深厚軟土地區(qū)地下立體車庫深基坑設(shè)計(jì)與變形分析

蔡豐錫，張振凱，鄭亞寧

(浙江嘉華建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 瑞安 325200)

0 引 言

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，大量人口向城市中心流入和集聚，城市中心交通擁堵和停車位短缺問題日益嚴(yán)峻，為了解決這些問題與矛盾，一些城市利用城市形象提升的契機(jī)在市中心綠地、老小區(qū)空地或休閑廣場修建地下立體車庫。伴隨著地下立體車庫的快速發(fā)展，其深基坑工程也向著更深更復(fù)雜方向發(fā)展，給深基坑設(shè)計(jì)和施工帶來更大的難度和挑戰(zhàn)，尤其是在深厚軟土地區(qū)。本文結(jié)合實(shí)際工程案例，對深厚軟土地區(qū)類似工程的設(shè)計(jì)方案選型、施工措施以及變形控制進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，積累了寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)，為地下立體車庫的發(fā)展提供支撐。

1 工程概況

此次研究對象為擬建的瑞安市安陽路地下立體車庫，工程位于瑞安市安陽路和塘河北路交叉口。地上建筑為2層，地下停車層數(shù)為4層，框架結(jié)構(gòu)，工程樁采用鉆孔灌注樁，基坑開挖深度為11.15～11.45 m，電梯井坑等深坑開挖深度為12.85 m。

基坑開挖深度范圍內(nèi)，淺層為素填土和黏土硬殼層，兩者合計(jì)厚度1.7～3.4 m，下部為2-1淤泥和2-2淤泥，兩者合計(jì)厚度為21.2～25.0 m，淤泥層往下為厚度在25.0～32.0 m黏土層。開挖影響深度范圍內(nèi)所取原狀土樣做水平、垂直滲透試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)，土的黏聚力с、內(nèi)摩擦角Φ通過固結(jié)快剪試驗(yàn)得到，經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)后得到以下基坑支護(hù)計(jì)算所需地基土參數(shù)指標(biāo)(表1)。

表1 基坑支護(hù)地基土設(shè)計(jì)參數(shù)表

本基坑工程周邊環(huán)境非常復(fù)雜，東側(cè)為楊家橋河，基坑與河道之間距離為1.55～7.45 m，河道水面較地面低約1.2 m，水深約2.5 m，該河道駁坎為漿砌駁坎，修建于20多年前；南側(cè)為塘河北路，基坑與道路之間距離約為10.5 m，道路下埋設(shè)有給水管、煤氣管和電力；西側(cè)為已建安陽路，道路寬度約為20 m，基坑與道路紅線之間最小距離為1.94 m，安陽路下埋設(shè)有雨水管、電力、給水管、污水管和煤氣管；北側(cè)為公園綠地，屬于本次綠地改造提升范圍?；涌偲矫鎴D如圖1所示。

圖1 基坑總平面圖

2 基坑方案選型

2.1 工程特點(diǎn)

從基坑的形狀、開挖深度、地質(zhì)條件以及周邊環(huán)境來分析，該基坑工程具有以下4個特點(diǎn)：

(1) 本基坑開挖深度為11.15～12.85 m，開挖深度范圍內(nèi)影響土層自上而下依次為雜填土層、黏土層、淤泥層和黏土層，其中淤泥層厚度為21～25 m，含水量高達(dá)65.1%，呈流塑狀，抗剪強(qiáng)度極差、承載力極低，易出現(xiàn)坑底土體隆起現(xiàn)象，基坑設(shè)計(jì)中需充分考慮場地地質(zhì)條件的不利影響。

(2) 場地西側(cè)為已建安陽路，安陽路作為瑞安市南北交通主干道，平時交通流量大且道路剛完成提升改造，同時道路下有較多地下管線(包括給水管、燃?xì)夤艿葔毫芫€)分布，在基坑開挖期間需予以重點(diǎn)保護(hù)，要求本基坑設(shè)計(jì)需充分控制圍護(hù)體的側(cè)向變形和穩(wěn)定，確?；娱_挖和地下室施工期間道路的正常使用。

(3) 基坑?xùn)|側(cè)為河道，圍護(hù)設(shè)計(jì)需對基坑采取有效的防滲漏措施，防止強(qiáng)降雨期間河水漲幅對基坑施工的不利影響。同時，由于河床埋深與地面高差較大，而西側(cè)主干道平時車流量較大，導(dǎo)致東、西兩側(cè)主動土壓力不平衡，需考慮采取適當(dāng)措施消除其不利影響。

