孝感市匯金國際大廈深基坑支護(hù)設(shè)計實錄

熊揚福，劉明文，呂傳成，初 亮，張 波

(湖北省地質(zhì)局第六地質(zhì)大隊，湖北孝感 432000)

隨著孝感市當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展，孝感市基本建設(shè)規(guī)模逐漸加大，高層建筑、地下建筑等工程大幅度增加，為了節(jié)約地上空間，節(jié)省土地，充分利用地下空間的深基坑工程隨之增加，這使得深基坑工程在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上對整個建筑施工起著舉足輕重的影響。近幾年，孝感市基坑支護(hù)設(shè)計與施工工藝也得到了不斷地發(fā)展，開挖5．0～6．0 m的基坑設(shè)計和施工都日漸成熟。根據(jù)周邊環(huán)境的不同特點，目前孝感地區(qū)常用的基坑支護(hù)方案有放坡開挖、土釘墻、排樁以及樁錨等形式，隨著開挖深度的加大及相關(guān)規(guī)范［1-3］的出臺，錨桿施工不得出紅的限制，較成熟的樁錨支護(hù)必然要被樁撐等內(nèi)撐支護(hù)形式所取代。

1 工程概況

1．1 建筑概況

孝感市匯金國際大廈工程位于孝感市文化路以北、北京路步行街以西。該項目由一棟27F辦公樓及一個整體地下室組成(兩層)，總建筑面積約36 000 m2，建筑結(jié)構(gòu)類型為框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。

1．2 基坑概況

基坑平面呈矩形，周長約220．0 m，實際開挖面積約2 854．96 m2。東側(cè)為富康小區(qū)道路，道路寬7．60 m，外側(cè)為富康小區(qū)2F別墅;東南側(cè)距離5F湖北銀行7．60 m;南側(cè)為文化東路，距離4．40 m;西側(cè)距離孝南區(qū)財政局辦公樓2．20 m;北側(cè)距離6F工行宿舍樓14．85 m;基坑?xùn)|側(cè)冠梁外邊線1．2 m為一Φ85天然氣管道，埋深0．8 m;基坑南側(cè)冠梁外邊線2．30 m有2根Φ110天然氣主管，埋深 0．8 m，13．80 m 外為國防光纜。

總體來說，該基坑為深基坑，處于鬧市區(qū)，環(huán)境緊張，周邊環(huán)境復(fù)雜?；娱_挖時需對周邊建筑及管線進(jìn)行保護(hù)，具體見圖1。

圖1 基坑周邊環(huán)境布置圖Fig．1 Layout chart of surrounding environment of foundation pit

1．3 地質(zhì)概況

根據(jù)勘察報告，場地原為小區(qū)用地，較為整平，地貌上屬老環(huán)河II級階地，主要基坑圍護(hù)設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 基坑支護(hù)巖土參數(shù)表Table 1 Geotechnical parameter of foundation pit support

巖土工程勘察報告顯示，與基坑密切相關(guān)的巖土層主要為:(1)素填土層，結(jié)構(gòu)松散，土質(zhì)不均勻，強(qiáng)度低;(2)粉質(zhì)粘土層，硬塑—堅硬狀態(tài)，工程性能好;(3)粉質(zhì)粘土夾粉砂層，粉質(zhì)粘土呈可塑狀態(tài)，粉砂呈松散狀態(tài)，工程性能一般，為(2)層的相對軟弱下臥層;(4-1)層中細(xì)砂層，呈中密—密實狀態(tài)，工程性能較好;(4-2)層礫砂層，呈中密—密實狀，工程性能較好。基坑底部主要位于第(4-1)層中細(xì)砂層內(nèi)。各土層的分布埋藏及主要特征見表2。

