復(fù)雜周邊環(huán)境條件下基坑支護(hù)和降水設(shè)計(jì)分析研究

張聞璟

(1.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東濟(jì)寧 272100；2.山東省華魯工程總公司，山東濟(jì)寧 272100)

0 引言

隨著社會發(fā)展和人民生活水平的提高，市場客戶需求也不斷升級，對房屋的品質(zhì)、小區(qū)設(shè)計(jì)、物業(yè)智能化服務(wù)水平等要素提出更高要求[1]，也正因?yàn)槿绱耍谝欢ǔ潭壬蠋恿朔康禺a(chǎn)開發(fā)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，住宅樓盤開發(fā)選址主要存在兩種模式[2]：一是在城郊或城區(qū)內(nèi)的地理位置優(yōu)越、交通便利、有發(fā)展?jié)摿Φ幕膹U用地投資建設(shè)新開發(fā)區(qū)；二是在城區(qū)內(nèi)的老舊小區(qū)進(jìn)行拆舊建新。但不管是哪種模式，都需要配備地下車庫才能同時(shí)保證足夠的車位配置和良好的地面環(huán)境，這也導(dǎo)致在住宅建造過程中需要開挖不同深度的基坑。

新開發(fā)區(qū)設(shè)計(jì)的住宅樓座位置一般與其周邊既有建筑、道路、市政管線等較遠(yuǎn)，周邊環(huán)境較為簡單，所以基坑開挖支護(hù)形式多以放坡或土釘墻為主。而拆舊建新的小區(qū)多位于老城區(qū)內(nèi)，存在場區(qū)狹小、緊鄰周邊建筑、周邊管線復(fù)雜等問題，所以基坑開挖支護(hù)形式多以垂直支護(hù)為主。在基坑設(shè)計(jì)過程中需要綜合考慮土層分布情況、地下水水位及動態(tài)變化、周邊建筑和管線情況、施工工藝可行性、施工設(shè)備作業(yè)空間及其可能帶來的環(huán)境污染和振動噪聲等因素的影響來確定支護(hù)形式。由于各方面影響因素繁雜，各項(xiàng)目的情況又不盡相同[3-7]，這就給基坑支護(hù)和降水設(shè)計(jì)方案的確定帶來了很大的難度。

本文通過對位于老城區(qū)拆舊建新項(xiàng)目的基坑設(shè)計(jì)過程中諸多影響因素進(jìn)行探討，針對本項(xiàng)目實(shí)際情況提出了可靠、有效的設(shè)計(jì)思路和處理方案，意在拋磚引玉，為其他類似項(xiàng)目的基坑設(shè)計(jì)方案的確定提供參考。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于建設(shè)東路南側(cè)，東御橋路西側(cè)，緊鄰工人文化宮、光通大廈和周邊各小區(qū)。項(xiàng)目總占地約2×104m2，總建筑面積約4×104m2，擬建7棟住宅樓、7棟商業(yè)樓及其地下車庫，意在老城區(qū)規(guī)劃漢唐特色商業(yè)街、低密度純洋房住宅雙重業(yè)態(tài)。

1.1 周邊環(huán)境

項(xiàng)目位置及其周邊環(huán)境情況見圖1。

圖1 本項(xiàng)目與其周邊環(huán)境位置關(guān)系圖Fig.1 location relationship between the project and its surrounding environment

(1)基坑北側(cè)。擬建地下車庫范圍線距離用地紅線(圍擋)約21.0 m，用地紅線距離建設(shè)東路道路中心線約20.0 m，道路旁含多種類型的管線，由北向南分別為雨水管道、蒸汽管道、通信電纜及供電管道，對基坑邊坡距離較遠(yuǎn)。圍擋內(nèi)側(cè)存在一條熱力管線，埋深約1.5 m，現(xiàn)已拆除，紅線范圍內(nèi)無其他影響基坑施工的管線。

