高層建筑深基坑支護(hù)設(shè)計探究

周開永

江西省贛西土木工程勘測設(shè)計院

1 工程概況

1.1 項目概況

南昌市某城市棚戶區(qū)改造安置房建設(shè)項目位于南昌市羅家西路以東、南鋼鐵路專用線以南、羅家中路以西、廣州路以北。擬建項目建筑物由八棟高層建筑和一棟商業(yè)樓組成，設(shè)置一層整體地下室，框剪結(jié)構(gòu)。地下室占地面積約30700m2，基坑周長約1000m，地面整平標(biāo)高19.5m，基坑承臺底標(biāo)高13.00m，基坑開挖深度為6.5m，基坑安全等級為二級。

1.2 周邊環(huán)境

根據(jù)本項目工程周邊地下管線資料，擬建場地東側(cè)及南側(cè)有較多市政給排水、電力以及電信管線等分布，基坑西側(cè)羅家西路道路下埋設(shè)各種給排水及雨污水管線，周邊管線較多，為避免基坑開挖過程因出現(xiàn)過大變形而對管線造成不良影響，須合理選擇基坑開挖支護(hù)方案，以有效確?；又苓吂芫€的安全。

1.3 地質(zhì)水文

擬建場地位于江西省南昌市青山湖區(qū)，根據(jù)場地實際地質(zhì)勘察結(jié)果分析，擬建場地地層結(jié)構(gòu)主要分為第四系人工填土（Q4ml）、第四系上更新統(tǒng)沖積層（Q4al、Q3al）及第三系新余群（Exn）組成。按巖性及其工程特性，自上而下依次劃分為：①雜填土→②-1粉質(zhì)黏土→②-2細(xì)砂→③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土→④粉質(zhì)黏土→⑤粗砂→⑥礫砂→⑦圓礫→⑧-1強(qiáng)風(fēng)化風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖→⑧-2中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖組成。③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土呈高壓縮性，高含水率、土質(zhì)軟弱等不良地質(zhì)特點，物理力學(xué)性質(zhì)相對較差，尤其在外荷載下土體強(qiáng)度極易降低，開挖中應(yīng)盡量避免土體擾動。

場地內(nèi)地下水主要為松散巖類孔隙水，主要賦存于第四系沙礫層中，②-1粉質(zhì)黏土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及④層粉質(zhì)黏土為其相對隔水頂板，下伏基巖為相對隔水層底板?？辈炱陂g屬豐水期，實測該層地下水穩(wěn)定水位高程為9.94m～14.47m，平均穩(wěn)定水位高程為12.70m，水位年變幅1.5m～3.0m。考慮水位變幅影響，設(shè)計地下水位標(biāo)高取15.00m。基坑支護(hù)設(shè)計巖土參數(shù)建議值如表1所示（表中帶“*”為經(jīng)驗值）、

表1 基坑支護(hù)設(shè)計巖土參數(shù)

③④⑤⑥⑦淤泥質(zhì)粉黏土粉質(zhì)黏土粗砂礫砂圓礫17.9 18.9 19.5 20.0 20.4 8.4 17.0 0 0 0 6.4 15.2*34*38*42*2E-05*3E-05*2.0E-02*8.6E-02*1.4E-01

2 高層建筑深基坑支護(hù)設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

深基坑支護(hù)設(shè)計，不僅關(guān)系基坑開挖、周邊環(huán)境的安全，而且還直接影響土方開挖、地下結(jié)構(gòu)的成本，其支護(hù)類型多種多樣，主要分為土釘墻、排樁（灌注樁、攪拌樁、旋噴樁等）、地下連續(xù)墻與錨桿組合等，因此，在深基坑支護(hù)設(shè)計時必須綜合考量多方面影響支護(hù)穩(wěn)定性、可行性、經(jīng)濟(jì)性等多方面因素，并遵循如下設(shè)計原則：（1）深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級為二級，深基坑重要性系數(shù)為1.0，地面超載值為20kPa。（2）深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)結(jié)合建筑地下室邊墻的外界尺寸，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范運行的結(jié)構(gòu)受力、變形情況以及施工誤差等予以合理放線施工，同時，還要能夠滿足建筑地下室對于凈空的要求。（3）深基坑支護(hù)計算采用同濟(jì)啟明星基坑計算分析軟件，施工階段控制支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大變形量中，側(cè)向位移不得超過允許的變形值40mm，地表沉降不得超過允許沉降量30mm，周邊鄰近管線沉陷量控制不得超過10mm。

