復雜環(huán)境下深基坑圍護設計研究

趙兵兵

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

2002年，河畔的錢江新城開建，為了解決新城的排澇問題，這條農(nóng)灌渠被重新開挖、延伸?，F(xiàn)在的新塘河，起于姚江路錢塘江，在三堡船閘處入運河，河道寬10多米，全長約6km。新塘河江干段，北起京杭大運河，南至清江路段，宛如一條碧帶，坑圍護是為了深基坑土方開挖及其他地下結構施工擁有安全作業(yè)空間，減少深基坑施工對周圍建筑結構的不良影響，防止深基坑變形而采取的保護措施。深基坑施工具有風險性大、區(qū)域性強、時間效應強、系統(tǒng)性強等特點，而且受到環(huán)境條件影響比較大，處于復雜環(huán)境地區(qū)的深基坑工程必須要采取合理有效的圍護措施，在基坑設計時需要考慮基坑變形控制問題，因為復雜的環(huán)境下深基坑工程很容易發(fā)生變形[1]。基坑變形分為水平位移和垂直下沉變形兩種，如果基坑變形超出一定限值，并且不加以有效防范，很可能會降低基坑周邊建筑物的使用壽命，并且影響到基坑周邊建筑的正常使用，并且還會加速深基坑工程的失穩(wěn)破壞[2]。近年來，城市建筑規(guī)模和數(shù)量不斷增加，城市復雜環(huán)境下的深基坑變形問題更為嚴重，為此提出新塘河排水箱涵復雜環(huán)境下深基坑圍護設計方案，此次以新塘河為例，其地質條件比較復雜，新塘河排澇泵站明渠尾端接排水箱涵直通錢塘江，對錢塘江的影響較大，該地區(qū)深基坑施工面臨最大的問題是復雜的排澇泵站排水結構，設計圍護方案降低深基坑施工對新塘河排水箱涵影響。

1 工程概況及地質條件

1.1 工程概況

河匯項目位于杭州市上城區(qū)錢江新城核心地段，本項目為杭州重點工程，未來杭州市新地標項目。地位于杭州季青街道，北臨新塘河，西靠三新路，東依京杭運河，南至運河之江隧道，西南角為在建錢塘江博物館。三面臨水特征復雜，總建筑面積約137474.5m2，基坑周邊場地整平后絕對標高為7.00～10.00m，(其中新塘河駁坎側場地絕對標高為7.00～10.00m，東北角、新塘河泵站排水箱涵側場地絕對標高為10.00m)，根據(jù)地勢起伏(西低東高)。江河匯項目基坑大致呈矩形，面積約為32850m2，周長約為770m，長約260m，寬約135m，基坑工程開挖深度見表1。

表1 基坑工程開挖深度

現(xiàn)狀場地較為起伏，整體呈西地東高，地下三層底板厚取800mm。綜合考慮基底土質條件、坑邊承臺分布和墊層厚度，設計坑底標高為-8.20m(局部為-9.20m)。北側為已建新塘河駁坎及新塘河排澇泵站，東側為已建新塘河排水箱涵?；觾?nèi)邊線與北側新塘河駁坎水平間距約13.2m，與東北角新塘河排澇泵站水平間距約9.2m，與東側新塘河泵站排水箱涵水平間距約7.7m。

1.2 地質條件

在勘探深度范圍內(nèi)可分為12個工程地質層，其物理力學特征見表2。

表2 深基坑工程土層物理力學參數(shù)指標匯總表

根據(jù)地勘報告，場地內(nèi)填土厚度普遍較大，一般為3.0～8.0m左右，回填土多含碎石、建筑垃圾及生活垃圾等，尤其是1層雜填土，局部粗骨粒含量高達30%～60%，粒徑一般2～8cm，最大粒徑大于20cm。據(jù)現(xiàn)場地質調查，本場區(qū)地勢平坦，受后期人類活動影響，地勢稍有起伏。

2 基坑圍護設計方案

2.1 基坑圍護設計要求

根據(jù)的特點，基坑圍護設計需重點考慮以下因素：周邊環(huán)境復雜、保護要求高，南側為已建運河之江隧道，東側為已建排水箱涵，西側為市政道路，北側為新塘河駁坎，東北角為新塘河排澇泵站，西南角為在建錢塘江博物館，同時西側及西北角周邊市政管線較多，基坑對變形均較為敏感，特別是東側已建排水涵管、北側新塘河駁坎以及東北角新塘河排澇泵站，位移控制要求高，需特別加強保護；開挖范圍內(nèi)為粉砂土，且緊鄰錢塘江、京杭運河及新塘河，水源補給充沛，需做好降排水措施，避免基坑滲漏；同時淤泥質粘土位于坑底以下，且土層較薄，樁底容易進入土質較好的粘土層?；悠矫婷娣e大，開挖深度深，空間效應較差；距離用地紅線近，約3～4m，場地條件緊張；場地標高起伏大，西低東高，基坑受不均衡周邊荷載作用，需合理考慮。