(2)基坑西側(cè)。擬建地下車庫范圍線距離圍墻最近距離為3.26 m，圍墻外為廣場小區(qū)道路和住宅樓，用地紅線距離既有住宅樓最近距離約為9.8 m。圍擋原有的電力管線已遷移，熱力管線已拆除。

(3)基坑南側(cè)。擬建地下車庫范圍線距離圍墻最近3.48 m，圍墻距離南側(cè)住宅樓最近5.23 m。存在多處熱力、燃?xì)?、電力管線，現(xiàn)已遷移或拆除。

(4)基坑?xùn)|側(cè)。擬建地下車庫范圍線距離圍墻最近5.40 m，圍墻外為廣通大廈裙房、工人文化宮等建筑。

對基坑距離近、影響較大的既有建筑的基礎(chǔ)形式和埋深情況如下：①光通大廈，8層，樁基礎(chǔ)，樁底埋深約-15.00 m；②工人文化宮，4層，樁基礎(chǔ)，樁底埋深約-13.20 m；③少陵新村，6層，筏板基礎(chǔ)，基底埋深約-3.60 m；④廣場小區(qū)，5層，條形基礎(chǔ)，基底埋深約-2.0 m；⑤華夏商城，5層，條形基礎(chǔ)，基底埋深約-2.0 m。

1.2 巖土工程地質(zhì)條件

1.2.1 地形、地貌

擬建場區(qū)現(xiàn)為拆舊新建場地。總體來看整個(gè)場區(qū)地勢平坦，測得場區(qū)孔口高程51.02～52.03 m，最大高差1.01 m。場區(qū)地貌宏觀上屬沖洪積平原。

1.2.2 地下水

場區(qū)淺層地下水為第四系孔隙水，以大氣降水入滲和地下微量側(cè)向徑流為主要補(bǔ)給來源，以人工開采、側(cè)向徑流為主要排泄途徑，主要含水層為④層中細(xì)砂、⑦層中砂、⑨層中砂。地下水位隨季節(jié)及氣象周期呈周期性變化，水位年變幅在2～5 m，動態(tài)類型為入滲—開采、徑流型。場區(qū)地下水穩(wěn)定水位埋深4.87～5.88 m，穩(wěn)定水位標(biāo)高約46.15 m。

1.2.3 主要地層情況

根據(jù)勘察報(bào)告和基坑邊緣地層剖面圖以及擬建物基礎(chǔ)埋深情況，對基坑開挖有影響的各土層自上而下的揭露順序如下。

①層雜填土。雜色，松散，成分主要為建筑垃圾及碎磚塊。該層填土為舊建筑物拆遷堆積，回填年限小于5年。

②層素填土?；液稚?，可塑，以粉質(zhì)黏土為主，局部含少量細(xì)砂，回填年限大于10年。

③層粉質(zhì)黏土。黃褐色，可塑，含少量鐵錳氧化物，局部粉質(zhì)重，夾粉土薄層，切面稍有光澤，干強(qiáng)度及韌性中等，無搖振反應(yīng)。

④中細(xì)砂。淺黃色，稍密，濕—飽和，主要礦物成分為長石、石英，局部含少量泥質(zhì)，分選性一般，磨圓度中等。

⑤黏土?；液谏?、灰褐色，可塑，韌性及干強(qiáng)度高，有光澤反應(yīng)，無搖振反應(yīng)。

⑥粉質(zhì)黏土。褐黃色，可塑，韌性及干強(qiáng)度中等，稍有光澤反應(yīng)，無搖振反應(yīng)，含少量細(xì)粒姜石。

⑦中砂。淺黃色，中密，飽和，以石英、長石為主，磨圓度一般。該層在場區(qū)普遍分布。

依據(jù)原狀土試樣剪切試驗(yàn)結(jié)果，按照《巖土工程勘察規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，并根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，基坑開挖與降水影響到的主要土層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值 (Ck、φk)、土的容重γ等參數(shù)取值見表1。

