濟(jì)南地區(qū)典型基坑工程信息統(tǒng)計(jì)分析*

王國(guó)富 路林海 王婉婷 徐前衛(wèi) 王永吉

(1.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，250101,濟(jì)南；2.同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，201804,上海//第一作者，高級(jí)工程師)

近年來(lái)，隨著城市建設(shè)的發(fā)展，出現(xiàn)了越來(lái)越多的深基坑工程?；庸こ套鳛閹r土工程的重要組成部分，具有很強(qiáng)的區(qū)域性，不同的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件下，基坑工程的設(shè)計(jì)與施工方法差異較大。因此，必須結(jié)合具體的地域環(huán)境，開(kāi)展典型基坑工程信息的統(tǒng)計(jì)，以便更好地為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法和施工技術(shù)的不斷完善和進(jìn)步服務(wù)。

本文主要采用國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料查閱、工程現(xiàn)場(chǎng)資料調(diào)研和典型案例分析相結(jié)合的方法，對(duì)457個(gè)濟(jì)南地區(qū)基坑工程典型案例進(jìn)行了歸納和分類(lèi)[1～5]。內(nèi)容包括：典型地質(zhì)條件，基坑概況，基坑設(shè)計(jì)方案，以及關(guān)于基坑問(wèn)題的數(shù)值模擬計(jì)算等?？偨Y(jié)濟(jì)南地區(qū)既有基坑工程的特點(diǎn)，為今后濟(jì)南地區(qū)基坑工程的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 基坑工程典型地質(zhì)條件統(tǒng)計(jì)

1.1 典型土層及土性參數(shù)

濟(jì)南地區(qū)共分為以下11個(gè)區(qū)、縣(市)：歷下區(qū)、槐蔭區(qū)、天橋區(qū)、市中區(qū)、高新區(qū)、歷城區(qū)、長(zhǎng)清區(qū)、濟(jì)陽(yáng)縣、商河縣、平陰縣及章丘市。根據(jù)統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)基坑工程的工程地質(zhì)條件來(lái)看，不同地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)不盡相同?？傮w來(lái)看，濟(jì)南地區(qū)基坑工程影響范圍內(nèi)的場(chǎng)地揭露存在如下四類(lèi)典型地層：①人工填土/黏性土/砂性土地層,②人工填土/黏土—粉土地層,③人工填土/黏性土/碎石/巖石(殘積土)地層,④人工填土/黏性土/粉細(xì)砂—中細(xì)砂地層。大多數(shù)基坑工程都位于此四類(lèi)典型地層或由其組成的混合地層中。

表1給出了對(duì)所收集資料統(tǒng)計(jì)得到的濟(jì)南地區(qū)基坑工程典型巖土體物理力學(xué)參數(shù)的參考指標(biāo)。

統(tǒng)計(jì)資料中所有基坑工程揭露層土體中均包括沖積平原松軟堆積、山前沖積平原松軟、松散堆積及河谷平原松散堆積物，其堆積物中的粉土、粉質(zhì)黏土、黏土等工程地質(zhì)性能良好，地基允許承載力較高，適宜作為建筑地基。

揭露層土體中黏性土層中部分黃土為濕陷性黃土。濕陷性黃土是一種會(huì)在上覆土層自重應(yīng)力作用下，或者在自重應(yīng)力和附加應(yīng)力共同作用下，因浸水后土的結(jié)構(gòu)破壞而發(fā)生顯著附加變形的黃土，屬于特殊土。濕陷性黃土的這種特性，會(huì)導(dǎo)致地基上部結(jié)構(gòu)大幅度沉降變形或折裂傾斜，影響結(jié)構(gòu)正常使用和安全性能。目前，針對(duì)濕陷性黃土的地基處理方法有很多種，根據(jù)不同地基土質(zhì)選用不同的處理方法，常用的方法有墊層法、強(qiáng)夯法和擠密法[6]等。

表1 濟(jì)南地區(qū)巖土物理力學(xué)參數(shù)參考指標(biāo)

1.2 地下水類(lèi)型

濟(jì)南地區(qū)不同區(qū)位地下水位埋深不盡相同，主要統(tǒng)計(jì)了地下水類(lèi)型。濟(jì)南地區(qū)地下水賦存類(lèi)型主要包括以下四類(lèi)：

