復雜環(huán)境下軟土基坑支護設(shè)計實踐與分析

王海成 劉秀珍 張 龍

（中機三勘巖土工程有限公司，湖北武漢 430074）

0 引言

隨著我國城市建設(shè)和地下空間開發(fā)的快速發(fā)展，基坑工程所面臨的問題也越來越復雜，無論環(huán)境條件：臨近建（構(gòu)）筑物、地鐵、隧道、高架橋等，還是地質(zhì)條件：深厚淤泥、溶洞、地下水等，均給基坑工程帶來新的挑戰(zhàn)。眾多專家學者針對上述問題開展了相關(guān)研究工作[1-11]。劉合寨等[12]結(jié)合上海某基坑實例，闡述了大面積不規(guī)則軟土深基坑支護的重點和難點，提出應用“時空效應”原理分區(qū)、分塊開挖土方對控制變形的重要性。這種通過優(yōu)化基坑支護輪廓使得支護體系受力更加合理，避免出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象的方法是有效的。何世達等[13]結(jié)合具體的工程實例,介紹了船式支護的側(cè)壁及底板的設(shè)計方法，基于該方法支護方式既可避免支護樁嵌固深度過長,又利于軟土的土方開挖及工程樁的保護，是安全可靠的，其研究成果在基坑面積不大或條形的基坑中，具有明顯的成本優(yōu)勢。李夕林等[14]借助上海某軟土基坑案例，提出在環(huán)境保護要求較高的條件下采用地下連續(xù)墻加多道內(nèi)支撐等設(shè)計、施工措施來控制基坑變形是有效的。文中指出的基坑周邊對變形較敏感的建構(gòu)筑物，通過設(shè)置隔離樁的方式，來達到變形控制的目的，其方法值得借鑒。周贊良等[15]針對填海軟土地區(qū)深基坑采用的排樁加上部內(nèi)支撐、下部預應力錨索復合支護結(jié)構(gòu)進行了分析，得出上撐下錨復合支護結(jié)構(gòu)在軟土地區(qū)施工具有造價優(yōu)越性。借助其數(shù)值模擬及監(jiān)測數(shù)據(jù)得出該支護方案是安全的，且為后續(xù)主體結(jié)構(gòu)施工提供了最大便利。

以上研究從不同角度分析了復雜條件下軟土基坑設(shè)計的特點。以武漢市江岸區(qū)某深厚軟土深基坑工程為例，分析該項目的重點、難點并提出應對措施，通過方案對比最終選擇排樁+內(nèi)支撐的支護方式，采用天漢軟件進行模擬計算并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)進一步印證了支護方案的合理性，可為類似工程提供參考。

1 工程概況

該項目位于武漢市江岸區(qū)，設(shè)置兩層地下停車場?；有螤畛示匦?，開口面積約6500 m2，周長約240 m。該項目正負零標高20.60 m，地面標高20.80 m，基坑開挖深度約12.4 m。

基坑周邊環(huán)境情況復雜，緊鄰市政道路、已建小區(qū)（該小區(qū)設(shè)置一層地下室，灌注樁基礎(chǔ)），基坑東側(cè)距離已建成的姑嫂樹高架橋約18～23 m（見表1、圖1）。

表1 基坑周邊環(huán)境情況說明

圖1 基坑支護范圍及周邊環(huán)境圖

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

場地位于武漢市江岸區(qū)姑嫂樹路以西、常青五路北側(cè)。地勢比較平坦，地面高程為20.4～21.9 m，地貌上屬長江Ⅰ級階地后緣。場地在勘探深度范圍內(nèi)所分布的地層為：表層分布有厚度不等的填土，其下為第四系全新統(tǒng)沖積成因一般黏性土、軟土及第四系上更新統(tǒng)沖洪積成因砂土層。各土層空間分布及主要特性見表2。

表2 土層參數(shù)一覽表

本場地地下水類型可分為上下兩層：上層為賦存于(1)雜填土的上層滯水，一般受大氣降水及人工排水補給，水位水量隨季節(jié)而變化，測得上層滯水穩(wěn)定水位埋深1.2～1.9 m，對應標高為18.8～20.4 m；下層水為賦存于下部⑤-⑥層中的承壓水，與長江有密切的水力聯(lián)系，其水位受長江水位變化影響，水量豐富（見圖2）。

