復雜環(huán)境及風化巖條件下鄰近地鐵超大深基坑支護設計選型

汪 浩，劉雙橋，宋 志，程 康，周 豪，崔耀宗

(中建三局集團有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430064)

1 工程概況

1.1 工程總體概況

武漢夢時代廣場項目位于武漢市武昌區(qū)，緊鄰武商亞貿(mào)，在武珞路以南，武珞路與寶通寺路、石牌嶺路、紫陽東路之間。本工程地下4層、地上9層，總凈用地面積10.251 1萬m2，總建筑面積約79.588 5萬m2，其中地上建筑面積45.737 5萬m2，地下建筑面積33.851萬m2，為集商業(yè)、餐飲、室內(nèi)樂園、冰雪樂園于一體的特大型獨棟商業(yè)綜合體，定位華中區(qū)商業(yè)旗艦(見圖1)。

圖1 武漢夢時代廣場項目效果

本工程基坑超大超深，平面面積達9.53萬m2，長450m、寬240m，開挖深度為15.3～27.6m，毗鄰高層建筑、地鐵、管網(wǎng)等，周邊環(huán)境十分復雜。

1.2 工程地質條件

1)地形地貌 本工程地貌單元屬長江沖洪積三級階地，場地地勢有一定起伏，表現(xiàn)為東高西低、南高北低，地面標高在26.030～40.990m。

2)工程地質特征 本工程擬建場地處于鍋頂山—王家店褶皺的倒轉背斜核部。場地內(nèi)分布的地層有素填土、第四系全新統(tǒng)沖洪積層、第四系上更新統(tǒng)沖洪積層、志留系巖層。地基土自上而下分層的工程特征指標如表1所示。

表1 地基土分層工程特征指標

3)水文地質條件 本工程擬建場地地下水為上層滯水，主要賦存于表層素填土層之中，大氣降水及地表水是其主要補給來源?？辈炱陂g，測得穩(wěn)定水位埋深為0.50～2.50m，相當于高程30.950～25.780m。

1.3 基坑周邊環(huán)境概況

武漢夢時代廣場項目基坑地處鬧市區(qū)，基坑被4條市政道路環(huán)抱，周邊緊鄰地鐵、高層建筑、電纜、管網(wǎng)等建(構)筑物，周邊環(huán)境復雜。整體地勢呈東高西低、南高北低特點(見圖2)。

圖2 基坑周邊環(huán)境示意

基坑北側：緊鄰主干道武珞路、地鐵2號線區(qū)間及地鐵寶通寺站。基坑距離武珞路最近為19m，距離地鐵寶通寺站最近為3.9m。在基坑邊線與武珞路之間存在市政污水管道、埋地電纜。

基坑東側：東北角為武商亞貿(mào)購物中心(31層)，東側為市政道路石牌嶺路。

基坑南側：南側為在建的市政道路紫陽東路延長線，道路上方有10，110kV架空高壓線。

基坑西側：西側為市政道路寶通寺路。西北角原為江天大廈，爆破后遺留2層地下室結構。

1.4 基坑工程特點及難點

1)基坑平面面積大、深度深。平面面積達9.53萬m2，長450m、寬240m，開挖深度達15.3～27.6m。

2)基坑周邊環(huán)境復雜，變形控制要求高，制約因素多。本基坑地處鬧市區(qū)，被4條市政道路環(huán)繞，交通人流量大，周邊緊鄰高層建筑、地鐵、污水管道、埋地管網(wǎng)、架空高壓線等建(構)筑物，環(huán)境十分復雜，對變形控制和基坑施工安全要求高，支護設計選型及施工制約因素多。

3)施工場地狹小。基坑邊線即為用地紅線，施工可利用場地狹小，場地平面布置困難。

4)場地起伏大，表現(xiàn)為東高西低、南高北低，高差達到15m。

5)基坑土石方量大，巖層厚且堅硬，開挖困難。本基坑土石方總量185萬m3，其中石方量達110萬m3，地表以下0.7～10m即進入中微風化巖層，單軸飽和抗壓強度最大達18.77MPa。

2 支護設計方案選型分析

2.1 總體方案選型分析

2.1.1逆作法

優(yōu)點：①可利用主體水平結構作為支撐，支撐剛度大，可有效控制基坑變形和提高基坑穩(wěn)定性；②具有一定的經(jīng)濟優(yōu)越性；③可將地下室頂板加固后作為施工平臺和材料堆場，有效解決施工場地狹小問題。缺點：①工藝復雜，各專業(yè)工種關聯(lián)度高；②逆作期挖土效率低，成本高，總工期加長；③對施工單位的管理、協(xié)調(diào)、技術水平及該方面施工經(jīng)驗的要求較高。

本工程作為超大體量的地標性商業(yè)建筑，社會關注度高，工期十分緊張，而逆作法受結構設計進度制約大,土方開挖難度大,地下室結構施工技術復雜，多種因素造成整個工程工期遠長于順作法，不宜選用。