1) 松散層孔隙水，即第四系孔隙潛水；

2) 侵入巖裂隙水，主要賦存于巖漿巖風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙中，即基巖風(fēng)化裂隙水；

3) 碳酸鹽巖裂隙巖溶水，含水介質(zhì)為石灰?guī)r，多為承壓水，即奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組；

4) 承壓水，即埋藏在地表以下兩個(gè)隔水層之間具有壓力的地下水。

四種類(lèi)型地下水受到相鄰隔水層的控制，雖然形成了各自獨(dú)立的循環(huán)條件，但因受構(gòu)造作用影響，在地下水總循環(huán)中又有機(jī)地聯(lián)系在一起。場(chǎng)地地下水為第四系孔隙潛水與基巖裂隙水，主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水及地下徑流。

2 基坑工程分類(lèi)信息統(tǒng)計(jì)

2.1 基坑工程概況

2.1.1 基坑開(kāi)挖深度

根據(jù)中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2009年印發(fā)的《危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程安全管理辦法的通知》規(guī)定：一般深基坑是指開(kāi)挖深度超過(guò)5 m或地下室三層以上，或深度雖未超過(guò)5 m，但地質(zhì)條件和周?chē)h(huán)境及地下管線特別復(fù)雜的工程。根據(jù)既有的濟(jì)南地區(qū)典型基坑工程實(shí)例，將基坑工程依據(jù)開(kāi)挖深度的不同依次分為以下六個(gè)類(lèi)別：淺基坑(<5 m)、常深基坑(5 m≤·<8 m)、中深基坑(8 m≤·<13 m)、頗深基坑(13 m≤·<22 m)、特深基坑(22 m≤·≤30 m)以及超深基坑(>30 m)。由圖1可以看出，濟(jì)南地區(qū)既有基坑工程中，基坑開(kāi)挖深度主要集中在常深基坑和中深基坑兩個(gè)范圍內(nèi)，據(jù)統(tǒng)計(jì)現(xiàn)階段開(kāi)挖深度最大的是某科研樓樁基工程，基坑深度為30 m。

圖1 濟(jì)南地區(qū)基坑工程類(lèi)型分布

2.1.2 基坑工程位置

統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)的基坑工程，在濟(jì)南地區(qū)的區(qū)域分布情況如圖2所示。濟(jì)南地區(qū)的基坑工程主要分布在歷下區(qū)、槐蔭區(qū)及天橋區(qū)等城市繁華地段。不同區(qū)域由于區(qū)域性性質(zhì)不同，各種基坑類(lèi)型分布也不相同。對(duì)于比較繁華的歷下區(qū)、槐蔭區(qū)及天橋區(qū)等區(qū)域，基坑類(lèi)型比較豐富，且以常深基坑和中深基坑為主。其他各區(qū)域由于區(qū)域功能和性質(zhì)的限制，基坑類(lèi)型相對(duì)不是很豐富。尤其是濟(jì)陽(yáng)縣和商河縣，在信息統(tǒng)計(jì)中基坑工程數(shù)量較少，且都是常深基坑工程。淺基坑工程多分布在歷下區(qū)、槐蔭區(qū)、天橋區(qū)及市中區(qū)等城市中心地段；常深基坑、中深基坑在各區(qū)域都有所分布，但也是主要分布在城市中心的繁華地段；頗深基坑在各個(gè)區(qū)域都有所分布；特深基坑主要分布在歷下區(qū)、市中區(qū)和高新區(qū)。歷下區(qū)和市中區(qū)處于繁華地段，高新區(qū)作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)頗深基坑工程較多。

圖2 濟(jì)南地區(qū)基坑工程分布

2.2 基坑設(shè)計(jì)方案

2.2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)須結(jié)合場(chǎng)地工程地質(zhì)和水文地質(zhì)、基坑開(kāi)挖深度、施工條件、場(chǎng)地周邊環(huán)境等眾多客觀因素而定。常見(jiàn)的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式分類(lèi)如圖3所示。

圖3 常見(jiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)分類(lèi)

