人防基坑工程支護設(shè)計關(guān)鍵性問題及方案

余敦猛

(武漢市政工程設(shè)計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430023)

新的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將大大推動基坑工程的建設(shè)。一方面，基坑工程項目的深度和范圍日益增加；另一方面，目前在城市建造的大量高層建筑物也使得基坑工程項目的建設(shè)非常困難。在某些與復(fù)雜地質(zhì)層建造有關(guān)的復(fù)雜土壤中，土壤的特征，深入挖掘，鄰近建筑物的建設(shè)范圍，尤其是附近的鄰近建筑物等，這些因素對基坑的變形很敏感，這就導(dǎo)致了在支護過程中的復(fù)雜性較大，同時支護施工周期長、工序復(fù)雜，造價較高，為了避免可能出現(xiàn)的不確定性問題。因此，有必要針對基坑工程的支護設(shè)計及施工進行重點關(guān)注，做好支護方案的設(shè)計和施工技法的優(yōu)化。

1 工程概況

1.1 場地位置

本工程位于武漢市武昌區(qū)，健康路南側(cè)，和平大道西側(cè)。該工程為地下二層建筑，本工程±0.000相當于1985國家高程基準系統(tǒng)標高35.500m，場平標高約37.000m?；釉O(shè)計使用年限不超過12個月。本工程±0.000相當于1985國家高程基準系統(tǒng)標高23.32m，場地標高約24.20～26.08m，基坑施工前整平到25.12m。

兩層地下室，采用樁基礎(chǔ)?；用娣e約12413m，基坑深度13.0m，基坑周長約528m，東西長約200m，南北寬度約34～85m。

擬建健康路西段公用人防工程位于武漢市武昌區(qū)，西部與臨江大道相接，東部與和平大道相接，北面為江南明珠園，南面為萬達公館。現(xiàn)狀地面下市政管線復(fù)雜，涉及水務(wù)、煤氣、電信、電力等多種市政管線，地面標高在23.25～26.08m之間（以孔口標高計），地勢略有起伏。場地地貌形態(tài)屬長江沖洪積一級階地，根據(jù)場區(qū)原始地形條件及地層的水理性質(zhì)、賦水性能及地下水的埋藏條件等分析判斷，在勘探深度范圍內(nèi)擬建場地地下水類型可分為上層滯水、孔隙水及基巖裂隙水。項目區(qū)位圖如圖1所示。

1.2 基坑周邊環(huán)境狀況

1.2.1 基坑周邊環(huán)境狀況

東側(cè)：為和平大道和規(guī)劃5號線，支護樁邊線距離道路邊線最近距離為7.9m，距離5號線控制線最近距離為7.2m。地下室先施工，5號線后施工。

南側(cè)：為萬達公館，支護樁邊線距離萬達公館建筑物最近距離為11.3m。

西側(cè)：萬達售樓部（基坑施工前遷移），支護樁邊線距離售樓部外墻最近距離為2.1m，支護樁邊線距離堤防控制線最近距離為54.1m，距離堤腳線最近距離為98.0m。

北側(cè)：規(guī)劃新河街，支護樁邊線距離現(xiàn)狀道路圍墻邊線最近距離為1.8m。

圖1 項目區(qū)位圖

1.2.2 地下管線分布狀況

根據(jù)業(yè)主提供資料，基坑?xùn)|南角用地紅線范圍內(nèi)分布著電力管線和高壓電纜管線，基坑施工前應(yīng)遷移。

東側(cè)：和平大道分布著電信、電力、給水、雨水、污水等多條管線，距離最近的為電信管線，距離支護樁邊線最近距離為10.3m。

南側(cè)：分布著供水、污水、雨水和燃氣管線，距離支護樁邊線最近距離分別為4.1m、5.0m、6.5m、17.2m。

西側(cè)：沿江大道分布著多條市政管線，距離基坑最近的為電力管線，距離為49.9m。

北側(cè)：分布著給水、排水管線和電力管線，給水管線距離了支護樁邊線最近距離了為4.5m，排水管線距離支護樁邊線最近距離為7.1m，電力管線距離支護樁邊線最近距離為9.3m。