2 基坑設(shè)計(jì)

2.1 項(xiàng)目重、難點(diǎn)及其分析

根據(jù)對本項(xiàng)目基坑設(shè)計(jì)和施工過程中可能存在的對擬開挖邊坡產(chǎn)生不利影響的諸多因素的統(tǒng)計(jì)分析，最終篩選出若干主要影響因素，并對其影響原因和程度進(jìn)行了分析。

表1 各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)一覽表Table 1 list of main physical and mechanical indexes of each soil layer

2.1.1 周邊環(huán)境復(fù)雜

場區(qū)東北為光通大廈，東為工人文化宮，東南為少陵新區(qū)，南為公安局家屬院，西為廣場小區(qū)，西北為華夏商城，均與項(xiàng)目用地紅線(即圍擋范圍)距離較近，局部既有建筑緊貼圍擋。場區(qū)外管線已做架空保護(hù)措施。

場區(qū)周邊既有建筑對擬開挖基坑影響較大，需要同時(shí)考慮承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下的支護(hù)選型；場區(qū)外管線已做架空，但在設(shè)計(jì)中需要考慮控制其豎向變形。

2.1.2 現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜

場區(qū)面積較小，場區(qū)內(nèi)管線已通過拆除或遷移等方式進(jìn)行處理?；舆吔绯尸F(xiàn)為不規(guī)格的“X”型，局部突出部位場地狹窄且折角較多，地下車庫范圍線與圍擋最近距離約為4.0 m。

由于場區(qū)面積較小，增加了現(xiàn)場總平面布置的難度，需要考慮空間上的利用和平面上的合理布設(shè)。邊界不規(guī)則，會存在較多的陽角和陰角，在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量縮減，如果沒法縮減應(yīng)考慮陽角處的不利情況及處理方案；在陰角和局部狹窄處，存在大型機(jī)械設(shè)備無法靠近、移動等情況，增加了施工的難度，需要在滿足施工能力的前提下盡量選擇體型較小或是移動、轉(zhuǎn)向能力強(qiáng)的機(jī)械設(shè)備；地下車庫距離圍擋較近，由于基底工作面后能放坡空間很小，支護(hù)形式應(yīng)以垂直開挖支護(hù)為主，同時(shí)可選擇適用于項(xiàng)目特殊情況的新型或復(fù)合支護(hù)形式。

2.1.3 環(huán)保管控嚴(yán)格

為遵守相關(guān)法律法規(guī)和政策要求，項(xiàng)目現(xiàn)場施工特別是在基礎(chǔ)施工階段必須嚴(yán)格控制揚(yáng)塵、噪聲等污染。本項(xiàng)目場區(qū)周邊多為居民住宅，對噪聲控制的要求更為嚴(yán)格，存在被居民投訴，被環(huán)保、安監(jiān)等部門突擊檢查的情況。若不提前考慮并防范，容易發(fā)生整頓甚至停工的情況，耽誤施工工期。

在基坑設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員在考慮支護(hù)方案可靠性的同時(shí)也需要考慮其施工的可行性。本項(xiàng)目的揚(yáng)塵、噪聲和泥漿污染是首要解決問題，揚(yáng)塵可通過噴淋、灑水、覆蓋防塵網(wǎng)等方法來控制，而噪聲和泥漿污染就需要選擇合適的施工工藝和施工機(jī)械來盡可能減少。

2.1.4 工期要求緊

根據(jù)甲方要求，該項(xiàng)目需要在年底完工，留給基坑支護(hù)的時(shí)間頗短。

項(xiàng)目總工期受到多種因素影響，諸如組織管理、勘察設(shè)計(jì)、施工工藝、材料設(shè)備、自然環(huán)境、社會環(huán)境之類。