信息統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，濟(jì)南地區(qū)既有基坑工程共采用過(guò)以下九種支護(hù)結(jié)構(gòu)：土釘墻(復(fù)合土釘墻)、噴錨支護(hù)、樁錨、鋼管樁、灌注樁排樁、地下連續(xù)墻、高壓旋噴樁墻、CFG(水泥粉煤灰碎石樁)墻以及微型樁。實(shí)際基坑工程由于基坑開(kāi)挖面積較大，不同開(kāi)挖區(qū)域地質(zhì)條件和水文條件不同，常采用以上九種支護(hù)結(jié)構(gòu)的組合支護(hù)方案。濟(jì)南地區(qū)基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)分類(lèi)情況如圖4所示。

圖4 濟(jì)南地區(qū)基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)分類(lèi)

在濟(jì)南地區(qū)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件下，土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑工程中的應(yīng)用占了較大的比重，其次是噴錨支護(hù)。實(shí)際上，工程多采用復(fù)合土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)。復(fù)合土釘墻支護(hù)是一種將土釘墻與深層攪拌樁、旋噴樁、各種微型樁、鋼管及預(yù)應(yīng)力錨桿等結(jié)合起來(lái)，根據(jù)具體工程條件進(jìn)行多種組合而形成的一種復(fù)合基坑支護(hù)。統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)絕大部分基坑工程都是常深基坑和中深基坑，基坑開(kāi)挖深度在此范圍內(nèi)且土質(zhì)較好的基坑工程采用土釘墻或復(fù)合土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)形式是較為合理的方法[7]。對(duì)于常深基坑、中深基坑以及頗深基坑所用支護(hù)結(jié)構(gòu)形式較為豐富，根據(jù)濟(jì)南地區(qū)工程地質(zhì)條件來(lái)看，基坑開(kāi)挖深度在5～22 m之間地層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，地下水也較為豐富，所以針對(duì)不同地質(zhì)條件要采用靈活多變的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

2.2.2 降水排水設(shè)計(jì)

合理確定控制地下水的方案是保證工程質(zhì)量、加快工程進(jìn)度、取得良好社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵。通常應(yīng)根據(jù)地質(zhì)、環(huán)境和施工條件以及支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等因素綜合考慮。地下水控制方法有集水明排法、降水法、截水和回灌等方法。由于通常采用地下連續(xù)墻、高壓旋噴等形式的封閉止水帷幕，阻擋了地下水向坑內(nèi)滲透，故坑內(nèi)多采用管井降水來(lái)降低地下水位[8]。

據(jù)信息統(tǒng)計(jì)，濟(jì)南地區(qū)基坑工程的降水、排水方法有集水明排法、管井井點(diǎn)降水法、輕型井點(diǎn)降水法、深井泵降水法等；部分地下水較豐富地區(qū)增設(shè)了高壓旋噴樁或雙排深層攪拌樁作為止水帷幕；部分地區(qū)為防止回灌，在基坑四周設(shè)置了回灌井；部分地表水豐富地區(qū)設(shè)置了擋水墻。濟(jì)南地區(qū)的基坑降水、排水方案設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 濟(jì)南地區(qū)降水排水方案設(shè)計(jì)

濟(jì)南地區(qū)基坑工程大部分采用管井井點(diǎn)降水或輕型井點(diǎn)降水相結(jié)合的集水明排法來(lái)控制地下水；80%的區(qū)域采用了高壓旋噴樁或水泥攪拌樁樁作為止水帷幕，說(shuō)明濟(jì)南地區(qū)地下水比較豐富；只有少部分地區(qū)需采用擋水墻截水，說(shuō)明濟(jì)南地區(qū)地表降水不是特別豐富。濟(jì)南地區(qū)常深基坑和中深基坑場(chǎng)地所揭露范圍內(nèi)地下水較為豐富，需采用多項(xiàng)降水排水方案相結(jié)合的方式，才能有效控制地下水對(duì)于基坑及周?chē)ㄖ锏挠绊憽?/p>