2.2 方案比選

基坑支護(hù)是個系統(tǒng)工程，不僅需要受力合理，同時要方便施工，工期可控，因此，在方案的選取時應(yīng)綜合不同地質(zhì)條件、水文條件、周邊環(huán)境等多方面因素予以合理選取。該項目基坑開挖深度不大，周邊環(huán)境不復(fù)雜，但土質(zhì)較差，地下水位高。如果開挖過程中控制不當(dāng)，極有可能導(dǎo)致鄰近道路、管線失穩(wěn)，因此，本基坑支護(hù)設(shè)計的關(guān)鍵點，是采取合理的支護(hù)體和止水措施，以保證基坑開挖的快捷安全。

（1）支護(hù)形式。根據(jù)基坑地質(zhì)水文條件、周邊環(huán)境特點，結(jié)合類似工程經(jīng)驗，該工程建議采用順作法、整體開挖施工方案。根據(jù)南昌類似工程成功經(jīng)驗，基坑工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)一般有灌注樁、土釘墻等可供選擇，而這兩種支護(hù)形式又各有優(yōu)劣（見表2），就本項目而言，其適用性為：①灌注樁施工工藝簡單，灌注樁布置形式靈活，造價低，適用基坑開挖深度不大且周邊環(huán)境比較空曠的場地，本項目基坑符合該條件；②因場地有限不能提供足夠的空間放坡，因此土釘墻支護(hù)形式對本基坑不適用。

表2 灌注樁支護(hù)與土釘墻支護(hù)的優(yōu)劣對比

（2）降水措施。對地下水的處理，一般采取兩種思路，一是降低地下水位至基底，二是周邊用三軸攪拌樁或高壓旋噴樁，形成止水帷幕隔水?？紤]到本基坑周邊有施工道路及市政道路，降水對道路影響較大，因此采用第二種方式即止水措施。本基坑水頭差為2m、基巖埋深較深、周邊環(huán)境較簡單，但存在較厚的礫砂和圓礫層，且粒徑較大，三軸攪拌樁下鉆會很困難，因此采用樁間插入高壓旋噴樁懸掛式帷幕止水。為滿足地下室施工干作業(yè)，可設(shè)置降水井使基坑地下水位降至基底以下0.5m。

結(jié)合本工程的地質(zhì)水文情況、周邊環(huán)境因素，綜合考慮工程施工的可行性、安全性、經(jīng)濟(jì)性以及工期的可控性，基坑支護(hù)設(shè)計擬定方案為灌注樁懸臂支護(hù)，結(jié)合樁間插縫高壓旋噴樁帷幕止水方案。

2.3 方案設(shè)計

根據(jù)擬建場地工程地質(zhì)條件及水文條件，以及周邊道路及地下管線情況，采用灌注樁懸臂支護(hù)，并結(jié)合樁間插縫高壓旋噴樁帷幕止水。該高層建筑深基坑設(shè)計深6.5m，地下室結(jié)構(gòu)外邊線與用地紅線最小距離為7.5m，紅線以外為施工便道，無管線標(biāo)注。計算土層結(jié)構(gòu)大致為雜填土2.5m、粉質(zhì)黏土3.8m、淤泥質(zhì)黏土1.3m、粉質(zhì)黏土2.7m、粗砂3.4m、礫砂3.2m以及圓礫9.2m。

（1）灌注樁懸臂支護(hù)。基坑采用灌注樁樁徑1.1m懸臂支護(hù)、間距1.3m、樁長20m，樁間Φ700 插縫高壓旋噴樁，嵌固深度為14.4m，樁頂冠梁截面為1.2×0.9m。用該設(shè)計計算整體穩(wěn)定安全系數(shù)為2.78，抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)1.86，樁頂位移36.3mm，地面沉降21mm，均能滿足規(guī)范要求（基坑支護(hù)剖面圖如圖1）。

（2）高壓旋噴樁止水。由于本工程周邊市政道路較多，若采取降水則勢必會造成周邊道路發(fā)生沉降，因此，考慮采取止水措施，但本項目由于存在較厚的礫砂和圓礫層，故采取樁間插入高壓旋噴樁懸掛式帷幕止水，樁徑0.7m，樁長20m。