表2 土層的分布埋藏及主要特征表Table 2 Distribution burial soil and main features

1．4 地下水條件

本場地地下水可分為兩種類型:上部填土層中的上層滯水和下層賦存于砂土層中的潛水。

上層為賦存于(1)素填土層及上層滯水，其水位、水量隨季節(jié)變化，主要由大氣降水、生活排放水滲透補(bǔ)給，穩(wěn)定水位埋深為0．6～1．4 m，對應(yīng)的絕對標(biāo)高為22．31～23．05 m;下層為賦存于砂土層中的潛水，勘察期間，測得其水位埋深為9．8 m，對應(yīng)標(biāo)高為14．19 m，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗，該地下水的年變化幅度約為2 m左右;上下層地下水之間因粘性土阻隔而無水力聯(lián)系。

2 基坑支護(hù)設(shè)計方案

2．1 工程特性

本工程是當(dāng)?shù)匾粋€重點和難點工程，具有以下幾個明顯的特性:

(1)基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，緊鄰已有建筑，無放坡空間，必須垂直開挖。

(2)基坑施工過程中需保護(hù)的老舊建筑物、市政道路及周邊地下管線，對變形控制要求較高。

(3)基坑開挖面積雖不大，但基坑開挖深度較大，業(yè)主對工程造價和工期要求均較高。

(4)當(dāng)?shù)兀?0．0 m的基坑較少，且無樁撐施工先例。

2．2 基坑支護(hù)設(shè)計原則及目標(biāo)

(1)基坑支護(hù)設(shè)計原則。鑒于本工程的復(fù)雜性與特殊性，必須以巖土力學(xué)作為理論基礎(chǔ)，以信息化施工法，現(xiàn)場監(jiān)測的資料作為反饋信息，借助工程經(jīng)驗，對設(shè)計方案等進(jìn)行再驗證，及時補(bǔ)充、修改原設(shè)計，采用動態(tài)設(shè)計、信息化施工的方法。

基坑設(shè)計的整個過程綜合考慮設(shè)計、施工、工期、造價、氣候等諸因素，采用動態(tài)設(shè)計法及信息化施工法，以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計、降低造價和縮短工期的目的。

(2)基坑支護(hù)設(shè)計目標(biāo)。①基坑支護(hù)設(shè)計的首要目標(biāo)是確保坑內(nèi)工程樁及周邊建筑、環(huán)境的安全。②基坑支護(hù)設(shè)計必須充分考慮支護(hù)體施工工期，目標(biāo)是在安全的前提下盡可能地縮短施工工期。③在滿足安全可靠、技術(shù)可行、工期較短的前提下，充分利用一切有利條件，優(yōu)化支護(hù)設(shè)計方案，盡可能降低造價、節(jié)省投資。

2．3 方案優(yōu)化選擇

深基坑工程是一個集地下水控制、土方開挖、基坑支護(hù)及周邊環(huán)境保護(hù)于一體的綜合科學(xué)。其核心是基坑周邊環(huán)境保護(hù)，這也是基坑設(shè)計的主要目標(biāo)之一。

(1)地下水控制系統(tǒng)。根據(jù)勘察報告，結(jié)合孝感當(dāng)?shù)亟?jīng)驗，且本基坑施工時處于枯水季節(jié)，影響基坑施工的主要為賦存(1)層素填土中的上層滯水?；娱_挖時，對于上層滯水可采用明排措施解決。

(2)基坑支護(hù)及周邊環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)。本工程基坑周邊環(huán)境極為復(fù)雜，鄰近的建(構(gòu))筑物變形控制要求高，同時，由于基坑開挖深度較深，故整體上以采用樁撐支護(hù)結(jié)構(gòu)。

針對不同地段基坑開挖深度的差異以及基坑周邊環(huán)境的不同，本著滿足環(huán)境保護(hù)及變形要求的原則，設(shè)計時將基坑邊坡劃分為若干個不同的支護(hù)單元，對各單元的支護(hù)方案在定性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行定量計算分析。然后對整個圍護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行典型類比分析和綜合集成分析，要求每個單元既滿足自身的環(huán)境保護(hù)及變形要求，又能與相鄰單元協(xié)調(diào)一致。基坑西側(cè)作為基坑支護(hù)的重點部位，設(shè)計時通過在支護(hù)樁間采取高壓旋噴措施，以防止由于樁間土的流失，使基坑外側(cè)建筑造成不均勻性沉降。