2.1.2順作法

優(yōu)點：①施工順序流暢，土方開挖快，造價較低；②支護結構施工對主體結構施工質量及成本產(chǎn)生無影響；③基坑支護結構的設計與主體設計關聯(lián)性較低，受主體設計進度的制約小，基坑工程有條件盡早開工。缺點：①臨時性支撐會產(chǎn)生一定的工程成本；②臨時性支撐須后期拆除，且支撐下土方開挖有一定難度。

根據(jù)本工程特點，綜合考量安全性、經(jīng)濟性、可行性和施工便利性等因素，結合國內(nèi)類似基坑工程經(jīng)驗，本工程采用順作法基坑支護方案符合本工程技術經(jīng)濟性要求。

2.2 順作法總體支護設計選型分析

順作法包含樁撐、樁錨、多級支護等多種形式，根據(jù)不同區(qū)域的地理條件，結合各類型支護形式特點進行選型。

基坑南側及西側緊鄰市政道路，開挖深度為15.3～23.3m，周邊環(huán)境較其他區(qū)域簡單，采用樁錨支護形式。

基坑西北角毗鄰爆破后的江天大廈地下室，為基坑陰角部位，開挖深度為15.8m。江天大廈地下室范圍以內(nèi)利用舊地下室結構作為基坑支護結構的一部分，形成擋土墻支護。江天大廈地下室范圍以下深度采用樁撐、樁錨形式。

基坑北側毗鄰地鐵區(qū)間及地鐵站房結構，開挖深度為17.8m，變形控制要求高，且不允許采用錨索，故選用中心島支護形式。

基坑東側緊鄰市政道路，地勢最高，開挖深度最大達27.6m，且為基坑陰角部位，基坑變形要求高，采用樁撐支護形式。

2.3 各區(qū)段具體支護設計

本基坑豎向圍護體系采用鉆孔灌注樁，樁間采用土釘掛網(wǎng)噴錨形成止水構造；水平支撐體系采用錨索(桿)、鋼筋混凝土支撐、鋼管撐、反壓土等形式。不同區(qū)段根據(jù)工程地質條件、周邊環(huán)境及施工要求對豎向圍護體系與水平支撐體系進行合理的搭配組合。

1)E-A3-X3區(qū)段 該區(qū)段毗鄰市政道路，支護采用樁錨形式，具體為h型高低樁+多排錨索支護。外排高樁型號為φ800@1 000,φ1 000@1 200 2種，內(nèi)排低樁型號為φ1 200@1 400，錨索采用1～4排可回收預應力錨索。內(nèi)外高低樁間平臺采用200mm厚C20素混凝土硬化，并間隔6m布置連梁(見圖3a)。

2)X3-X3a區(qū)段 該區(qū)段毗鄰爆破后的江天大廈地下室，巧妙利用舊地下室結構作為基坑支護結構的一部分。支護分為上、下2段，上段通過格構錨桿、剪力墻加固江天大廈地下室外墻形成地面至-11.2m支護，下段通過樁撐形成-11.2m至基坑底支護，下段樁型號為φ1 200@1 400，水平撐為1道角撐(見圖3b)。

3)X3a-X3b區(qū)段 該區(qū)段支護分為上、下2段，上段通過反壓土對江天大廈地下室外墻反壓形成地面至-11.2m支護，下段通過樁撐形成-11.2m至基坑底支護，下段樁型號為φ1 200@1 400，水平撐為1道角撐(見圖3c)。

4)X3b-X4區(qū)段 該區(qū)段支護分為上、下2段，上段通過反壓土對江天大廈地下室外墻反壓形成地面至-11.2m支護，下段通過樁錨形成-11.2m至基坑底支護，下段樁型號為φ1 200@1 400，錨索為1道(見圖3d)。

圖3 E-A3-X3，X3-X3a，X3a-X3b，X3b-X4區(qū)段基坑支護示意

5)X4-X6，X7-H4，H3-H3a區(qū)段 該區(qū)段緊鄰地鐵結構，最近處僅3.9m。采用樁錨法存在錨索侵入地鐵保護區(qū)內(nèi)的問題，故選用中心島法，即完成支護樁施工后，由上至下逐層開挖土石方并預留反壓土，優(yōu)先進行反壓土體外地下室結構(即中心島)施工，施工中心島與支護樁間對撐后，由上至下開挖反壓土石方，最后順作反壓土體區(qū)剩余地下室結構并逐層換撐直至地下室結構封頂。該方式具有3方面優(yōu)勢：①能保證中心島區(qū)域土方在敞開條件下快速開挖，結構施工及時插入；②反壓留土區(qū)只侵占純地下室結構，不影響地上結構施工；③通過調(diào)節(jié)對撐高度，能保證大型設備作業(yè)空間，提高留土區(qū)巖層開挖效率。

樁型號為φ1 200@1 400，預留反壓土體為三級放坡形式，放坡坡比1∶0.5，邊坡平臺寬度為3m，臨空面采用土釘掛網(wǎng)噴錨支護對土體進行防護。采用2層600mm×800mm鋼筋混凝土對撐梁作為水平內(nèi)支撐體系，標高分別為-5.100，-11.700m。對撐梁一端位于中心島地下室結構側，另一端位于支護樁側。考慮到土方開挖凈空需求，為抬高對撐高度，在中心島地下室結構側設置反力墩。同時，因對撐跨度較大，達21m，故在對撐中部采用格構柱+托梁構造減小對撐跨度，增強其穩(wěn)定性(見圖4)。