圖1 基坑支護(hù)剖面示意

3 高層建筑深基坑支護(hù)設(shè)計方案分析

3.1 基坑開挖對周邊環(huán)境的影響

通常而言，基坑開挖對周邊環(huán)境的影響主要包括以下幾個方面：（1）因基坑開挖卸載導(dǎo)致周邊建筑地基失穩(wěn)、沉降、開裂等；（2）軟弱土層地質(zhì)段嵌固深度不足致使坑底隆起；（3）由于開挖過程中地下水控制不當(dāng)導(dǎo)致管涌、水位下降等；（4）基坑開挖施工中，大型設(shè)備所導(dǎo)致的噪聲擾民或施工中產(chǎn)生的淤泥外排造成的環(huán)境污染等。因此，基坑開挖施工前，在深基坑支護(hù)設(shè)計階段，務(wù)須全面考量基坑周邊的環(huán)境因素，并通過合理可靠的支護(hù)加固及止水方案，確?；娱_挖過程的安全性與穩(wěn)定性。

由于建筑深基坑開挖施工的復(fù)雜性，使得無法完全模擬基坑開挖的實際過程，本項目深基坑支護(hù)設(shè)計采用同濟(jì)啟明星基坑開挖環(huán)境影響分析軟件JK3E 做有限元分析，選取最不利的DA段對基坑開挖環(huán)境影響分析。分析中土體采用三角形單元，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、鄰近基礎(chǔ)、工程樁和隧道采用梁單元，內(nèi)支撐采用彈簧?？紤]圍護(hù)結(jié)構(gòu)、鄰近基礎(chǔ)、工程樁和隧道與土體共同作用，在管線相應(yīng)位置建立節(jié)點，來間接反映基坑開挖對地下管線的影響，即不考慮管線自身的剛度影響。圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土之間設(shè)接觸面單元，周邊環(huán)境影響分析如下表3所示。

表3 深基坑開挖對周邊管線的影響

由上表管線1、管線2 的監(jiān)測及計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本項目中基坑開挖周邊管線的水平位移及最大沉降均滿足施工規(guī)范允許的位移與沉降值中10mm 的要求，因此，均滿足基坑開挖施工的相關(guān)要求。

3.2 基坑開挖的水平變形分布情況

水平變形分布情況（如圖2）。

圖2 水平變形等值線（范圍：-0.4mm～36.6mm，向坑內(nèi)為正）

表4 計算結(jié)果匯總

表4中理論計算結(jié)果表明，圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移最大值為36.6mm，周邊地表沉降最大值為24.2mm，臨近管線最大沉降為2.0mm，均滿足規(guī)范及設(shè)計要求。基坑開挖對周邊環(huán)境的影響在可控范圍之內(nèi)，在實際施工中還需加強(qiáng)施工監(jiān)測，進(jìn)行信息化施工。

4 結(jié)語

通過對深基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)予以科學(xué)比選、設(shè)計，既可確保建筑基礎(chǔ)開挖與結(jié)構(gòu)施工的安全，又可有效確保項目的經(jīng)濟(jì)收益與社會效益。而對于深基坑的支護(hù)設(shè)計應(yīng)從抗傾覆穩(wěn)定性與樁基嵌入巖深等多方面予以全面考慮，并以保障質(zhì)量與安全為根本前提，對支護(hù)方案予以合理選取，進(jìn)而確保支護(hù)結(jié)構(gòu)安穩(wěn)無隱患。本項目通過對基坑所在區(qū)域的地質(zhì)水文情況予以全面分析，從適用性與經(jīng)濟(jì)性等多方面對灌注樁支護(hù)與土釘墻支護(hù)兩類基坑支護(hù)方案以及諸類常用降水方案做比選分析，最終選定采取灌注樁懸臂支護(hù)結(jié)合樁間插縫高壓旋噴樁帷幕止水方案予以實踐應(yīng)用。經(jīng)專業(yè)軟件分析與施工實踐驗證，該方案很好地達(dá)成了既定基坑支護(hù)、止水目標(biāo)，確保了基坑結(jié)構(gòu)安穩(wěn)，保障了項目施工及周邊環(huán)境安全，對類似項目具備一定借鑒參考價值。