鄰近建筑物和城市道路的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)分析

劉 璐，曹 陽(yáng)

（1：吉林省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，吉林 長(zhǎng)春 130011；2：敦化市建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站，吉林 敦化 133700）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目增多，城市商業(yè)區(qū)建筑越來(lái)越密集，新建建筑多設(shè)有地下室，地下室部分也越來(lái)越深。在城市中心商業(yè)區(qū)，新建的許多建筑基坑都無(wú)法避免地緊鄰周邊既有建筑或城市主干路。這對(duì)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的考驗(yàn)越來(lái)越大，既要保證基坑安全，也要保證周邊既有建筑和道路的安全，還要盡量節(jié)約成本，降低預(yù)算[1]。

當(dāng)前深基坑支護(hù)形式的計(jì)算方式主要以英國(guó)學(xué)者朗肯1857 年提出的朗肯土壓力理論模型來(lái)計(jì)算基坑內(nèi)外側(cè)土壓力；利用極限平衡理論計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移；采用1915 年瑞典彼得森提出的瑞典條分法來(lái)計(jì)算整體穩(wěn)定性[2]。

1 研究項(xiàng)目基本概況

該研究項(xiàng)目位于吉林省延吉市某商業(yè)中心，基坑周長(zhǎng)320 m，地勢(shì)變化小，場(chǎng)地平坦，以自然地面起算的支護(hù)深度為10 m。周圍鄰近市政主干路（距基坑邊緣最短距離4.23 m）和既有建筑（距基坑邊緣最短距離5.41 m），主要采用排樁加錨索支護(hù)形式，局部采用雙排樁支護(hù)形式。

1.1 地層及參數(shù)

據(jù)工程地質(zhì)勘探資料顯示，該段地層上部主要為中砂和圓礫，中砂厚度為2.3 m～3.5 m，承載力特征值為180 kPa；圓礫厚度為2.0 m～3.2 m；下部為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖；局部夾層中存在強(qiáng)風(fēng)化細(xì)砂巖和中風(fēng)化細(xì)砂巖。

1.2 地下水條件

項(xiàng)目場(chǎng)地地下潛水水位埋深2.0 m～3.8 m，高程為170.37 m～172.17 m。水位隨季節(jié)浮動(dòng)，年變幅約為2.0 m，勘探時(shí)處于枯水期，水位屬于一年中較低水平。地下水滲透系數(shù): 中砂k=20.0 m/d、圓礫k=100 m/d。

1.3 承載力參數(shù)

各層巖土地基承載力特征值見(jiàn)表1。

表1 各層巖土地基承載力特征值 kPa

2 深基坑支護(hù)的常見(jiàn)形式

基坑支護(hù)設(shè)計(jì)從確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式開始，在分析支護(hù)結(jié)構(gòu)可行性時(shí)，其主要因素有：基坑開挖深度；地層參數(shù)；地下水情況；基坑周邊環(huán)境復(fù)雜程度、破壞造成的影響程度；基坑所處位置是否允許足夠空間；項(xiàng)目所在場(chǎng)地是否允許支護(hù)結(jié)構(gòu)施工的工藝；施工工期要求；預(yù)算要求等。目前在北方地區(qū)常見(jiàn)的基坑支護(hù)形式主要有以下幾種。

2.1 放坡

由于放坡需要合理的坡比，邊坡上口線往往距離基坑底部有一定距離，要求基坑周邊有充足的空間。另外，放坡支護(hù)的水平位移較大，容易導(dǎo)致周邊既有建筑、道路或管網(wǎng)出現(xiàn)變形，因此對(duì)變形控制嚴(yán)格的基坑不可采用放坡支護(hù)。但是這種支護(hù)方式工程預(yù)算最低。一般來(lái)說(shuō)，施工現(xiàn)場(chǎng)滿足放坡條件的三級(jí)基坑工程可采用放坡方式，由于放坡支護(hù)形式的施工大部分來(lái)自土石方的清運(yùn)，所以操作簡(jiǎn)單，效率較高。并且放坡這種形式經(jīng)常作為其他支護(hù)形式的補(bǔ)充，多用于基坑上半部分，可卸載部分土壓力，配合其他支護(hù)形式協(xié)同支護(hù)。

2.2 水泥土墻

水泥土墻是指利用工程機(jī)械將土和水泥漿攪拌在一起，形成一道由其混合物組成的墻體，以此作為抵擋土壓力和基坑外地下水的結(jié)構(gòu)。此方式就地取材，施工過(guò)程中全部采用機(jī)械化，效率較高，可以一次解決需要抵擋土和水兩個(gè)問(wèn)題，省去了降水井的施工步驟，有利于節(jié)約成本、縮短工期，被廣泛采用于二級(jí)、三級(jí)基坑的支護(hù)當(dāng)中[3]。

2.3 鋼板樁支護(hù)

鋼板樁一般是指拉森鋼板樁，是采用固定截面、定制長(zhǎng)度、可以相互咬合的厚鋼板材料。在支護(hù)施工時(shí)，采用振動(dòng)錘擊的方式錘入土體，彼此間相互咬合，形成密閉空間，既能抵擋土壓力，也能抵擋地下水，并且鋼板樁在基坑回填后可以回收再利用，具有經(jīng)濟(jì)性和高效性。