在整個基坑設(shè)計與優(yōu)化過程中，充分考慮了孝感當(dāng)?shù)鼗庸こ淘O(shè)計與施工經(jīng)驗，認(rèn)真進(jìn)行了分析研究。

2．4 各區(qū)段支護(hù)設(shè)計方案

(1)基坑支護(hù)樁設(shè)計。支護(hù)樁樁型采用鉆孔灌注樁，樁身砼采用C30強(qiáng)度等級混凝土，基坑各段支護(hù)平面見圖2、圖3。

(2)冠梁設(shè)計。支護(hù)樁頂設(shè)置冠梁，增加樁排的整體剛度。

冠梁彎矩取最大彎矩設(shè)計值1 203．7 kN·m。冠梁尺寸為1 000 mm×800 mm，混凝土采用C30混凝土，受彎主筋采用HRB400級螺紋鋼，主筋9×Φ25，上下面筋2×2Φ25，箍筋A(yù)8@200 mm。

圖2 基坑支護(hù)平面布置圖Fig．2 Plane arrangement chart of foundation pit support

(3)換撐設(shè)計。逆工況涉及到換撐的設(shè)計，考慮到地下室結(jié)構(gòu)與支撐布置高度，除車道處外的逆工況設(shè)計外，整個基坑施工過程中需要進(jìn)行兩次換撐。

第一次換撐與地下結(jié)構(gòu)底板施工同時進(jìn)行，換撐截面根據(jù)底板邊與支護(hù)樁邊間距進(jìn)行調(diào)整，暫定為500 mm×1 500 mm。

(4)拆撐。支撐梁采用控制爆破法進(jìn)行拆除，必須堅持先換撐、回填再拆撐的原則，梁身施工應(yīng)預(yù)留藥眼(見圖4)。為避免爆破時對冠梁有撕裂性破壞，應(yīng)采用小孔徑(d=40 mm左右)，密布孔(300～400 mm)多段微差爆破技術(shù)，拆除按先連梁，再次梁，最后主梁的順序進(jìn)行，冠梁與支撐梁的連接處先切割隔開，保證冠梁及邊坡強(qiáng)度不受破壞。支撐爆破拆除應(yīng)由具有相應(yīng)資質(zhì)的單位實施，確?？觾?nèi)外的安全，同時注意保護(hù)周邊環(huán)境。

(5)立柱設(shè)計。為了減小支撐長細(xì)比，同時為了承受支撐的自重及施工誤差引起的偏心而產(chǎn)生的彎矩，在支撐中部設(shè)置立柱。立柱下段12 m采用灌注樁，樁頂標(biāo)高為基礎(chǔ)承臺底標(biāo)高，立柱樁配筋為12Φ20。上部采用4L140×140δ14等邊角鋼焊接成支架，角鋼下端插入灌注樁2．6 m。鋼架在承臺中段設(shè)計止水片一道。

圖3 基坑支護(hù)剖面圖Fig．3 Profile of foundation pit support

圖4 支撐預(yù)留炮眼詳圖Fig．4 Detailed drawing of pre-mold of blasting hole

(6)樁間土處理。帷幕的設(shè)置能有效地控制樁間水土流失問題，但樁間存在的土體，特別是上部雜填土還是會因干裂或遇水剝落。為控制樁間土體的剝落，在樁間采取掛鋼筋網(wǎng)噴射砼進(jìn)行處理。在支護(hù)樁上打入Φ12膨脹螺栓焊接固定鋼筋網(wǎng)片。