(4) 基坑與周邊用地紅線之間距離極小，且基坑地處瑞安市中心地段，場地狹長，給基坑施工和出土帶來很大不便，將大大增加施工工期和基坑暴露時間，給基坑安全帶來不確定因素。

2.2 基坑圍護(hù)方案選型

綜合考慮本基坑開挖深度、周邊環(huán)境和地質(zhì)情況，可考慮的圍護(hù)方案有：

(1) 方案一：地下連續(xù)墻加兩道鋼筋混凝土內(nèi)支撐方案；

(2) 方案二：排樁加兩道鋼筋混凝土內(nèi)支撐方案；

(3) 方案三：排樁加三道鋼筋混凝土內(nèi)支撐方案；

(4) 方案四：排樁加一道鋼筋混凝土+兩道預(yù)應(yīng)力組合型鋼內(nèi)支撐方案。

典型設(shè)計(jì)剖面如圖2所示。

2.2.1 方案一

即地下連續(xù)墻加兩道鋼筋混凝土內(nèi)支撐方案。該方案圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度大，對周邊環(huán)境變形控制相對比較有利，但施工技術(shù)要求較高，工程造價也高，為確保地下室外墻不滲水，常需設(shè)置襯墻，這樣既增加了費(fèi)用，也減小了地下室空間。

2.2.2 方案二

即排樁加兩道鋼筋混凝土內(nèi)支撐方案。該方案屬傳統(tǒng)的基坑圍護(hù)方式，技術(shù)工藝成熟，施工質(zhì)量有保障，但由于本工程開挖深度較深，設(shè)置兩道鋼筋混凝土內(nèi)支撐，第一道支撐與第二道支撐、第二道支撐與開挖面之間的距離均超過5 m，圍護(hù)樁樁徑取為1 000 mm和1 100 mm，并結(jié)合被動區(qū)加固的情況下，經(jīng)計(jì)算，圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層土體變形達(dá)51.8～59.50 mm，樁身彎矩達(dá)1 700～1 987 kN·m，對周邊環(huán)境控制比較不利，且樁身配筋過大不經(jīng)濟(jì)。

2.2.3 方案三

即排樁加三道鋼筋混凝土內(nèi)支撐方案。該方案屬于方案二的優(yōu)化版本，通過設(shè)置三道鋼筋混凝土內(nèi)支撐，減小第一道支撐與第二道支撐、第二道支撐與第三道支撐、第三道支撐與開挖面之間的距離，尤其是第三者，通過對支撐在豎向上的合理布置，可使土體變形得到有效控制，同時樁身彎矩又比較小，從而達(dá)到安全性和經(jīng)濟(jì)性的最佳平衡，圍護(hù)樁樁徑取900 mm和1 000 mm，僅在關(guān)鍵部位設(shè)置被動區(qū)加固，被動區(qū)加固僅作為安全儲備考慮。經(jīng)計(jì)算，圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層土體變形為50.0～59.8 mm，樁身彎矩為1 368～1 910 kN·m，變形控制和樁身配筋較方案二均有優(yōu)勢。

圖2 典型設(shè)計(jì)剖面圖

2.2.4 方案四

即排樁加一道鋼筋混凝土+兩道組合型鋼內(nèi)支撐方案。該方案屬于方案三的優(yōu)化版本，將下面兩道內(nèi)支撐調(diào)整為預(yù)應(yīng)力組合型鋼內(nèi)支撐，通過在鋼支撐上設(shè)置預(yù)應(yīng)力或設(shè)置軸力伺服系統(tǒng)能更好地控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形[1]。但由于施工機(jī)械不能碰壓鋼支撐系統(tǒng)，同時本工程體型狹長的特征無法滿足盆式開挖的條件，只能采用先撐后挖的挖土方式。本工程基坑開挖深度范圍內(nèi)基本均為流塑性淤泥，這將給基坑土方開挖帶來很大的難度，且本地區(qū)無該工藝成熟的施工隊(duì)伍。

綜合考慮施工便利、周邊環(huán)境、工程造價和工程進(jìn)度等各方面因素，本工程確定采用方案三，即排樁加三道混凝土內(nèi)支撐的支護(hù)形式。

2.3 基坑設(shè)計(jì)控制要點(diǎn)

