深基坑坑中坑開挖支護案例分析
——以合肥某污水處理廠為例①

裴寶家, 孟 源, 羅 睿

(1. 安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230601；2.中鐵四局集團有限公司第一分公司，安徽 合肥 230000)

0 引 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市的規(guī)模越來越大，更多的深基坑工程不斷出現(xiàn)。坑中坑是深基坑的重中之重，坑中坑的開挖與支護技術(shù)相對于普通深基坑的開挖其情況更為復(fù)雜。目前國內(nèi)學者對于坑中坑的研究相對較少，其中包小華從風險理念出發(fā)，運用模糊評判法研究了深基坑安全性的主要影響因素，對深基坑的安全風險進行評估[1]。戴錦程等人利用有限元數(shù)值模擬的方法對坑中坑內(nèi)外坑的樁撐支護和樁錨支護進行了模擬分析和理論計算驗證其支護方案的合理性[2]。袁釬 陳暢分別從施工和設(shè)計的角度介紹坑中坑的降水方式和支護方案[3～4]。結(jié)合前人的研究，從合肥市蜀山區(qū)新城污水處理廠的坑中坑案例著手，從設(shè)計、施工和基坑監(jiān)測的角度分析坑中坑的各項受力性能，開挖和支護過程，變形特點。

1 工程概況

1.1 概 述

基坑共分八個工作區(qū)，長約270m,寬204m,開挖面積約55080m2，場地周邊標高按30.50m～37.50m考慮，基底標高為12.10m～29.20m，基坑普遍挖深1.80m～18.90m。進水泵房位于八區(qū)，基低標高為12.10m,為坑中坑支護結(jié)構(gòu)，安全等級為一級，其余部位為二級?；蝇F(xiàn)場布置情況見圖1。

圖1 基坑現(xiàn)場分區(qū)圖

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

1.2.1 工程地質(zhì)

區(qū)域地層巖性主要為粉質(zhì)泥沙巖、砂巖、粉砂、礫巖等，表面主要為粘性土、粉土、砂土。第四世紀晚更新以來地殼活動比較緩慢，區(qū)域內(nèi)黃色粘性土特別發(fā)育。工程地質(zhì)原位試驗結(jié)果見表1，地層主要物理力學參數(shù)見表2。

表1 地質(zhì)情況及現(xiàn)場原位試驗結(jié)果

表2 各土層主要物理力學參數(shù)

1.2.2 水文地質(zhì)

(1)地表水

地表水主要存在于場地內(nèi)的水坑、水塘及廢棄水井內(nèi)。地勢呈東北高西北低，呈緩坡狀，暴雨季節(jié)地表水總體排泄暢通。

(2)地下水

地下水條件較為復(fù)雜。地下水類型為上層滯水及承壓水。測得上層滯水靜止水位埋深0.60m～1.20m，水位標高29.21m～-39.21m?？又锌踊讟烁?2.10m。地下水年變化幅度范圍約1.0m。②、③層粘土、④層粉質(zhì)粘土滲系數(shù)低，有一定的隔水效果。承壓水主要賦存于⑤層強風化砂質(zhì)泥巖及⑥層中風化砂質(zhì)泥巖中，其透性和連通性較好，貯水量較少，埋深較深，勘察期間未測得該層承壓水的穩(wěn)定的地下水位。

2 坑中坑支護設(shè)計方案及開挖方法

2.1 坑中坑典型斷面的支護方式

根據(jù)相關(guān)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定[5～6]，確定本基坑重要性等級進水泵房為一級，其他區(qū)段為二級，基坑有效使用期限12個月。西側(cè)標高坡頂標高為31m采用坡比為1:1的一級放坡，并設(shè)置土釘。進水泵房采用直徑為鉆孔灌注樁+上部一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐+底部和中部共兩道鋼管內(nèi)支撐。在坑中坑支護的設(shè)計計算過程中應(yīng)充分考慮地下水的水壓力和基坑開挖到標高為28.05m的位置的土壓力，同時考慮施工過程的荷載的影響。具體的坑中坑典型斷面如圖2。

圖2 支護結(jié)構(gòu)剖面圖

2.2 坑中坑支護的重難點

坑中坑西側(cè)與南側(cè)為3m寬平臺，平臺標高28.05m基底標高為12.2m內(nèi)外坑高差近16m。平臺外側(cè)為高度2.95m坡比西側(cè)1：1的放坡。坡頂為臨時便道，承受施工過程中所需要的活荷載。要考慮到坑中坑對外坑的變形影響和基坑西側(cè)與南側(cè)的整體穩(wěn)定性?？又锌雍熊浲翆雍屯杆畬?，強風化粉砂質(zhì)泥巖和中風化粉砂質(zhì)泥巖的透水性比較強。坑中坑位于此范圍內(nèi)。維護結(jié)構(gòu)要做好防水抗?jié)B措施。橫向支撐分三層施工，且第一層與后兩層采用的支撐材料不一樣，合理布置砼支撐與鋼支撐的位置，充分考慮其各自的利弊尤為重要。

3 基坑現(xiàn)場監(jiān)測及結(jié)果及分析

根據(jù)現(xiàn)場維護結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)的布置情況，參考相關(guān)規(guī)范制定監(jiān)測方案[7]，對基坑各個監(jiān)測點進行了監(jiān)測[8]，監(jiān)測過程中一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)測值接近報警值應(yīng)立即采取應(yīng)急措施以確?；拥恼麄€施工過程的安全。