(7)坡頂?shù)着潘O(shè)計。為防止地表水從坡頂滲入邊坡，需要對坡頂以外1 m范圍內(nèi)的地面進(jìn)行硬化，坡頂排水溝沿硬化帶布設(shè)，排水溝內(nèi)凈空規(guī)格為300 mm×300 mm，溝壁采用素噴C20砼硬化處理，溝底坡率為 1．5‰。

坡底排水溝沿坑底坡腳設(shè)置，且應(yīng)在基坑開挖至基底前形成。基坑開挖后應(yīng)在基底做盲溝排水，主要為疏排坑內(nèi)積水、保護(hù)基底土層。排水溝規(guī)格為300 mm×300 mm。

坡底設(shè)置集水井，集水井應(yīng)設(shè)在基坑拐角處(長邊可在中間增加集水井)。集水井規(guī)格800 mm×800 mm×800 mm。

(8)樁間高壓旋噴。為了基坑西側(cè)孝南區(qū)財政局3F辦公樓的安全穩(wěn)定，在基坑西側(cè)支護(hù)樁間增加高壓旋噴，以防止樁間土及樁間砂層的流失，造成房子的不穩(wěn)定性沉降。

3 計算分析

3．1 支護(hù)樁設(shè)計計算

(1)AB段計算深度9．0 m，樁身承受彎矩值為285．0 kN·m，剪力值為145．0 kN，樁身設(shè)計彎矩值為462．0 kN·m，設(shè)計樁長 15．0 m，樁徑 0．8 m，樁間距1．4 m，配筋采用16Φ25 鋼筋。

(2)BC、DE段計算深度9．0 m，樁身承受彎矩值為357．0 kN·m，剪力值為182．0 kN，樁身設(shè)計彎矩值為578．0 kN·m，設(shè)計樁長 15．5 m，樁徑 0．8 m，樁間距1．4 m，配筋采用18Φ25鋼筋。

(3)CD段計算深度10．4 m，樁身承受彎矩值為505．0 kN·m，剪力值為245．0 kN，樁身設(shè)計彎矩值為818．0 kN·m，設(shè)計樁長 17．5 m，樁徑 0．8 m，樁間距1．3 m，配筋采用24Φ25鋼筋。

(4)EF段計算深度9．0 m，樁身承受彎矩值為350．0 kN·m，剪力值為169．0 kN，樁身設(shè)計彎矩值為567．0 kN·m，設(shè)計樁長 15．5 m，樁徑 0．8 m，樁間距1．4 m，配筋采用18Φ25鋼筋。

(5)FA段計算深度9．0 m，樁身承受彎矩值為448．0 kN·m，剪力值為219．0 kN，樁身設(shè)計彎矩值為726．0 kN·m，設(shè)計樁長 16．0 m，樁徑 0．8 m，樁間距1．3 m，配筋采用22Φ25 鋼筋。

3．2 支撐梁設(shè)計計算

整個基坑支撐布置形式為桁架角撐，平面布置見圖5。

圖5 支撐平面布置圖Fig．5 Plane arrangement chart of support

根據(jù)各桿件受力情況，經(jīng)過計算，在整個支撐體系中存在有2種支撐截面形式，分別用L1、L2表示。其截面形式與相關(guān)參數(shù)如下:

主支撐桿件L1截面為900 mm×800 mm，桿件長度10 400．00 mm，混凝土采用C30混凝土，支撐桿件軸力設(shè)計值4 110．00 kN，彎矩為198 kN·m，L1支撐桿件上下均配5Φ20，左右均配4Φ20，上下、左右均采用A8@200四肢箍。

次支撐桿件L2截面為600 mm×700 mm，桿件長度7 200．00 mm，混凝土采用C30混凝土，支撐桿件軸力設(shè)計值2 276．00 kN，彎矩為84 kN·m，L2支撐桿件上下均配3Φ20，左右均配3Φ22，上下、左右均采用A8@200四肢箍。

