施工階段，基坑變形增長值和增長速率都大大降低，變形曲線趨于收斂且基坑變形規(guī)律與理論曲線較吻合，說明基坑達到穩(wěn)定狀態(tài)。基坑外側(cè)土體沉降也基本在規(guī)范允許范圍以內(nèi)，較大的沉降主要發(fā)生在反壓土護坡階段。對于1#公寓重力式擋墻支護區(qū)域，基坑變形隨著基坑開挖線性發(fā)展，基礎(chǔ)底板完成后變形速率大幅減小，基坑頂部最大變形約70～80 mm。

6 結(jié)語

1）天津嘉里中心基坑支護方案總體合理，同時兼顧了基坑不同位置的特殊需要，保證了基坑周圍建筑物及鄰近地鐵的安全，為結(jié)構(gòu)施工提供了便利條件。

2）中心島+旋噴錨樁支護方案的優(yōu)點。中心島方案中部主體結(jié)構(gòu)施工進度快、工程造價低等優(yōu)勢；具有旋噴錨樁技術(shù)的特點，能充分調(diào)動和提高巖土的自身強度和自穩(wěn)能力，有效地改良土體，達到增加錨固體抗拔力的效果；同時，兼顧了基坑不同位置的特殊要求，采取有針對性的調(diào)整措施，多種方案相結(jié)合，使基坑內(nèi)作業(yè)面開闊、施工安排靈活、土方施工進度加快，既保證了基坑及周圍建、構(gòu)筑物的安全，又節(jié)省了工期和造價，達到了較好的支護效果。

3）反壓土護坡階段屬于被動支護過程，圍護樁產(chǎn)生大變形階段并不是發(fā)生在中心島和保留土體開挖過程中，而是發(fā)生在這兩個工序之間的時間段，這個時間段越長，圍護樁頂向坑內(nèi)的位移也越大。因此，中部主體結(jié)構(gòu)施工階段，應(yīng)合理安排工序，盡量縮短主體施工時間，盡快形成支撐，將反壓土挖去。

4）在很長一段時間內(nèi)需要依靠反壓土來抵抗坑外主動土壓力，而天津這樣的軟土地區(qū)，當(dāng)含水量過高時土體變形會顯著增大。因此需要在坑內(nèi)及反壓土坡內(nèi)布置足夠數(shù)量的降水井，保證降水效果。雨季施工時，基坑坑外擋水和坑內(nèi)排水更需引起高度重視。

5）基坑周邊堆載需嚴格按照設(shè)計條件執(zhí)行，對本工程而言，基坑周邊2 m范圍內(nèi)不宜堆載，為人行通道，基坑周邊2 m外超載不宜超過2 t/m2，反壓土臺上需嚴格控制，嚴禁作為堆場使用。

[1]JGJ 120—2012，建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[S]．

[2]CECS 147—2004，加筋水泥土樁錨支護技術(shù)規(guī)程[S]．

[3]周予啟，劉衛(wèi)未．軟土地區(qū)超大深基坑中心島支護方案設(shè)計與施工[J]．施工技術(shù)，2011，（10）：52-58.

[4]周予啟，秘志偉．津塔基坑施工監(jiān)測和數(shù)值模擬分析[J]．天津建設(shè)科技，2011，21（2）：24-27.

□劉衛(wèi)未、劉 芳/中建一局集團建設(shè)發(fā)展有限公司。

□袁革忠、穆鳳麟/天津市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督管理總隊。

TU753

C

1008-3197（2013）05-06-04

10.3969/j.issn.1008-3197.2013.05.003

□課題項目：中建總公司課題：城市中心區(qū)特大超深基坑工程對周邊環(huán)境的影響評估及控制關(guān)鍵技術(shù)（CSCEC-2011-Z-33）

中建總公司課題：不同地層結(jié)構(gòu)超深基坑落底式止水帷幕型式研究和數(shù)值模擬分析（CSCEC-2013-Z-7）

2013-05-13

周予啟/男，1971年出生，高級工程師，中建一局集團建設(shè)發(fā)展有限公司，從事基坑設(shè)計和施工工作。