2.3.1 止水帷幕

本工程基坑開挖深度較深，單軸水泥攪拌樁自身工藝限制無法滿足施工質(zhì)量要求，因此本工程止水帷幕可采用三軸水泥攪拌樁或高壓旋噴樁。考慮本工程緊鄰已建道路和河道，河道駁坎修建年代久遠(yuǎn)工程質(zhì)量難以保障，同時，三軸水泥攪拌樁施工需占用的空間較大，對場地承載力的要求也較高，臨近河道施工時存在安全隱患，故本工程采取高壓旋噴樁作為止水帷幕。但是高壓旋噴樁施工對周邊環(huán)境存在一定的影響[2]，且圍護(hù)結(jié)構(gòu)與河岸距離過小，高壓旋噴樁施工存在漿液滲漏污染環(huán)境問題，因此在道路側(cè)與河道側(cè)高壓旋噴樁平面采取嵌樁的方式布置，施工工藝則采用定向擺噴的方式，以減小高壓旋噴樁施工對周邊環(huán)境的不利影響，布置方式如圖3所示。

圖3 高壓止水帷幕平面布置圖

另外，本工程基坑開挖面以下尚有10～15 m淤泥層，淤泥土層靈敏度高，相關(guān)工程案例表明坑底流塑性土體在機(jī)械開挖擾動后會在圍護(hù)樁間流動[3]，因此需對止水幕墻的入土深度提出一定的要求，本基坑設(shè)計(jì)采用繞止水帷幕底抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.0的設(shè)計(jì)方法，以避免或減小坑外土體由圍護(hù)樁間向坑內(nèi)隆起的可能性。

2.3.2 基坑漂移

本工程基坑?xùn)|側(cè)為河道且河床埋深較大，而基坑西側(cè)安陽路平時車流量大、交通荷載大，造成東西兩側(cè)主動土壓力非常不平衡，如不采取有效的工程措施將導(dǎo)致基坑整體向東側(cè)漂移。本基坑設(shè)計(jì)采用在基坑?xùn)|側(cè)河道處堆填沙包以增加該側(cè)主動土壓力，同時，在基坑西側(cè)道路側(cè)增設(shè)被動區(qū)加固以增加該側(cè)被動區(qū)土體抗力[4]，盡量減少基坑?xùn)|西兩側(cè)主動土壓力的差異。另外，在基坑應(yīng)急措施中明確圍護(hù)結(jié)構(gòu)如發(fā)生反向變形時應(yīng)及時在主動區(qū)增加沙包或土包進(jìn)行反壓，確?；觾蓚?cè)壓力的平衡和變形的可控。

2.3.3 淺層變形控制

本工程基坑距離西側(cè)安陽路最小距離僅1.94 m，開槽施工圍護(hù)樁和施工冠梁與第一道支撐時，需充分考慮開槽施工可能造成的淺層地表變形，本基坑設(shè)計(jì)將第一道支撐頂標(biāo)高與現(xiàn)狀地表做平，盡量減少開槽施工的深度以控制淺層變形。

3 基坑監(jiān)測結(jié)果與變形分析

為確?；拥陌踩捅Ｗo(hù)基坑周邊環(huán)境，在整個施工過程中對基坑進(jìn)行了全過程監(jiān)測，實(shí)行動態(tài)管理和信息化施工并為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。本工程共設(shè)置：9個深層土體水平位移監(jiān)測孔，每層布置6個軸力監(jiān)測點(diǎn)，4個立柱沉降觀測點(diǎn)，12個坑外地表沉降及水平位移監(jiān)測點(diǎn)，12個圍護(hù)樁樁頂位移監(jiān)測點(diǎn)，周邊地下管線、駁坎等布置19個監(jiān)測點(diǎn)。監(jiān)測工作從基坑土方開挖開始到地下室施工完成肥槽回填完成而結(jié)束，累計(jì)測量次數(shù)為132次。

根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算要求，土體深層位移報(bào)警值為60 mm。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果顯示，開挖至底板墊層底時基坑周邊布置的9個測斜孔CX1～CX9的最大水平位移值分別為50.11 mm、52.43 mm、52.30 mm、47.95 mm、59.72 mm、61.50 mm、62.92 mm、56.65 mm，水平位移累計(jì)值基本在深層位移報(bào)警值之下或稍稍超出報(bào)警值一點(diǎn)，與設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果基本吻合。以河邊測斜孔CX3和道路側(cè)測斜孔CX7為例，實(shí)測值與計(jì)算值對比如圖4所示，根據(jù)實(shí)測結(jié)果可知，河邊側(cè)各孔實(shí)測位移均小于計(jì)算值，道路側(cè)各孔實(shí)測位移基本與計(jì)算值持平，筆者分析其原因主要為河邊實(shí)際超載小于設(shè)計(jì)計(jì)算采用的15 kPa。