梁配筋詳見圖6。

3．3 立柱及鋼格構(gòu)設(shè)計計算

(1)立柱計算。支撐重量按1/2分擔(dān)法確定，樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值=水平支撐及立柱自重+支撐活載。

圖6 支撐梁配筋圖Fig．6 Reinforcement drawing of support beam

節(jié)點承受支撐最大重量約656 kN，鋼立架重量約30 kN。

立柱抗壓總荷載標(biāo)準(zhǔn)值P=656+30=686 kN，設(shè)計值686×1．35 ×1．0=926．1 kN。立柱樁樁徑 800 mm，立柱樁長為12．00 m，經(jīng)驗算，立柱樁抗壓、抗拔均滿足要求。

(2)立柱鋼架驗算?？偤奢d標(biāo)準(zhǔn)值686 kN，鋼架長度取為8．60 m。立柱鋼架按下端固結(jié)，上端鉸接，長度系數(shù)取為0．8。立柱鋼架選4支L140×14角鐵，方鋼綴條，間距800 mm，長410 mm，綴條寬200 mm，厚10 mm。驗算結(jié)果，強(qiáng)度及穩(wěn)定性安全系數(shù)均＞1．2。

4 工程監(jiān)測

4．1 監(jiān)測點布設(shè)

此次監(jiān)測的主要內(nèi)容有基坑的水平位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)土體深層位移、立柱樁的豎向位移、支撐軸力、周邊建筑變形、周邊管線變形。

在點位布設(shè)時，主要考慮以下幾個方面:

(1)對圍護(hù)體系支撐系統(tǒng)中相當(dāng)敏感的區(qū)域加密測點數(shù)和項目，進(jìn)行重點監(jiān)測。

(2)對勘察工程中發(fā)現(xiàn)地質(zhì)變化起伏較大的位置、施工過程中有異常的部位進(jìn)行重點監(jiān)測。

(3)除關(guān)鍵部位布設(shè)測點外，在系統(tǒng)性的基礎(chǔ)上均勻布設(shè)監(jiān)測點。

4．2 監(jiān)測結(jié)果

基坑監(jiān)測工作自2014年3月10日支護(hù)樁施工開始，監(jiān)測工作緊隨工程進(jìn)展，在圍護(hù)樁及各層樓板、支撐施工時同步埋設(shè)各類監(jiān)測元件、布設(shè)監(jiān)測點(完成各類監(jiān)測工作量見表3)，到2014年9月10日，第一道支撐破撐結(jié)束，監(jiān)測數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定為止，總歷時6個月。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析(見圖7-圖10)，基坑各監(jiān)測點的變形數(shù)據(jù)均在設(shè)計驗算范圍內(nèi)。

圖7 基坑頂部垂直位移變化曲線(坑頂01號點)Fig．7 Change curve of vertical displacement of top foundation pit

表3 監(jiān)測工作量統(tǒng)計表Table 3 Statistical table of monitoring workload

圖8 立柱樁垂直位移變化曲線(立柱01號點)Fig．8 Change curve of vertical displacement of erect column

基坑頂部變形監(jiān)測共設(shè)置15個監(jiān)測點，其最大變形點為坑頂01號點(變形曲線見圖7)，水平位移為9．0 mm，設(shè)計值為18．0 mm。由于該點處于電梯井處，開挖深度大于其他段的開挖深度，可能是該處土壓力過大使圍護(hù)樁發(fā)生位移。支撐梁應(yīng)力共設(shè)置32個監(jiān)測點，最大軸力監(jiān)測點為支撐04號點(應(yīng)力變化曲線見圖9)，測得軸力為4 100 kN，設(shè)計值為4 110 kN，基本達(dá)到設(shè)計值，其他的均遠(yuǎn)小于設(shè)計值。周邊建筑物沉降共布設(shè)55個監(jiān)測點，最大沉降點為建筑03號點(位移變化曲線見圖10)，最大位移為10．5 mm。該點位于文化路，由于該處支護(hù)樁樁間土局部流失較大，造成沉降量相對其他監(jiān)測點較大。但該點沉降值與設(shè)計及規(guī)范變形允許值相比均滿足要求。