2.4 排樁支護(hù)

用于基坑支護(hù)的排樁一般分為人工挖孔樁、灌注樁、預(yù)制混凝土樁、鋼板樁，其可作為保證基坑開挖后周邊土體穩(wěn)定性的一種支護(hù)形式。按照樁身埋置方式和支撐形式可分為支錨式、懸臂式兩種方式，并且通過(guò)鋼筋混凝土冠梁在樁頂連接排樁樁頭，或在樁身位置用鋼腰梁連接樁身，進(jìn)一步增加穩(wěn)定性和完整性。

2.5 土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)

土釘墻是一種在土體中加入鋼筋的支護(hù)結(jié)構(gòu)，俗稱加筋土，是指利用穿過(guò)基坑潛在滑裂面的鋼筋，來(lái)加固滑裂面抗滑強(qiáng)度，從而達(dá)到對(duì)滑動(dòng)土體增加強(qiáng)度的效果。在土釘施工完畢后，應(yīng)在基坑側(cè)壁采用噴射混凝土以保護(hù)坡面，并在其中設(shè)置泄水孔。否則在雨季到來(lái)時(shí)，雨水倒灌入土，會(huì)導(dǎo)致滑裂土體的總應(yīng)力大幅增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致基坑失穩(wěn)。土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)施工相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，在二級(jí)、三級(jí)基坑中效果非常好。這種支護(hù)結(jié)構(gòu)一般要求基坑周邊土體自穩(wěn)性較好。

2.6 地下連續(xù)墻

地下連續(xù)墻是指埋于地下的鋼筋混凝土墻，在基坑開挖之前應(yīng)沿著基坑邊線打造擋土墻，隨著基坑開挖，整個(gè)墻面逐漸暴露出來(lái)，其可以抵擋基坑外的土壓力和地下水，是一舉兩得的支護(hù)形式，但由于其采用大量的鋼筋混凝土，造價(jià)非常昂貴，因此只有在地下土層參數(shù)非常差時(shí)才會(huì)考慮。

2.7 支撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)

支撐式支護(hù)一般分為鋼支撐和鋼筋混凝土支撐兩種，其整體性好，安全系數(shù)高，能夠較好地限制支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移，適用條件廣泛，一般用于較深的基坑。但是內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)中施工工作空間狹小不利于主體結(jié)構(gòu)施工和土方搬運(yùn)。且其造價(jià)相對(duì)較高。一般在主體結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，會(huì)涉及拆撐和換撐工況，導(dǎo)致基坑施工工期較長(zhǎng)。

3 深基坑設(shè)計(jì)方案

3.1 工程概況

3.1.1 基坑尺寸

該研究項(xiàng)目地下室共計(jì)2 層，周長(zhǎng)約300 m，開挖深度達(dá)到10 m。

3.1.2 環(huán)境條件

場(chǎng)地周邊存在既有建筑物，基坑三條邊臨近市政道路，基坑四周存在地下管線，環(huán)境較復(fù)雜。要求基坑水平變形控制在2 cm 以內(nèi)。

3.1.3 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)的確定

該研究項(xiàng)目基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)失效、土體過(guò)大變形對(duì)基坑周邊環(huán)境或主體結(jié)構(gòu)施工安全的影響嚴(yán)重。依據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》JGJ 120—2012，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)[4]。

3.2 支護(hù)方案擬選

從基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)類型及其優(yōu)缺點(diǎn)中可以看出，對(duì)于容易產(chǎn)生較大變形的土釘墻、水泥土墻支護(hù)形式不能滿足安全等級(jí)要求。放坡支護(hù)形式?jīng)]有足夠的空間，因此將此三項(xiàng)排除。

綜合考慮基坑開挖、周邊環(huán)境、地層情況、施工工藝，該基坑支護(hù)方案可采用以下4 種支護(hù)方式：①內(nèi)支撐；②地下連續(xù)墻；③雙排樁；④樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)?？筛鶕?jù)其優(yōu)缺點(diǎn)選擇最合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

1）內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)

優(yōu)點(diǎn)：支撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)可以適合多種形狀的基坑，整體穩(wěn)定性較好，安全系數(shù)高，成型后結(jié)構(gòu)水平位移小，適用于開挖較大、較深基坑。

缺點(diǎn)：內(nèi)支撐桿件會(huì)影響基坑出土和內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)施工，有時(shí)還會(huì)涉及拆撐和換撐的步驟，造成工期延長(zhǎng)的后果，而且造價(jià)很高，最終拆除的混凝土支撐也很難回收利用。

2）地下連續(xù)墻

優(yōu)點(diǎn)：整體性好，成型后結(jié)構(gòu)水平位移小，可以在土層參數(shù)很差的條件下起到穩(wěn)固土體的作用，可擋土、擋水，一舉兩得。施工速度較快。