圖2 典型地層剖面及地下水示意圖（單位：m）

3 基坑重點、難點分析及應對措施

武漢地區(qū)軟土具有低強度、低滲透性、高靈敏度、流變性及不均勻性等特征，因此軟土基坑開挖極易導致周邊環(huán)境出現(xiàn)開裂、沉降等現(xiàn)象。解決上述問題是基坑工程的關(guān)鍵。

3.1 基坑重點

（1）保護周邊環(huán)境，嚴格控制支護體系變形。尤其是保護東側(cè)的高架橋、基坑周邊道路及對變形較敏感管線等。

對策：選擇剛度較大的支護體系，以利控制變形。同時嚴格把控基坑側(cè)壁止水帷幕的施工質(zhì)量，以免樁間水土流失進而引發(fā)地面沉降。

（2）基坑降水會導致周邊土體有效應力增大，進而引發(fā)地面沉降。

對策：最大限度地減少地下水抽排，按需降水。根據(jù)實時水位動態(tài)調(diào)整降水井的開啟或關(guān)閉，滿足坑底干作業(yè)即可，以達到減少抽水的目的。

3.2 基坑難點

（1）場地空間緊張，無法形成環(huán)形施工道路，導致土方開挖受限，出土效率低下。

對策：基坑南側(cè)設(shè)置下坑棧橋，且同時滿足兩輛土方車輛行駛，提高效率。

（2）基坑側(cè)壁及基底為流塑軟土，土方開挖難點大，極易造成坑內(nèi)隆起，應對工程樁加強保護。

對策：由于基坑土質(zhì)條件較差，土方開挖應嚴格按照分層對稱開挖的原則，每層開挖深度不得大于1.5 m，嚴禁超挖，以免局部超挖導致工程樁受力不均變形過大。

4 支護方案

本基坑工程周邊環(huán)境條件復雜，尤其是東側(cè)緊鄰現(xiàn)有姑嫂樹高架橋，應嚴格控制基坑的變形。根據(jù)武漢市類似工程經(jīng)驗，一般采用排樁或地連墻+內(nèi)支撐+止水的方案。綜合考慮工期、造價等因素，最終選擇灌注樁+兩層鋼筋混凝土內(nèi)支撐+三軸攪拌樁側(cè)壁止水止淤+降水井減壓降水的支護方案。

4.1 支護體系

支護樁采用鉆孔灌注樁φ1200@1500 mm 和φ1400@1700 mm，有效樁長30.1 m，冠梁頂與現(xiàn)狀地面標高持平。支護樁后側(cè)設(shè)置三軸攪拌樁止水、止淤(φ850@1200 mm)套打施工。局部空間緊張無法施工三軸攪拌樁區(qū)域，改為支護樁間設(shè)置高壓旋噴樁進行樁間止水、止淤。

由于場地條件緊張，無法設(shè)置環(huán)形施工道路，且需借助內(nèi)支撐體系作為材料堆場以利后續(xù)施工，綜合考慮以上因素及現(xiàn)場出土口的布設(shè)，最終確定第一層內(nèi)支撐的頂標高與現(xiàn)狀地面相平，局部內(nèi)支撐頂部設(shè)置鋼筋混凝土板帶作為施工過程中的材料堆放平臺，同時獨立設(shè)置出土棧橋，提高出土的效率。典型支護剖面、內(nèi)支撐布置見圖3、圖4。

圖3 典型基坑支護剖面圖（單位：mm）

圖4 內(nèi)支撐平面布置圖

4.2 基坑東側(cè)高架橋部位變形控制措施

基坑東側(cè)緊鄰現(xiàn)有姑嫂樹路高架橋，屬于該項目的重點保護區(qū)域，根據(jù)武漢市相關(guān)審查要求，該區(qū)支護樁最大水平位移應控制在20 mm 以內(nèi)，為此，從以下幾方面進行位移控制：

（1）采用較大直徑的支護樁，該部位支護樁參數(shù)φ1400@1700 mm，其余部位支護樁直徑為1200 mm。

（2）設(shè)置臺階狀的被動區(qū)加固措施。加固體采用三軸攪拌樁工藝，咬合100 mm。三軸攪拌樁應先于支護樁施工，后續(xù)的支護樁切削加固體，實現(xiàn)加固體與支護樁密貼，以利控制變形（見圖5）。

圖5 被動區(qū)加固示意圖（單位：mm）

（3）坡頂超載不得超過30 kPa。

（4）降水井應按需降水，實時動態(tài)監(jiān)測地下水位，滿足坑底干作業(yè)條件即可，不得超降。以免樁后土體有效應力增加過大，進而引發(fā)較大的地面沉降。

