復(fù)雜環(huán)境條件下的深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與分析

張萌萌

（上海勘察設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司 上海 200082）

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市地下空間開發(fā)工程發(fā)展迅速。越來越多的基坑工程呈現(xiàn)出周邊環(huán)境復(fù)雜敏感的特點(diǎn)［1-4］，進(jìn)行此類基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，需結(jié)合周邊環(huán)境條件、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、基坑輪廓、施工要求等情況，進(jìn)行圍護(hù)方案比選，確保周邊環(huán)境安全、支護(hù)方案經(jīng)濟(jì)合理［5-7］。本文對(duì)上海地區(qū)某周邊環(huán)境復(fù)雜的深基坑的設(shè)計(jì)方案、計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了介紹，分析比選了不同影響因素對(duì)基坑變形的影響規(guī)律［8-9］，以期為類似基坑工程的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

某工程位于上海市普陀區(qū)，總建筑面積14 385 m2，其中地上建筑面積10 032 m2，地下建筑面積4 353 m2。本項(xiàng)目地上為4～5層的3 棟辦公樓，地下1層整體地下室，主體結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)。各塔樓及地庫的基礎(chǔ)形式為樁基承臺(tái)+防水板，其中工程樁為鉆孔灌注樁。主樓區(qū)域工程樁持力層為⑦細(xì)砂層，地庫區(qū)域工程樁持力層為⑤3粉質(zhì)粘土層。本工程的基坑普遍區(qū)域挖深為7.0 m，基坑開挖面積為4 500 m2，尺寸為105 m（長(zhǎng)）×43.5 m（寬）。

1.2 周邊環(huán)境

基坑周邊環(huán)境較為復(fù)雜，其中南側(cè)、西側(cè)、北側(cè)均有已建住宅，建筑年代均為20 世紀(jì)90年代。

基坑南側(cè)共3 棟已建住宅（磚混結(jié)構(gòu)），其中1 棟住宅樓（7層）基礎(chǔ)形式為200 mm×200 mm 預(yù)制混凝土方樁復(fù)合樁基，樁長(zhǎng)16 m，基礎(chǔ)持力層為⑤1粘土層；另外2 棟住宅樓（6層）基礎(chǔ)形式為天然筏基，基礎(chǔ)埋深2.1 m。基坑開挖邊線距離住宅邊線的距離約為11.70～14.05 m。

基坑西側(cè)有2 棟已建住宅（7層磚混結(jié)構(gòu)），基礎(chǔ)形式為復(fù)合樁基，基坑開挖邊線距離住宅邊線約14.24 m。

基坑北側(cè)共有2 棟已建住宅（磚混結(jié)構(gòu)），基礎(chǔ)形式為復(fù)合樁基?；娱_挖邊線距離住宅邊線最近處約17.96 m。

基坑西側(cè)南側(cè)有已建小區(qū)圍墻，距離基坑開挖邊線約 5.5～6.2 m。

基坑?xùn)|側(cè)有高架路，項(xiàng)目所在位置為高架起坡處，基坑開挖邊線距高架邊線最近處約34.69 m。道路下分布有給水、信息等市政管線，與基坑開挖邊線的最近距離為37.05 m。

1.3 工程地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)地屬長(zhǎng)江三角洲濱海平原相，本場(chǎng)地缺失上海地區(qū)第③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。擬建場(chǎng)地內(nèi)原有建筑物已拆除，現(xiàn)為空地，地勢(shì)較平坦。

基坑開挖深度影響范圍內(nèi)的土體主要為填土、粘土、粘質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粘土等，具體參數(shù)詳如表1所示。

表1 土性力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表Tab.1 Physico-mechanical Index Table

2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 基坑特點(diǎn)

綜合分析場(chǎng)地地理位置、土質(zhì)條件、基坑開挖深度及周圍環(huán)境的影響，本工程具有以下特點(diǎn)：

⑴本工程基坑開挖面積約4 500 m2，挖深7.0 m，開挖面積一般，挖深較深。

⑵基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，基坑南側(cè)、西側(cè)、北側(cè)三面均分布有6F～7F 住宅樓，基坑?xùn)|側(cè)為市政道路，基坑設(shè)計(jì)施工中應(yīng)確保周邊建筑物和道路的安全，采取相應(yīng)措施對(duì)其保護(hù)。