2.2 基坑圍護方案

本著“確保安全、加快進度、節(jié)省造價、方便施工”的原則，經(jīng)多方案分析比較，針對本工程實際情況、周邊環(huán)境和鄰近建構筑物的保護要求，最終確定采用如下方案：地下連續(xù)墻/鉆孔灌注樁結合2～3道內(nèi)支撐支護，其中新塘河排澇泵站、駁坎及排水箱涵側采用φ1200和φ1400mm鉆孔灌注樁結合3道水平支撐支護，圍護結構平面布置圖如圖1所示。

圖1 圍護結構平面布置圖

如圖1所示，南側緊鄰運河之江隧道側為1000mm厚地下連續(xù)墻，槽壁加固為φ850mm三軸水泥攪拌樁；東側近運河側(地勢較高)為φ1200mm和φ1400mm鉆孔灌注樁結合700mm厚TRD止水帷幕；其余范圍φ1100mm和φ1300mm鉆孔灌注樁結合700mm厚TRD止水帷幕。

2.2.1支撐體系

整體設置二道鋼筋混凝土水平內(nèi)支撐，南側及東北角設置三道鋼筋混凝土水平內(nèi)支撐，東側中部設置一道鋼筋混凝土斜撐+二道鋼筋混凝土水平內(nèi)支撐，斜撐位置第二道支撐增設混凝土板帶。各道支撐標高分別為9.00、3.75及-3.400m。

2.2.2降排水措施

TRD/三軸水泥攪拌樁均穿透粉砂土層進入下部不透水層，基坑外為控制性降水至地表下5m；運河之江隧道側坑外為應急井，正常情況下不得開啟，僅作為在發(fā)生滲漏險情的情況下方可開啟使用(啟用時降深應控制在5m以內(nèi))，使用前應征得設計單位同意[3]。根據(jù)相關設計規(guī)范，對承壓水突涌復核計算：

γm(t+Δt)/Pw≥1.1

(1)

式中，γm—透水層以上土的飽和重度，kg/m3；t+Δt—透水層頂面距基坑底面的深度，m；Pw—含水層水壓力，N。

經(jīng)驗算，土方開挖至基坑底標高時，抗突涌穩(wěn)定性系數(shù)為1.22～1.45，大于規(guī)范要求的1.1，因此承壓水對基坑開挖影響不大，無需采取專項處理措施。但仍應注意以下方面：確保所有地質勘察鉆孔施工結束后均進行有效封孔；鉆孔灌注樁施工時應控制泥漿的重度、黏度等指標，孔壁泥皮不宜過厚[4]。避免沿勘察鉆孔或樁基側壁形成承壓水通道，影響基坑安全施工。坑中坑采用高壓旋噴樁重力式擋墻結合坑內(nèi)滿堂加固，大門設置于西側，土方車輛經(jīng)棧橋至三新路出土，待施工單位確定后另行深化。

2.3 基坑施工順序

2.3.1平面施工順序

基坑應采取分區(qū)分塊開挖，具體要求如下：(1)基坑應分層分塊開挖，分層厚度不超過1.5m，沿基坑邊20m作為一個施工段，各施工段之間應跳挖施工。(2)基坑按設計總說明中的要求分層分塊施工至于支撐梁底標高后，剩余土方根據(jù)圖紙中的分塊，分成8個施工分塊，按分塊順序開挖下層土方，前一分塊底板施工完畢后，方可開挖下一分塊支撐梁底標高以下的土方[5]。(3)各分塊應結合后澆帶設置，若分塊與后澆帶差距較大，應在相應位置增設施工縫或后澆帶。

2.3.2斜撐范圍施工順序

三軸攪拌樁、TRD、地連墻、鉆孔灌注樁、立柱樁施工；斜撐范圍留土開挖至二道撐底，施工留土范圍外二道梁及第一道斜向支撐；開挖留土范圍土方，施工留土范圍內(nèi)第二道支撐梁；開挖至第三道支撐梁底，施工第三道支撐梁；開挖至坑底，施工底板；施工底板斜換撐，拆除第三道支撐；依次施工B2板、B1板及型鋼斜換撐，拆除第一、二道支撐；施工地下室頂板，土方回填，拆除型鋼斜換撐。