1.3 工程地質(zhì)和水位地質(zhì)概況

1.3.1 工程地質(zhì)概況

根據(jù)場地巖土工程勘察報告，場地屬于長江沖洪積一級階地?；娱_挖深度影響范圍內(nèi)土層自上而下為：1）雜填土和（1-2）素填土：場地較普遍分布，厚度較大，結(jié)構(gòu)松散，密實度不均勻，工程性質(zhì)差。作為坑壁土層，自穩(wěn)性差；2）粉質(zhì)黏土夾粉土、粉砂：粉質(zhì)黏土呈可塑狀態(tài)，局部軟塑，粉土呈中密狀態(tài)，粉砂呈松散狀態(tài)，該層土具中等承載力、中壓縮性。（2a）粉砂：呈松散狀態(tài)，該層土具中等承載力、中壓縮性。（3-1）粉質(zhì)黏土：呈可塑狀態(tài)，局部為軟塑，該層土具中等承載力，中壓縮性。（3-1a）淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：呈流塑狀態(tài)，該層土具有低承載力、高壓縮性的特點，工程性質(zhì)差。 （3-1b）粉質(zhì)黏土：呈軟塑狀態(tài)，該層土承載力較低、中偏高壓縮性。（3-2）粉質(zhì)黏土夾粉土、粉砂：粉質(zhì)黏土呈軟塑狀態(tài)，粉土呈中密狀態(tài)，粉砂呈稍密狀態(tài)，該層土具中等承載力、中壓縮性。（3-2a）黏土：呈軟塑狀態(tài)，該層土具低承載力、中偏高壓縮性，工程性質(zhì)差。 （3-2b）淤泥質(zhì)黏土：呈流塑狀態(tài)，該層土具有低承載力、高壓縮性的特點，工程性質(zhì)差。（4-1）粉細砂、（4-2）細砂，呈稍密-中密-密實狀態(tài)，該層土具中等承載力。

開挖時，在水的動態(tài)效應(yīng)下，基坑的底部3-2將層產(chǎn)生流土流砂現(xiàn)象，直接影響基坑的穩(wěn)定性，因此地下水對基坑施工產(chǎn)生了很大的影響。而基巖裂隙水主要存在于低基巖石中，主要接收上層水層中的滲漏的地下水?；鶐r裂隙水和壓力之間存在關(guān)聯(lián)，對基坑工程的影響較小。

1.3.2 水文地質(zhì)概況

基坑開挖影響深度范圍內(nèi)地下水主要為地下水類型可分為上層滯水、孔隙承壓水及基巖裂隙水。

1）上層滯水：主要賦存于①層人工填土層中，受大氣降水及周邊湖塘滲透補給，無統(tǒng)一自由水面，水位及水量隨大氣降水的大小而波動。

2）孔隙承壓水：孔隙承壓水主要賦存于④層中，其上覆③層黏性土可視為相對隔水頂板，下臥⑤層泥巖和石灰?guī)r可視為隔水底板。承壓水受季節(jié)性影響且與長江水有一定水力聯(lián)系，主要受側(cè)向徑流補給與排泄，枯水季節(jié)水位較低，豐水雨季則較高，對工程影響較大；承壓水測壓水位標高為18.55～19.00m。隨著長江水位的升降，承壓水位根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料年變化幅度為3～4m，預(yù)估歷年最高承壓水測壓水位標高20.0m左右。

3）基巖裂隙水：主要賦存于下部基巖中，主要接受其上部含水層中地下水的下滲及側(cè)向滲流補給?；鶐r裂隙水與承壓水呈連通關(guān)系，對基坑工程施工影響較小。典型地質(zhì)縱斷面如圖2所示。

1.4 基坑特點分析

根據(jù)以上基坑工程概況，可歸納基坑特點如下：1）基坑深、大：基坑深度深度約13.0m，基坑開挖面積12413m；2）工程地質(zhì)條件較差：基坑位于一級階地，基坑側(cè)壁和基底土層較差；3）周邊環(huán)境條件復(fù)雜：北側(cè)緊鄰健康路，東側(cè)緊鄰和平大道，南側(cè)緊鄰萬達小區(qū)；4）地下水：基坑離長江約100m，位于長江500m保護范圍內(nèi)。根據(jù)勘察報告地下水量較豐富，對基坑影響較大；5）基坑形狀不規(guī)則：基坑形狀成不規(guī)則的三角形。

圖2 典型地質(zhì)縱斷面圖

2 基坑支護設(shè)計

2.1 設(shè)計標準及基本條件

根據(jù)基坑開挖深度、場地工程地質(zhì)條件與水文地質(zhì)條件及周邊環(huán)境狀況，按照湖北省地方標準《基坑工程技術(shù)規(guī)程》（DB 42/159—2012）判定基坑工程重要性等級為一級，基坑設(shè)計等級為甲級。基坑施工期間，地面荷載取20kPa；兩道內(nèi)支撐被動區(qū)抗力安全系數(shù)：Ktk≥1.05；抗隆起安全系數(shù)：K1q≥1.8；支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計水平位移允許值：δ≤40mm。