⑶施工空間緊張，基坑西側(cè)南側(cè)距離已建小區(qū)圍墻僅5.5～6.2 m。

⑷基坑開挖影響深度范圍內(nèi)涉及的土層主要為：②1粘土層、②3粘質(zhì)粉土層、④層淤泥質(zhì)粘土層。②3層粘質(zhì)粉土層，滲透系數(shù)為1.0E-04 cm/s，滲透系數(shù)較大，在動(dòng)水作用下易形成管涌、流沙現(xiàn)象，對(duì)基坑開挖有一定影響，對(duì)止水帷幕要求較高。④層土為典型的飽和軟粘土，土質(zhì)軟弱，具流變特性，容易產(chǎn)生坑底隆起，該類土土性較差，對(duì)控制基坑變形不利。

2.2 基坑支護(hù)方案選型

根據(jù)上海地區(qū)類似工程經(jīng)驗(yàn)，周邊環(huán)境保護(hù)要求較高且施工空間緊張的情況下，基坑工程的圍護(hù)方案一般選擇SMW 工法、鉆孔灌注樁。

考慮基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，且西側(cè)南側(cè)距已建小區(qū)圍墻很近，施工空間狹小。SMW 工法樁施工時(shí)對(duì)周邊環(huán)境有影響，且型鋼拔除時(shí)會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生二次變形，不利于周邊環(huán)境保護(hù)。故本工程圍護(hù)選型為鉆孔灌注樁+三軸攪拌樁止水帷幕+1道水平支撐。

2.3 基坑支護(hù)方案介紹

⑴圍護(hù)體系：普遍區(qū)域采用φ 800@1000 鉆孔灌注樁擋土，樁長(zhǎng)18.0 m；貼邊深坑處（落深1.4～1.6 m）采用φ 850@1 050 鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)22.0 m。采用3φ 850@1 200 三軸攪拌樁止水帷幕，樁長(zhǎng)14.0 m，鉆孔灌注樁與止水帷幕間設(shè)置壓密注漿。

⑵支撐體系：水平向設(shè)置一道混凝土支撐，考慮場(chǎng)地狹小，方便材料堆放及車輛行走，設(shè)置一道南北向棧橋。棧橋下立柱采用4L140×14 格構(gòu)柱；立柱樁采用φ 800 鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)25 m。非棧橋區(qū)域立柱采用4L125×12 格構(gòu)柱；立柱樁采用φ 700 鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)17 m。

南側(cè)靠近淺基礎(chǔ)房屋處，為控制基坑變形，設(shè)置斜拋撐換撐。換撐型鋼為H400×400×13×21，平均間距5.0m。

⑶坑內(nèi)加固：為控制南側(cè)區(qū)域圍護(hù)變形，基坑底設(shè)置雙軸攪拌樁裙邊加固，加固寬度5.2 m，加固深度自坑底以下5.0 m；加固體在坑底以上低摻量上翻至混凝土支撐底。

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

本文對(duì)典型剖面進(jìn)行計(jì)算分析。典型剖面1（見圖1a）基坑外側(cè)房屋為淺基礎(chǔ)，房屋本身抗變形能力差，引起的地面超載很大。為控制基坑變形，在混凝土支撐拆除前需增設(shè)型鋼換撐。典型剖面2（見圖1b）基坑外側(cè)房屋為復(fù)合樁基，房屋抗變形能力相對(duì)較強(qiáng)，復(fù)合樁基的存在使得房屋引起的地面超載相對(duì)小；僅設(shè)置1道混凝土支撐即可滿足對(duì)周邊環(huán)境保護(hù)的要求。

3.1 圍護(hù)剖面計(jì)算分析

根據(jù)文獻(xiàn)［10］，基坑設(shè)計(jì)安全等級(jí)為二級(jí)，基坑周邊環(huán)境等級(jí)為三級(jí)。根據(jù)規(guī)范要求，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移限值為0.5%H?？紤]到基坑周邊房屋年代久遠(yuǎn)，為加強(qiáng)對(duì)周邊房屋的保護(hù)，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)有房屋側(cè)環(huán)境要求適當(dāng)提高。基坑外側(cè)房屋為淺基礎(chǔ)處，圍護(hù)側(cè)向變形按照二級(jí)環(huán)境保護(hù)等級(jí)考慮，即基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移限值為0.3%H；基坑外側(cè)房屋為復(fù)合樁基處變形要求在此基礎(chǔ)上適當(dāng)放松，最大側(cè)移控制在24.5 mm 以內(nèi)。

對(duì)圍護(hù)體系采用基坑設(shè)計(jì)計(jì)算軟件FRWS8.2 進(jìn)行驗(yàn)算，圍護(hù)樁內(nèi)力及變形如圖2所示，穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如表2所示。由計(jì)算結(jié)果可知：各剖面計(jì)算位移及穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