圖4 X4-X6，X7-H4，H3-H3a區(qū)段基坑支護示意

6)X6-X7，H3a-H1，H0b-H0c，H0d-G1區(qū)段 X6-X7，H3a-H1區(qū)段位于臨近地鐵基坑陰角部位，H0d-G1區(qū)段位于臨近大樓基坑陰角部位，采用樁撐支護形式。樁型號為φ1 200@1 400，水平撐為2道角撐(見圖5)。

圖5 X6-X7，H3a-H1，H0b-H0c，H0d-G1區(qū)段基坑支護示意

7)H4-H3區(qū)段 該區(qū)段因存在地鐵連通口結構，支護土體高度較低，同北側大面采用樁撐支護形式唯一區(qū)別為鋼筋混凝土對撐梁僅有1道(見圖6)。

8)H1-H0b區(qū)段 該區(qū)段緊鄰寶通寺B出口風亭，若采用整體方案中留土反壓+換撐梁，則會導致留土區(qū)域與地上結構邊線沖突，留土區(qū)和地上結構沖突面積過大，導致后期結構施工進度受到影響。為了避讓地上結構，避免地下結構施工滯后影響地上結構施工，造成整體進度緩慢，減少反壓土寬度至12.55m，又將導致基坑支護結構位移增大，不滿足規(guī)范要求?；诖藛栴}，項目設計方及總包單位對方案進行了多次研究和論證，最終采用了一種“高低樁樁頂斜撐+多級支護+坑內(nèi)預留土+結構樓板支撐”支護體系，經(jīng)工程實踐證明，該方案滿足工程實際需求(見圖7)。

圖7 H1-H0b區(qū)段基坑支護示意

9)H0c-H0d，G1-G區(qū)段 該區(qū)段毗鄰高層建筑，采用樁錨支護形式。樁型號為φ1 200@1 400，采用3道錨索(見圖8)。

圖8 H0c-H0d，G1-G區(qū)段基坑支護示意

10)G-F-E區(qū)段 該區(qū)段毗鄰高樓、市政道路，且處于基坑陰角部分，采用樁撐支護。其中，GF段設有2道角撐；FE段設有4道角撐，且第1道角撐封板兼做棧橋使用(見圖9)。

圖9 G-F-E，F(xiàn)-E區(qū)段基坑支護示意

3 深基坑安全監(jiān)測

1)常規(guī)深基坑監(jiān)測 采用全站儀、應力計等按一級基坑要求監(jiān)測以下項目：冠梁沉降及水平位移觀測、邊坡及擋土墻沉降與水平位移觀測、支護樁深層水平位移監(jiān)測、坑外土體深層水平位移監(jiān)測、支撐軸力、雙排樁連接梁內(nèi)力監(jiān)測、周邊道路、管線及建筑物沉降監(jiān)測、錨索拉力監(jiān)測、立柱沉降監(jiān)測、換撐階段監(jiān)測、現(xiàn)場目測(見圖10)。

圖10 常規(guī)深基坑監(jiān)測平面

2)地鐵自動化監(jiān)測 采用高精度測量機器人(瑞士徠卡TM30自動全站儀)對基坑影響區(qū)域的地鐵2號線平行區(qū)段雙線車站隧道進行監(jiān)測，監(jiān)測項目為道床沉隆及水平位移監(jiān)測、結構側壁沉隆及水平位移監(jiān)測、現(xiàn)場安全巡視(見圖11)。

圖11 地鐵自動化監(jiān)測平面

4 實施效果

受拆遷、設計、停工等因素影響，本基坑施工時間跨度大，自2016年10月開始施工至2020年11月地下、地上結構同步封頂，歷經(jīng)4次雨季考驗。實踐證明，本基坑在有效設計和規(guī)范施工的基礎上，支護效果理想，基坑內(nèi)部無滲漏，基坑變形均較小。第三方基坑監(jiān)測報告結果顯示，基坑周邊環(huán)境累積沉降6.0～36.7mm，基坑支護結構及立柱累積沉降19.8～28.6mm，基坑水平累積位移17.5～37.5mm；地鐵專項監(jiān)測報告結果顯示，道床累積沉降最大1.4mm，道床差異累積沉降最大0.9mm，水平位移累積沉降最大1.5mm，隧道收斂累計最大3.1mm，隧道拱頂累積沉降最大-1.0mm，均在可控范圍。

5 結語

武漢夢時代廣場項目基坑平面面積大、開挖深度深，且臨近地鐵、高層大樓、管網(wǎng)，周邊環(huán)境復雜，支護時間跨度長。通過對支護效果、施工難易、工程造價、環(huán)境影響的對比分析，針對各區(qū)段特點選定有針對性的支護方案，整個基坑采用多種支護體系結合使用，充分發(fā)揮各支護體系優(yōu)勢，保證了施工期間基坑自身及周邊建(構)筑物安全。