在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)通過選取合理的施工工藝，優(yōu)化支護(hù)方案等方法來降低施工難度，進(jìn)而縮短施工工期。例如，鉆孔灌注樁施工工藝需要經(jīng)過成孔→鋼筋籠制安→下放鋼筋籠澆筑混凝土這三個(gè)主要施工流程，現(xiàn)場除了需要考慮鋼筋的堆放區(qū)，還需要設(shè)置鋼筋的加工區(qū)和成品鋼筋籠堆放區(qū)；而型鋼水泥土攪拌樁(下稱SMW工法樁)施工工藝需要經(jīng)過水泥土攪拌→下插型鋼這兩個(gè)主要施工流程，現(xiàn)場只需要設(shè)置型鋼的堆放區(qū)和水泥漿攪拌臺。較前者而言，后者能節(jié)約更多的施工時(shí)間，減少對施工現(xiàn)場的用地需求。

2.1.5 降水方案

根據(jù)勘察報(bào)告所述，地下水穩(wěn)定水位標(biāo)高約46.15 m，高出基底標(biāo)高44.50 m約1.50 m左右。

基坑降水主要采用管井、真空井點(diǎn)、噴射井點(diǎn)等方法，在需要控制地下水位的區(qū)域則需增設(shè)止水帷幕和回灌井[1]。本項(xiàng)目位于老城區(qū)，周邊道路、管線和建筑對豎向變形敏感，若采用管井進(jìn)行大面積降水可能帶來土體沉降，導(dǎo)致地面產(chǎn)生裂縫等不利影響；若設(shè)置止水帷幕并采用管井降水，需要設(shè)置多口降水井且降水周期較長，不利于成本的控制。

2.2 施工工藝

綜合考慮上述的多方面因素，借鑒鉆孔灌注樁[10]和SMW工法樁[8,12]的工藝特點(diǎn)以及降水需求，本項(xiàng)目基坑支護(hù)和降水設(shè)計(jì)擬采用三軸攪拌樁后插H型鋼施工工藝，同時(shí)進(jìn)行支護(hù)樁和止水帷幕施工。從實(shí)際施工效果上看，大大節(jié)約了施工時(shí)間和造價(jià)，減少了泥漿、揚(yáng)塵、噪聲等環(huán)境污染，有效利用施工設(shè)備的機(jī)動性克服了基坑邊界不規(guī)則和場區(qū)狹窄等問題。

2.3 支護(hù)設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)自然地坪整平標(biāo)高為51.00 m，基坑擬開挖深度約為6.50 m。支護(hù)單元安全等級為二級，基坑使用期限為十二個(gè)月。

水泥土攪拌樁建議采用三軸攪拌樁設(shè)備施工，套打一樁，樁徑650 mm，樁間距900 mm，樁長12.0 m，樁底深入第⑦層中砂層底，攪拌樁水泥選用42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥摻入量取土的天然質(zhì)量的15%，建議水灰比為1∶0.8，應(yīng)做現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)確定后方可施工。

攪拌樁內(nèi)每隔900 mm設(shè)置一根H型鋼，規(guī)格HM 200 mm×150 mm，長12.0 m。因現(xiàn)場場地受限，不考慮后期回收。

錨索采用2sφ15.2鋼絞線，二樁一錨，間距為1.80 m。錨索總長12.0 m，錨固段長6.0 m，注漿材料為42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.45～0.50，強(qiáng)度不低于20 MPa。自由段用隔漿管隔離水泥漿。

構(gòu)造面層掛網(wǎng)筋規(guī)格為Φ4.0(200×200)mm鋼板網(wǎng)，C20混凝土噴面，細(xì)骨料選用中粗砂，含泥量應(yīng)小于3%；粗骨料選用粒徑不大于20 mm的級配礫石；水泥與砂石的重量比取1∶4.0～1∶4.5，砂率取45%～55%，水灰比取0.40～0.45。