2.2.3 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

基坑工程的監(jiān)測(cè)既是檢驗(yàn)基坑設(shè)計(jì)理論正確性和發(fā)展設(shè)計(jì)理論的重要手段，又是及時(shí)指導(dǎo)正確施工、避免基坑工程事故發(fā)生的必要措施?；庸こ痰沫h(huán)境監(jiān)測(cè)主要指的是在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，用科學(xué)儀器設(shè)備和手段對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境(如土體、建筑、道路和地下設(shè)施等)的各項(xiàng)指標(biāo)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。基坑的信息化施工是指充分利用前期基坑開(kāi)挖監(jiān)測(cè)到的巖土及結(jié)構(gòu)體變化和行為的大量信息，通過(guò)與勘察、設(shè)計(jì)的比較分析，反饋和修正巖土力學(xué)參數(shù)，預(yù)測(cè)后續(xù)工程可能出現(xiàn)的新行為，進(jìn)行施工設(shè)計(jì)與施工組織的優(yōu)化。嚴(yán)格按照監(jiān)測(cè)方案對(duì)基坑變形重要部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，記錄其變化情況并進(jìn)行綜合分析，及時(shí)掌握基坑變形發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)保證深基坑工程安全、快速的施工，具有十分重要的意義[9]。

根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果，將基坑工程監(jiān)測(cè)內(nèi)容、對(duì)象與方法歸納總結(jié)如表2所示。

表2 基坑工程監(jiān)測(cè)內(nèi)容及對(duì)象與方法

3 基坑研究現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)

3.1 研究方向

基坑的研究主要集中在兩個(gè)方面：變形和穩(wěn)定性研究。濟(jì)南地區(qū)基坑工程的研究方向：基坑開(kāi)挖變形分析,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,基坑降水對(duì)周?chē)ㄖ锏挠绊懛治?以及大面積基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)ㄖ锏挠绊懛治龅?。根?jù)統(tǒng)計(jì)資料整理出濟(jì)南地區(qū)基坑工程問(wèn)題的研究分類(lèi)如圖6所示。

3.2 研究方法

對(duì)于基坑工程問(wèn)題的研究一般都基于軟件計(jì)算或者模型分析。資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在基坑工程設(shè)計(jì)階段98%的工程采用理正深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)軟件，2%的工程采用同濟(jì)啟明星基坑軟件；在關(guān)于基坑問(wèn)題的數(shù)值模擬研究分析中，有70%的工程計(jì)算都采用FLAC3D有限元分析軟件進(jìn)行模擬分析，15%的工程采用ANASYS有限元分析軟件，7.6%的工程采用MIDAS/GTS軟件，7.6%的工程采用Plaxis軟件。

圖6 濟(jì)南地區(qū)基坑工程問(wèn)題研究分類(lèi)

資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，基坑工程采用FLAC3D模擬分析的過(guò)程中，對(duì)于土的本構(gòu)模型選擇有98%采用的是摩爾-庫(kù)倫模型，有2%采用Druker-Prager模型。一般用shell單元模擬鋼筋網(wǎng)混凝土面層，cable單元模擬錨桿和土釘。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 濟(jì)南地區(qū)工程地質(zhì)條件較好。場(chǎng)地內(nèi)揭露的地層結(jié)構(gòu)中的粉土、粉質(zhì)黏土、黏土等工程地質(zhì)性能良好；對(duì)于濕陷性黃土等不良土和特殊土，需在進(jìn)行基坑工程開(kāi)挖前要對(duì)地基進(jìn)行加固處理。

2) 濟(jì)南地區(qū)地下水類(lèi)型豐富。在進(jìn)行基坑開(kāi)挖之前，要根據(jù)場(chǎng)區(qū)勘察到的地下水位情況，進(jìn)行相應(yīng)的降水排水處理。常用的設(shè)計(jì)方案為管井井點(diǎn)或輕型井點(diǎn)降水并結(jié)合集水明排，以疏干排解地下水。

3) 濟(jì)南地區(qū)基坑工程大部分為常深基坑和中深基坑，多采用復(fù)合土釘墻或噴錨支護(hù)作為基坑開(kāi)挖的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

4) 濟(jì)南地區(qū)對(duì)于基坑工程的研究較為單一，針對(duì)傳統(tǒng)基坑工程變形和穩(wěn)定性的研究較為普遍。但對(duì)于開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)新型基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)方面并沒(méi)有很深的研究。