2.2 基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)不同支護的段的地質(zhì)條件概況和周邊環(huán)境條件，以及基坑的特點，所有支護段均采用排樁+砼內(nèi)支撐支護。樁間坡面采用C20噴射混凝土護面，掛φ6.5@200x200鋼筋網(wǎng)。具體設(shè)計如下。

2.2.1 鉆孔灌注樁及冠梁設(shè)計

所有支護段支護樁樁徑1200mm，樁間距1.5m，樁長27～28m。

樁頂設(shè)置冠梁連接，冠梁規(guī)格為BH=1.4m×1.0m?；觽?cè)壁采用100mm厚C20噴射混凝土掛φ6.5@200mm×200mm鋼筋網(wǎng)護面。

其他說明如下：鋼筋采用HPB300鋼筋，fy=270N/mm，HRB400鋼筋，fy=360N/mm。灌注樁樁身采用鉆孔成孔，C30水下混凝土澆筑，鋼筋保護層厚度70mm。冠梁混凝土強度等級為C30，鋼筋保護層厚度40mm。

2.2.2 內(nèi)支撐設(shè)計

內(nèi)支撐采用鋼筋砼角撐方式，第一層內(nèi)支撐角撐采用BH=1.0m×1.0m鋼筋砼內(nèi)支撐，連桿采用BH=0.8m×0.8m鋼筋砼內(nèi)支撐，內(nèi)支撐中心標高24.62，內(nèi)支撐支撐在冠梁上。第二層內(nèi)支撐角撐采用BH=1.0m×1.2m鋼筋砼內(nèi)支撐，連桿采用BH=1.0m×1.0m鋼筋砼內(nèi)支撐，內(nèi)支撐中心標高23.32，內(nèi)支撐支撐在冠梁上。

鋼筋砼支撐均采用C30混凝土現(xiàn)澆。鋼筋砼支撐鋼筋保護層厚度為40mm。施工時鋼筋砼支撐下設(shè)置100mm厚C15素混凝土墊層。內(nèi)支撐與相交冠梁、圍檁、同一節(jié)點支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)同時澆筑。

2.2.3 立柱設(shè)計

支撐下設(shè)置型鋼格構(gòu)柱、格構(gòu)柱采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。立柱原則上布置在支撐節(jié)點上，同時避開梁柱體系。立柱基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁長20m，樁徑0.8m，鋼立柱采用4根∠160×160×16熱軋等邊角鋼和綴板拼接而成，綴板采用450×200×12鋼板，綴板間距0.75m。基坑支護平面示意圖如圖3所示。

2.2.4 地下水控制設(shè)計

根據(jù)巖土工程勘察報告，本場區(qū)的地下水主要為填土層中的上層滯水和孔隙微承壓水。上層滯水水量較少，對基坑影響較小，采用抽排處理；孔隙微承壓水采用深井降水。

1）地表水：在基坑周邊設(shè)置排水溝截排生活污水和地表水；2）上層滯水：坑底設(shè)置排水溝+集水井加以潛水泵抽排；3）孔隙承壓水：在基坑內(nèi)部布置6口觀測井兼?zhèn)溆镁?，井?5m。管井鉆孔孔徑均為550mm，采用沖擊鉆或回轉(zhuǎn)鉆機清水固壁鉆進，內(nèi)置250mm的濾水鋼管。

圖3 基坑支護平面示意圖

2.2.5 設(shè)計計算

對于基坑設(shè)計，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查，在基坑的邊界上選擇一些鉆孔以計算支撐結(jié)構(gòu)，本次使用地質(zhì)勘察的包絡(luò)設(shè)計，選擇具有特征的厚土壤的鉆孔層進行計算。同時，基于地質(zhì)和環(huán)境，將基坑分為幾個部分，選擇淤泥質(zhì)豁土較厚剖面作為計算示例，A-B段，樁身直徑1.2m，灌注樁設(shè)計彎矩取2968kN.m，剪力設(shè)計值取671kN，采用《理正結(jié)構(gòu)工具箱》進行樁身配筋計算?；又ёo計算模型如圖4所示。

圖4 灌注樁計算簡圖

采用“天漢深基坑設(shè)計軟件”計算，本基坑支護計算結(jié)果匯總見下表，具體計算結(jié)果詳見附表2。

表2 基坑支護計算數(shù)據(jù)匯總表

2.3 基坑抗突涌驗算

2.3.1 設(shè)計標準

本次基坑面積較大，深度大，基坑抗承壓水突涌穩(wěn)定系數(shù)不小于1.2，局部電梯井，面積較小，基坑抗承壓水突涌穩(wěn)定系數(shù)不小于1.05。