支護(hù)單元剖面圖詳圖如圖2所示。

圖2 最不利工況下基坑支護(hù)設(shè)計(jì)剖面圖Fig.2 profile of foundation pit support design under the most unfavorable condition

2.4 降水設(shè)計(jì)方案

止水帷幕寬650 mm，長12.0 m，帷幕底深入第⑦層中砂層底，阻斷了基坑內(nèi)外的水力聯(lián)系，利用坑底天然防滲層(圖2中第⑤層、第⑥層)進(jìn)一步隔離坑底和其下水體的交換。

在基底周圈和中間適當(dāng)位置設(shè)置橫縱向連通的排水溝(規(guī)格為300 mm×300 mm)，相隔一定間距設(shè)置集水井(規(guī)格為700 mm×700 mm×1500 mm)作為坑內(nèi)排水措施。這種降水方案利用人工設(shè)置的豎向止水帷幕和坑底天然的水平防滲層形成了一種“盆式結(jié)構(gòu)”，隔絕基坑內(nèi)外的地下水，將盆內(nèi)的水抽出后，僅需要排出來自大氣的降水，而且降水措施施工起來簡單易行，降水成本低廉，避免了大面積降水可能帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

3 基坑監(jiān)測

為了保證基坑邊坡和周邊建筑、管線等建(構(gòu))筑物安全，設(shè)計(jì)方案中設(shè)置了坡頂水平和豎向位移、周邊建筑物變形、周邊管線變形、地下水位等監(jiān)測點(diǎn)。從69個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)測監(jiān)測數(shù)據(jù)上看，自基坑開挖起3個(gè)月各監(jiān)測點(diǎn)的累計(jì)變化量最大值為0.3 mm，基坑外地下水水位變幅符合自然變化規(guī)律，基坑內(nèi)降深后的穩(wěn)定水位標(biāo)高低于基底0.5 m，這些數(shù)據(jù)都說明了本項(xiàng)目的基坑支護(hù)和降水設(shè)計(jì)方案還是比較成功的。

4 結(jié)論

在周邊環(huán)境復(fù)雜、場區(qū)狹窄以及其他不利條件下，基坑設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況改變思路、靈活應(yīng)對。本項(xiàng)目吸取了SMW工法樁施工工藝的優(yōu)點(diǎn)并進(jìn)行改進(jìn)，縮小了型鋼的規(guī)格，優(yōu)化了攪拌樁施工方法和水泥漿液配比，利用排樁模型計(jì)算的安全穩(wěn)定性符合規(guī)范要求，大大縮短了施工工期，并在實(shí)際施工中達(dá)到了很好的變形控制效果。

隨著“綠水青山就是金山銀山”的思想不斷深入人心，相關(guān)減排、環(huán)保等政策的出臺，基坑支護(hù)施工過程中對泥漿、揚(yáng)塵、噪聲等污染控制更為嚴(yán)格，除了從源頭、傳播途徑、受體三個(gè)部位采取相應(yīng)的防控措施以外，選用合適的施工工藝和無泥漿、振動小、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)的機(jī)械設(shè)備可以降低起始的污染程度，在施工過程中也能有效控制，降低了可能存在的風(fēng)險(xiǎn)和施工成本。

基坑降水多采用管井降水方法，這種方法適用于多種地層，降水井成井工藝成熟，降水效果和穩(wěn)定性較好。但是，也存在一定問題，如：若未設(shè)置止水帷幕會造成大面積的地下水水位下降；降排水量較大，給排放帶來一定的困難；降水周期長，降水費(fèi)用較高。本項(xiàng)目基坑降水設(shè)計(jì)利用人工設(shè)置的豎向止水帷幕和坑底天然的水平防滲層形成了一種“盆式結(jié)構(gòu)”，隔絕了基坑內(nèi)外的水力聯(lián)系，大大減少了基坑內(nèi)地下水的降排水量，降低了降水井施工成本和后期的降水費(fèi)用。