圖4 測斜孔CX3/CX7計(jì)算值與實(shí)測結(jié)果對比

地下室結(jié)構(gòu)完成時測斜孔CX1～CX9的最大水平位移值分別為70.25 mm、57.29 mm、64.09 mm、57.34 mm、85.87 mm、86.86 mm、83.22 mm、83.35 mm、85.92 mm，除河道側(cè)以外，其余各側(cè)測斜孔水平位移累計(jì)值均超出規(guī)范規(guī)定的變形允許值0.5%h[5]、深層位移報(bào)警值和理論計(jì)算值較多，筆者分析出現(xiàn)這種情況的主要原因有以下幾點(diǎn)：

(1) 基坑?xùn)|側(cè)距離河道很近，最小距離僅1.55 m，而且河道駁坎修建年代久遠(yuǎn)現(xiàn)狀質(zhì)量較差，基坑?xùn)|西兩側(cè)土壓力存在較大不平衡，基坑存在整體漂移的情況，根據(jù)河道側(cè)測斜孔CX2～CX4實(shí)測結(jié)果(圖5)可以發(fā)現(xiàn)，圍護(hù)樁樁頂變形均有向基坑外發(fā)展的情況。因此，被動區(qū)加固等措施無法從根本上解決基坑受力不平衡的問題，此消彼長，道路側(cè)變形發(fā)展大大超出預(yù)期，由于西側(cè)安陽路剛完成改造提升，基礎(chǔ)整體性較好，在安陽路西側(cè)路緣石處發(fā)現(xiàn)約10 mm裂縫。

(2) 大量深厚軟土地區(qū)的深基坑工程實(shí)踐表明[6，7]，軟土存在流變性，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形隨著開挖暴露時間的延長而增加，同時，在附加交通動載的作用下，軟土流變效應(yīng)尤為明顯。根據(jù)本工程施工日志可知，本基坑開挖期間由于中高考、渣土消納后場緊缺以及臺風(fēng)天氣等客觀因素，在基坑開挖后出現(xiàn)累計(jì)約1個月的停工情況，大大增加了基坑暴露時間，道路側(cè)實(shí)際累計(jì)變形均超計(jì)算值約30%。

(3) 基坑西側(cè)安陽路為瑞安市南北向交通主干道，車流密集，設(shè)計(jì)考慮的25 kPa超載偏小，這些交通動載對流塑性土體的作用主要分為兩個部分，一方面造成土體的壓縮變形，另一方面對高靈敏度土體的擾動，隨著基坑實(shí)際暴露時間的增加，土體變形發(fā)展進(jìn)一步加劇。

(4) 本基坑場地原為城市街頭綠地，地表雜填土最大厚度達(dá)3.2 m且含粒徑較大塊石，導(dǎo)致本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)成樁質(zhì)量和垂直度難以得到保障，根據(jù)現(xiàn)場開挖出來的情況可以發(fā)現(xiàn)，個別圍護(hù)樁露筋情況明顯，個別圍護(hù)樁垂直度遠(yuǎn)超規(guī)范要求，致使被動區(qū)加固樁與圍護(hù)樁無法貼合且圍護(hù)樁之間凈間距過大存在樁間流土的情況，加大了坑外土體變形量。

圖5 測斜孔CX2～CX4實(shí)測結(jié)果

4 結(jié)束語

瑞安市安陽路地下立體車庫工程開挖深度深、土質(zhì)條件差和周邊環(huán)境復(fù)雜，圍護(hù)設(shè)計(jì)采用鉆孔灌注樁加三道內(nèi)支撐的支護(hù)體系是合理可行的，采用嵌樁式定向擺噴的高壓旋噴樁作為止水帷幕取得了預(yù)期效果。采用繞止水帷幕底抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.0的設(shè)計(jì)方法，能有效減小坑底隆起風(fēng)險和隆起量。被動區(qū)加固等措施不能從根本上解決基坑兩側(cè)土壓力不平衡問題，基坑存在整體漂移可能，加劇基坑變形的發(fā)展，以后類似工程中需予以重視。深基坑開挖過程中高靈敏度軟土的流塑性同樣不容忽視，尤其是基坑周邊存在附加動載的情況下，本案道路側(cè)深層累計(jì)變形超設(shè)計(jì)計(jì)算值約30%。對于深厚軟土地區(qū)深基坑工程，圍護(hù)樁施工過程中樁身垂直度控制尤為重要，垂直度控制不力將導(dǎo)致圍護(hù)樁間凈距加大，樁間土拱效應(yīng)無法抵抗主動土壓力引起的樁間流土情況，從而加劇基坑變形的發(fā)展和對基坑周邊環(huán)境的不利影響。