（5）根據(jù)地下室結(jié)構(gòu)面標高與內(nèi)支撐標高的相對關(guān)系確定拆撐時機。經(jīng)復核第一層內(nèi)支撐底標高與負一層結(jié)構(gòu)頂板面標高之間的凈高約700 mm?，F(xiàn)場施工時選擇待負一層的結(jié)構(gòu)頂板施工完成且肥槽回填后，再拆除第一層內(nèi)支撐，以利控制變形。

（6）土方分層對稱開挖，每層開挖深度不得大于1.5 m，軟土區(qū)域每層的開挖深度不得大于1.0 m。

（7）高架橋橋墩及鄰近道路設(shè)置位移監(jiān)測點，出現(xiàn)異常應及時通知相關(guān)單位進行處理。

4.3 支護結(jié)構(gòu)計算

根據(jù)該項目的基坑支護方案，采用 “天漢”樁墻撐錨設(shè)計軟件（V2005.1）進行計算。結(jié)果顯示：基坑南側(cè)、西側(cè)及北側(cè)的最大水平位移分別為26.2 mm、25.3 mm 及27.4 mm，基坑東側(cè)采取位移控制措施后最大水平變形為19.8 mm，且最大位移均處在基坑的中間偏下部位（見圖6）。

圖6 基坑典型剖面計算結(jié)果

5 基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)現(xiàn)場基坑變形監(jiān)測報告，支護樁深層水平位移的變化趨勢與計算結(jié)果基本一致?；幽蟼?cè)、西側(cè)及北側(cè)支護樁的最大水平位移約13.67 mm，由于基坑東側(cè)采取了針對性的變形控制措施，支護樁最大水平位移約9.95 mm，相較于其它三側(cè)變形量減小約27.2%?；又苓吔ㄖ镒畲蟪两导s8.5 mm，最大傾斜0.03%；由于基坑施工位于非汛期，降水井開啟數(shù)量較少，地下水位最大降深值約3.0 m，因此由于降水引起的基坑周邊沉降量較??；基坑東側(cè)的高架橋樁屬于嵌巖樁，橋墩部位最大沉降約1.8 mm；基坑周邊地下管線最大沉降約12.3 mm；變形監(jiān)測數(shù)據(jù)均在一級基坑監(jiān)測變形的限值內(nèi)，達到了預期目的（見圖7）。

圖7 基坑典型剖面水平位移圖

圓環(huán)支撐距離支護樁邊線較近的區(qū)域，支護樁水平變形量大于其它部位，是圓環(huán)內(nèi)支撐水平剛度分布的差異性導致，可采用增設(shè)板帶等措施進行局部剛度加強，以利控制內(nèi)支撐體系的協(xié)調(diào)變形。監(jiān)測數(shù)據(jù)比計算結(jié)果偏小，主要是由于現(xiàn)場施工時，內(nèi)支撐體系局部增設(shè)了板帶作為臨時材料堆場，增大了內(nèi)支撐的水平剛度，同時坡頂嚴格控制超載遠小于設(shè)計取值，這些有利措施增加了基坑的安全儲備。

綜上，基坑支護體系實際的水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)與軟件計算結(jié)果變化趨勢是基本一致的，基坑東側(cè)采用的針對性變形控制措施是有效的，滿足了設(shè)計要求。

6 結(jié)論

通過武漢市某軟土深基坑工程案例，闡述了復雜環(huán)境下支護體系的位移控制方法，并借助數(shù)值模擬計算及現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)，進一步驗證了支護方案的合理性，主要結(jié)論如下：

（1）對基坑東側(cè)采取加大樁徑和被動區(qū)加固措施，有效地控制了支護體系變形，該部位水平位移比其它部位減小約27.2%。

（2）對于圓環(huán)內(nèi)支撐距離支護樁較近區(qū)域，因水平支撐剛度偏小而導致位移控制效果偏弱，可通過增設(shè)板帶等措施增大支撐剛度，從而改善位移控制效果。

（3）根據(jù)地下室樓板標高合理設(shè)置內(nèi)支撐位置，控制好肥槽回填與拆撐時機，可有效控制逆工況變形，保護周邊環(huán)境。

（4）采用數(shù)值計算和實際監(jiān)測數(shù)據(jù)相互驗證的方法對基坑圍護體系進行綜合評估，可為類似工程提供參考。