3.2 基坑變形影響因素分析

基坑圍護(hù)變形的主要影響因素包括坑邊超載（含鄰近建筑、工程堆載及車輛荷載）與基坑的距離、圍護(hù)樁插入比、圍護(hù)樁直徑、坑邊加固形式等。

本文以基坑典型剖面2 為例，選取超載（本工程中為周邊房屋超載）與基坑邊距、圍護(hù)樁插入比（坑底以下部分樁長(zhǎng)/基坑挖深）、圍護(hù)樁直徑3 種變量因素進(jìn)行計(jì)算，分析不同變量對(duì)基坑變形的影響。

由圖3可知，坑邊超載在（0～1）H 范圍內(nèi)對(duì)基坑變形影響最為顯著，超載引起的附加變形為基坑變形值的0.4～0.1 倍；在此范圍，隨著超載距離增大，圍護(hù)變形呈指數(shù)下降。坑邊超載在（1～2）H 范圍內(nèi)對(duì)基坑變形影響較為明顯，超載引起的附加變形為基坑變形值的0.10～0.05 倍；坑邊超載在2H 以外對(duì)基坑變形影響較小。

圖1 基坑圍護(hù)典型剖面Fig.1 Typical Section of Foundation

圖2 圍護(hù)樁內(nèi)力與變形計(jì)算結(jié)果Fig.2 Internal Force and Deformation Calculation Results

表2 穩(wěn)定性計(jì)算匯總表Tab.2 Stability Calculation Summarization

圖3 坑邊超載/基坑挖深與圍護(hù)變形關(guān)系圖Fig.3 Relationship between Pit Side Overload/Foundation Depth and Retaining Pile Deformation

由圖4可知，基坑變形隨著插入比的增大有減小趨勢(shì)，當(dāng)插入比增大到一定程度后，基坑變形不隨插入比的增大進(jìn)一步減?。换幼冃谓^對(duì)數(shù)值隨圍護(hù)樁插入比變動(dòng)幅度不大。本工程計(jì)算結(jié)果表明：基坑為地下1層且外側(cè)超載較大，圍護(hù)樁插入比由整體穩(wěn)定性指標(biāo)控制。

由圖5可知，隨著圍護(hù)樁樁徑的增大，基坑變形顯著減小。可見：對(duì)于類似本項(xiàng)目的基坑增大樁徑可顯著控制基坑變形，但圍護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)需兼顧安全性及經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)時(shí)可對(duì)不同樁徑進(jìn)行比選，將基坑變形控制在合理的范圍內(nèi)。

圖4 基坑圍護(hù)插入比與圍護(hù)變形關(guān)系圖Fig.4 Relationship between Foundation Pit Insertion Ratio and Retaining Pile Deformation

圖5 圍護(hù)樁直徑與圍護(hù)變形關(guān)系圖Fig.5 Relationship between Retaining Pile Diameter and Retaining Pile Deformation

5 結(jié)語

⑴本工程位于上海軟土地區(qū)，土質(zhì)條件差，周邊環(huán)境復(fù)雜，設(shè)計(jì)采用了鉆孔灌注樁加一道鋼筋混凝土支撐的設(shè)計(jì)方法，經(jīng)實(shí)踐證明，基坑圍護(hù)及周邊房屋變形量很小，取得了良好的效果?？蔀轭愃苹庸こ讨ёo(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

⑵基坑外側(cè)超載與基坑邊的距離對(duì)基坑變形影響顯著，有條件的情況下，施工超載盡量遠(yuǎn)離坑邊設(shè)置?？舆叧d在（0～1）H 范圍內(nèi)對(duì)基坑變形影響最為顯著，超載引起的附加變形為基坑變形值的0.4～0.1倍；坑邊超載在（1～2）H 范圍內(nèi)對(duì)基坑變形影響較為明顯，超載引起的附加變形為基坑變形值的0.10～0.05倍；坑邊超載在2H 以外對(duì)基坑變形影響較小。

⑶基坑變形隨著插入比的增大有減小趨勢(shì)，當(dāng)插入比增大到一定程度后，基坑變形不隨插入比的增大而進(jìn)一步減小。

⑷圍護(hù)樁樁徑增大對(duì)于變形控制效果顯著?；釉O(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理選擇變形控制目標(biāo)，對(duì)不同樁徑進(jìn)行比選，將基坑變形控制在合理的范圍內(nèi)，兼顧基坑工程的安全性與經(jīng)濟(jì)性。