2.3.2 抗突涌驗算

依據(jù)湖北省《基坑工程技術(shù)規(guī)程》（DB42/T159—2012），抗突涌穩(wěn)定驗算公式為：Kty·Hw·γw≤D·γ。

式中，D—坑底至承壓含水層頂面的距離，m；γw—水的重度，取10kN/m；γ—D范圍內(nèi)土的平均天然重量kN/m；Hw—承壓水位高于含水層頂面的高度，m；Kty—坑底突涌抗力分項系數(shù)，取1.20。

按最不利鉆孔ZK60號鉆孔，進行抗突涌驗算如下：

由于：Kty·Hw·γw=12Hw≤D·γ=201.5，得Hw≤16.8

臨界承壓水位H=16.8+1.4=18.2

電梯井區(qū)域，根據(jù)地標Kty—坑底突涌抗力分項系數(shù)，取1.05。

按電梯井區(qū)域最不利鉆孔CK22號鉆孔，進行抗突涌驗算如下：

由于：Kty·Hw·γw=10.5Hw≤D·γ=195.9，得Hw≤18.66

臨界承壓水位H=18.66+0.1=18.7m

因此，場地承壓水位低于18.2m，基坑將不會產(chǎn)生突涌；當承壓水位高于18.2m，基坑施工必須進行降水。

2.3.3 基坑涌水量計算

場地豐水期承壓水位按24m考慮，根據(jù)基坑管井降水工程技術(shù)規(guī)程（DB42/T 830—2012）公式以及勘察報告提供的水文地質(zhì)參數(shù)，以最不利鉆孔CK59為例，進行基坑涌水量估算如下：

式中：k——含水層滲透系數(shù)（m/d）；M——含水層厚度（m）；l——過濾器進水部分長度（m）；R——引用影響半徑（m）；r——基坑半徑（m）；s——基坑地下水位設(shè)計降深（m）

根據(jù)勘察報告及基坑深度，k=15m/d，M=21m，s=7m，R=200m，r=62.88m，l=7m，計算基坑涌水量為8877m/d。

管井單井涌水量計算：

根據(jù)基坑管井降水工程技術(shù)規(guī)程（DB42/T 830—2012）公式以及勘察報告提供的水文地質(zhì)參數(shù)，管井單井出水能力計算如下：

式中：k——含水層滲透系數(shù)（m/d）；q——單井出能力（m/d）；l——過濾器進水部分長度（m）；r——基坑半徑（m）；根據(jù)勘察報告，k=15m/d，ru=0.275m，l=7m，計算單井涌水量為1788.8m/d?？紤]群井干擾等其他條件，管井設(shè)計單井出水量為1440 m/d，則基坑需要的降水井數(shù)量為：n=1.1×8877/1440=6.8

因此，基坑豐水期需要降水井數(shù)量為7口。

在基坑范圍內(nèi)布置7口觀測井兼?zhèn)溆镁?，管井孔徑?50mm，管徑為250mm，管井長度為35m，降水井設(shè)計抽水量50～70t/h。當監(jiān)測到承壓水位高于18.2m時，進行降水，將承壓水位應(yīng)降至18.2m以下即可。在降水實施過程中，應(yīng)先施工具有代表性的1～2口井進行抽水試驗，校核水文地質(zhì)設(shè)計參數(shù)后，方可進行其它降水井的施工。如發(fā)現(xiàn)水位地質(zhì)參數(shù)與勘察報告和設(shè)計取值有差異，及時提交設(shè)計方復(fù)核。

2.4 監(jiān)測

根據(jù)技術(shù)要求，基坑支護項目的監(jiān)測主要在水平變化，支撐力，水位，孔周圍建筑物的崩潰以及周圍道路的沉降。基于確定的結(jié)果，基坑樁頂水平位移的警報值在30mm或5mm/d的垂直警報下水平變化；表面沉降報警值為25mm或速度為5mm/d；軸力的報警值為70%的設(shè)計值；地下水位的報警值為1000mm或500mm/d的下降。

3 結(jié)語

基坑設(shè)計的過程是一個非常復(fù)雜的過程，在對勘察資料、環(huán)境，基坑深度深入了解后，選擇最符合實際，成本和環(huán)境友好，具有安全性的設(shè)計方案?；釉O(shè)計是一個單元計算，不但需要分析滲透條件、突涌以及完整的監(jiān)測系統(tǒng)等，還需要考慮相關(guān)措施和緊急施工技術(shù)。