圖9 支撐梁應(yīng)力變化曲線(支撐04號點)Fig．9 Change curve of beam supporting stress

圖10 周邊道路和建筑物垂直位移變化曲線(建筑03號點)Fig．10 Change curve of vertical displacement of surrounding roads and buildings

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果和工程實際情況，本基坑工程開挖所產(chǎn)生的變形值均在設(shè)計允許范圍內(nèi)，滿足規(guī)范規(guī)定的一級基坑變形控制值。在基坑的開挖、換撐、回填過程中，未對周邊、道路建筑造成影響，本基坑設(shè)計與施工取得圓滿成功。

5 結(jié)語

(1)基坑圍護(hù)樁開始施工，到拆撐完成，圍護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)受了大開挖等外力的考驗，由于采取了科學(xué)的施工流程，周密的監(jiān)測手段，成功地保障了周邊建筑、地下管線及圍護(hù)結(jié)構(gòu)正常運行。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析，基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)與設(shè)計計算值基本吻合，也表明了本基坑方案是成功的。

(2)本設(shè)計對壓桿穩(wěn)定進(jìn)行了深入研究，計算時結(jié)合了鋼結(jié)構(gòu)理論及其他相關(guān)的設(shè)計規(guī)范，通過實踐證明，本次設(shè)計的支撐體系能夠滿足工程要求。壓桿穩(wěn)定的計算方法應(yīng)用的成功，證明了本次支撐立柱計算方法的可行性。

(3)在設(shè)計過程中，專家提出要充分考慮內(nèi)支撐力的平衡，否則可能對臨近已建建筑，特別是對已有地下室外墻造成影響，在今后的設(shè)計中將借鑒本次工程的經(jīng)驗，不斷細(xì)化和完善設(shè)計理念。

(4)本基坑方案為孝感市第一例采用內(nèi)支撐支護(hù)形式的基坑，內(nèi)支撐支護(hù)方案在實際應(yīng)用中獲得成功，為今后在孝感地區(qū)的基坑工程設(shè)計、施工、監(jiān)測等提供了可借鑒的經(jīng)驗。

(5)通過計算值與監(jiān)測值的對比，實測變形值均小于設(shè)計值，并且大部分遠(yuǎn)小于設(shè)計值。數(shù)據(jù)表明，本設(shè)計在滿足安全可靠、技術(shù)可行的前提下，還可以充分利用一切有利條件，進(jìn)一步優(yōu)化支護(hù)設(shè)計方案。為在以后類似項目的設(shè)計中提供借鑒。

(6)基坑設(shè)計是一項復(fù)雜、嚴(yán)謹(jǐn)、綜合性很強(qiáng)的工作，涉及巖土、結(jié)構(gòu)等多方面的學(xué)科，不確定因素很多。這就要求在設(shè)計和施工過程中要認(rèn)真仔細(xì)，考慮每一個可能影響的因素，同時特別要注重現(xiàn)場環(huán)境的調(diào)研，遵循“信息法”原則，勤監(jiān)測，勤巡視，及時反饋信息，并根據(jù)信息指導(dǎo)施工、優(yōu)化設(shè)計。只有本著對人民群眾生命財產(chǎn)高度負(fù)責(zé)的態(tài)度，才能設(shè)計出安全可靠的方案。

［1］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程:JGJ 120—2012［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012．

［2］ 湖北省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳，湖北省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局．基坑工程技術(shù)規(guī)程:DB42/T159—2012［S］．武漢:湖北省建設(shè)工程標(biāo)準(zhǔn)定額管理總站，2012．

［3］ 武漢市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會．武漢市基坑工程設(shè)計文件編制規(guī)定:WBJ-1—2014［S］．武漢:武漢市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會，2014．