缺點(diǎn)：施工工藝中不可避免地產(chǎn)生大量泥漿，污染環(huán)境。造價(jià)高。

3）雙排樁支護(hù)

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)原理和適用性等同于單排樁支護(hù)，但其在土壓力方向具有更大的擋土截面，在位移控制上效果更好。

缺點(diǎn)：造價(jià)高。

4）錨拉排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)

優(yōu)點(diǎn)：整體剛度大，能夠有效限制變形，環(huán)境污染小，施工簡(jiǎn)單，基坑內(nèi)部空間充裕，方便施工，土石方開挖、清運(yùn)較為方便。整體造價(jià)較低[5]。

缺點(diǎn)：基坑周邊有地鐵盾構(gòu)項(xiàng)目時(shí)不可采用，錨索會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)刀盤損壞。

以上4 種方案，結(jié)合研究項(xiàng)目的具體情況，從安全性、施工工藝、成本預(yù)算、工期要求等方面綜合分析，該基坑最終確定采用雙排樁加樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)兩種支護(hù)形式。

3.3 設(shè)計(jì)依據(jù)

考慮基坑周邊既有建筑及施工便道的重載車輛，荷載平均按40 kPa 計(jì)入。

場(chǎng)地地層參數(shù)取值見(jiàn)表2。

表2 場(chǎng)地地層參數(shù)

4 具體支護(hù)方案及計(jì)算模型

采用北京理正深基坑軟件(F-SPW7.0)進(jìn)行模型計(jì)算。由于本研究項(xiàng)目基坑支護(hù)設(shè)計(jì)根據(jù)的基坑形狀、周邊環(huán)境、土層參數(shù)、高程等不同，采用了兩種不同的支護(hù)結(jié)構(gòu)，在基坑的不同位置應(yīng)用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式，其中1-1 剖面采用樁錨支護(hù)，2-2 剖面采用雙排樁支護(hù)形式。具體方案如下。

1-1 剖面：此段為樁錨支護(hù)，基坑深度10 m，排樁樁頂標(biāo)為地表下1 m，鉆孔灌注樁樁徑800 mm，間距1 200 mm，有效樁長(zhǎng)12 m，樁體混凝土強(qiáng)度為C30。共設(shè)置3 道錨索，錨索水平間距2.4 m，預(yù)加力150 kN。

2-2 剖面：此段為雙排樁支護(hù)，基坑深度10 m，排樁樁頂標(biāo)高位于地表，鉆孔灌注樁樁徑800 mm，間距1 200 mm，有效樁長(zhǎng)16 m，樁體混凝土強(qiáng)度為C30。

此方案采用頂部稍作放坡處理，下部采用樁錨支護(hù)的形式進(jìn)行支護(hù)，平衡周邊荷載，合理坡比放坡，可縮短支護(hù)排樁的樁長(zhǎng)，減少混凝土和鋼筋用量，并合理設(shè)置錨索，可減少支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)的土壓力及地表荷載傳遞的壓力，縮小基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移，在保證相同安全系數(shù)下，減小錨索長(zhǎng)度。

5 支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形分析

本文選擇了樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)（1-1）和雙排樁（2-2）兩種支護(hù)形式，具體計(jì)算情況如下。

1-1 剖面：開挖到底工況位移為14.84 mm、支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩最大值86.67 kN，剪力最大值78.44 kN。①計(jì)算方法：瑞典條分法；②應(yīng)力狀態(tài)：有效應(yīng)力法；③條分法中的土條寬度:1.00 m；④整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=2.926>1.35,滿足規(guī)范要求；⑤抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算：最小安全系數(shù)Kt=25.316>1.250，滿足規(guī)范抗傾覆要求；⑥最小安全系數(shù)Kov=4.613>1.250，滿足規(guī)范要求；⑦開挖到底工況最大水平位移為14.86 mm，符合要求（見(jiàn)圖1）。

圖1 1-1 剖面整體穩(wěn)定驗(yàn)算簡(jiǎn)圖（m）

2-2 剖面：開挖到底工況位移為14.67 mm、支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩最大值243.37 kN，剪力最大值96.08 kN。①計(jì)算方法：瑞典條分法；②應(yīng)力狀態(tài)：有效應(yīng)力法；③條分法中的土條寬度:1.00 m；④整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=3.082>1.350，滿足規(guī)范要求；⑤抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算：抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)KQ=4.488>1.250，滿足規(guī)范要求；⑥開挖到底工況最大水平位移為14.67 mm，符合要求（見(jiàn)圖2）。

圖2 2-2 剖面整體穩(wěn)定驗(yàn)算簡(jiǎn)圖（m）

6 結(jié)論

深基坑的支護(hù)較為復(fù)雜，涉及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問(wèn)題，也涉及周邊建筑物、道路、管線的安全問(wèn)題，項(xiàng)目所在場(chǎng)地的環(huán)境也要考慮在內(nèi)。本工程實(shí)踐證明，采用雙排樁加樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)加固方式的基坑支護(hù)，成本較低，施工效率高，對(duì)周圍建筑物、市政道路及管線影響小，可應(yīng)用于城市中心位置的基坑工程。