(1)圍護結(jié)構(gòu)主要監(jiān)測了轉(zhuǎn)孔灌注樁樁頂?shù)乃轿灰坪痛怪蔽灰疲?區(qū)打樁處布設(shè)5個，水平位移監(jiān)測點與垂直位移觀測點為同一個點。測點命名為D01-D05。樁頂在開挖工程中水平和垂直位移隨日期的變化如圖3-4所示。從圖3可以看出，在基坑開挖初期，樁頂水平位移變化速度比較快，隨著時間的發(fā)展，樁頂水平位移的側(cè)向力逐漸趨于平穩(wěn)。最大水平位移為8mm遠低于規(guī)范規(guī)定的預(yù)警值40mm(<0.25%H，H為基坑深度)。分析原因是第一層砼支撐與樁頂接觸，將力傳遞到第一層砼支撐上，把水平側(cè)向力轉(zhuǎn)化成了砼支撐的軸力。圖4可以看出部分樁由于地基隆起的原因有輕微上浮，上浮量較小不影響冠梁安全，部分樁樁有輕微沉降，但后期又有回歸原位置的趨勢，最終所有圍護樁都處于輕微上浮的狀態(tài)，最大上浮量在報警值范圍之內(nèi)，不影響冠梁安全。

圖3 樁頂水平位移時間曲線圖

圖4 樁頂垂直位移時間曲線圖

(2)坑中坑圍護樁內(nèi)部設(shè)置砼支撐，為保證基坑的穩(wěn)定性和工程施工安全，實時掌握砼支撐的軸力最不利位置的軸力變化情況尤為重要。將軸力監(jiān)測點布置在砼支撐沿水平方向的斜撐上，每個斜撐各布置一個點。支撐監(jiān)測點編號ZC01-1到ZC01-4。軸力變化時間曲線如圖5所示。當砼支撐達到設(shè)計強度后開始向下開挖，隨著時間的推移其軸力不斷增大。但當開挖到第一層鋼支撐標高時，鋼支撐分擔了樁對砼支撐的側(cè)向壓力，因此產(chǎn)生了V形變化曲線，后期開挖到第三層鋼支撐時出現(xiàn)了同樣的效果，砼支撐曲線大致呈M形。其最大軸力值小于報警值，也驗證了這種支護方式的合理性。軸力曲線在后期有下降的趨勢。由于截止到目前為止整個基坑的主體結(jié)構(gòu)施工還未結(jié)束，大膽猜測在沒有暴雨等其他突發(fā)情況下砼支撐的軸力值會逐步趨于平穩(wěn)。

圖5 砼支撐軸力時間圖

(3)立柱沉降：布置于立柱下部1/3處，8區(qū)坑中坑打樁處共布設(shè)4個，按LZ01-LZ04命名。圖中正數(shù)為下沉，負數(shù)為上升。格構(gòu)柱垂直位沉降時間曲線如圖6所示：在基坑開挖的過程中有三根立柱基本處于上浮的趨勢，一開始上浮速率比較大，后期逐漸趨于平穩(wěn)。其最大上浮量不超過4mm,在容許范圍之內(nèi)。分析其上浮的原因主要是基坑水壓力比較大，引起基坑底部有隆起。格構(gòu)柱與土體之間的摩擦力較小使得格構(gòu)柱與土體之間發(fā)生相對位移。分析LZ4下沉的主要原因是四根格構(gòu)柱上部貫入到砼支撐內(nèi)部，中間位置與鋼支撐使用鋼架鉸接在一起。受橫向鋼支撐或砼支撐的共同作用四根格構(gòu)柱豎向受力不均勻而導(dǎo)致了其下沉。

圖6 格構(gòu)柱垂直位沉降時間曲線圖

4 結(jié) 語

截止到2019年12月8號合肥新城污水處理廠深基坑坑中坑已經(jīng)開挖至基底，且外坑部分分區(qū)已經(jīng)開始主體結(jié)構(gòu)的施工，坑中坑部位也已近澆筑墊層?？偨Y(jié)其支護支護方式和開挖方式結(jié)合現(xiàn)場檢測得出以下結(jié)論：

(1) 坑中坑開挖過程中要充分考慮到地下水浮力的作用和地基隆起，在施工階段要持續(xù)性降水。設(shè)計主體結(jié)構(gòu)時要在結(jié)構(gòu)底板下部設(shè)置抗拔樁或者抗浮錨桿。

(2) 工程采用三層支撐，第一層砼支撐有較好的穩(wěn)定性且能經(jīng)得住施工設(shè)備的撞擊，有良好的抗壓性和抗拉性能，節(jié)點牢靠，支撐體系的穩(wěn)定性可靠。第二三層采用鋼支撐安裝時即可形成支撐作用，拆除方便。

(3) 在深基坑工程中坑中坑是在最后階段進行開挖，單純的一種支護方案難以滿足坑中坑的支護設(shè)計，應(yīng)該結(jié)合工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件合理的選擇多種支護形式組合的支護方式。

(4) 坑中坑屬于大坑套小坑，為防止內(nèi)坑開挖引起大肯邊坡變形過大，基坑周邊應(yīng)嚴禁堆載或在設(shè)計階段就考慮到堆載的影響。