2.4 針對新塘河排澇泵站、駁坎及排水箱涵的保護措施

圍護設計單位針對新塘河排澇泵站、駁坎及排水箱涵的保護措施如下。

(1)為防止地下水滲漏造成地表沉降并對新塘河排澇泵站、駁坎及排水箱涵產(chǎn)生不利影響，新塘河排澇泵站、駁坎及排水箱涵側采用700厚TRD止水帷幕，并且TRD穿透淤泥質粉質黏土夾粉土層。

(2)北側及東側坑外控制性降水，降水至地表下5m。

(3)出土口設置在基坑西側，避免出土車輛荷載對隧道的不利影響[6]。

(4)對基坑和新塘河排澇泵站、駁坎及排水箱涵進行全方位和全周期的監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)科學動態(tài)施工。

3 深基坑圍護設計方案論證分析

結合基坑圍護設計方案具體的施工工況要求，對深基坑圍護設計方案進行論證分析，論證該設計方案的可行性。利用Plaxis軟件對新塘河排水箱涵復雜環(huán)境下深基坑圍護設計方案進行二維有限元分析，依據(jù)分析類型的不同，選取A-A、B-B、C-C 3個斷面作為分析對象，分析土方開挖至第三道支撐底、土方開挖至坑底標高、拆除第一道支撐并完成換撐3個工況，基坑主體結構與排水箱涵位移情況，二維有限元計算結果匯總見表3。

表3 二維有限元計算結果匯總

通過二維有限元分析得出以下主要結論：隨著旁側基坑開挖，結構變形主要表現(xiàn)為水平方向開挖側變形，豎直方向沉降，A-A斷面當土方開挖至坑底標高時，圍護結構的最大水平變形42.8mm，排水箱涵的最大水平變形25.51mm，最大沉降-21.68mm。B-B斷面當土方開挖至坑底標高時，圍護結構的最大水平變形42.52mm，駁坎的最大水平變形17.43mm，最大沉降-19.39mm。C-C斷面當土方開挖至坑底標高時，圍護結構的最大水平變形44.06mm，排澇泵站的最大水平變形8.066mm，最大沉降-7.074mm。

二維有限元計算只能考慮平面應變問題，因此無法完全反映基坑與隧道的真實關系。實際施工時沿隧道一側基坑應采取分區(qū)、分塊、分層開挖措施。為反映開挖實際情況，應進一步采用三維有限元分析軟件，以進一步精確分析基坑開挖對隧道的影響。三維模型增加了新塘河排澇泵站、駁坎、排水箱涵在基坑圍護結構延伸方向的維度。按照力學分析結果，模型橫向邊界到結構的邊界的距離應大于3～5倍的結構尺寸，模型下邊界到圓礫層，上部邊界為地表。同時考慮到本模型主要考慮鄰近基坑開挖對新塘河排澇泵站、駁坎、排水箱涵的影響，因此模型邊界到基坑邊的距離要大于1.5～2倍的基坑開挖深度。因此，模型的尺寸為420m×400m×60m，三維有限元計算結果匯總見表4。

表4 三維有限元計算結果匯總

通過三維有限元分析得出，上文提出深基坑圍護設計方案可以滿足GB 261448—2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》規(guī)定要求，嚴格按照設計提出的施工分塊、控制施工時間、控制施工荷載等措施，在圍護結構(圍護樁、止水帷幕等)施工質量可靠的前提下，不會對新塘河排澇泵站、駁坎及排水箱涵結構的安全產(chǎn)生不利影響，變形總體滿足控制要求[7]。盡管如此，考慮到基坑施工過程中的風險因素，圍護結構的可靠性和實際施工應遵循“分層、限時”的原則，盡可能減少新塘河排澇泵站、駁坎及排水箱涵結構的風險。

4 結語

深基坑圍護設計是深基坑施工方案設計中重點部分，設計一套科學合理的深基坑圍護方案，對確保深基坑施工安全和質量具有重要作用，尤其是在復雜施工環(huán)境下，深基坑圍護設計更是重中之重。此次針對新塘河排水箱涵復雜環(huán)境下深基坑變形問題，提出了一個圍護設計方案，論證了該方案的可行性，結果表明方案切實可行，為臨河區(qū)域排水箱涵復雜環(huán)境下深基坑圍護施工提供了可靠的參考依據(jù)，為新塘河的發(fā)展提供了理論依據(jù)。由于基坑維護結果受力分析采用理論數(shù)值模擬分析，可能與實際地質情況存在一定偏差，基坑維護施工過著中，應加強施工質量控制，加強地下水位，支護結構位移及周邊環(huán)境的監(jiān)測。