深厚軟土地區(qū)緊鄰既有高層建筑物的城市下穿隧道基坑的設計分析

陳繼燦

[濟南市市政工程設計研究院(集團)有限責任公司廣州分公司,廣東 廣州 510000]

0 引 言

在珠三角區(qū)域,中山市是軟土主要分布的城市。該地的軟土主要是②層的沉積性淤泥質(zhì)土,其特征是高含水率、高壓縮性、流動性好以及抗剪切強度低等。[1]在這種土質(zhì)下開挖基坑帶來的風險問題比較多,環(huán)境影響也相對較大。[2]本文以中山市的某城市下穿隧道基坑項目為研究對象,詳細闡述了臨近既有高層建筑的隧道基坑工程的設計及施工中的要點和困難以及實施效果,對其他工程來說具有較好的借鑒意義。

1 項目概況

1.1 基坑概況

工程位于中山市石岐區(qū),隧道總長1.299 km。目前項目分兩個階段施工,先施工段起于岐峰路東側(cè)(K0+420),至岐港公路(K0+760),合計340 m?；映书L條形,基坑開挖深度7.5～11.6 m。北側(cè)緊鄰已建的高層住宅區(qū),南側(cè)為未開發(fā)的地塊,正在整平場地,地形開闊?；优c周邊環(huán)境關(guān)系如圖1所示。

圖1 基坑與周邊環(huán)境關(guān)系圖

1.2 工程地質(zhì)

擬建場地位于珠江三角洲平原中部地區(qū),屬沖積平原地貌。第四系土層為填土、沖積土、殘積土;基巖為燕山期地層,巖性為花崗巖。各土層的物理力學性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 巖土參數(shù)表

2 基坑難點分析

(1) 地質(zhì)差:基坑地基土屬于珠三角地區(qū)典型軟土,軟土為灰黑色的淤泥質(zhì)土,②-1層平均厚度為12.6 m,②-4層平均厚度為4.4 m,不僅厚度大,而且分布廣。基坑開挖深度大多位于②-1層的深度內(nèi),基坑支護及土方開挖難度較大。

(2) 地下水位高:勘察穩(wěn)定水位埋深0.2～3.01 m,雖然②-6粗砂層中為潛水,但仍存在支護樁和止水帷幕施工打穿該粗砂層后,沿著樁位突涌的風險。

(3) 周邊環(huán)境保護:基坑北側(cè)臨近已建3棟30層高層住宅和1層地庫,距離基坑邊7.6～10.54 m,位于1倍基坑深度影響范圍內(nèi),保護要求高。

3 支護方案

3.1 支護措施

由于基坑開挖超過8 m,基坑北側(cè)已建建筑物須重點保護,軟土深厚,因此根據(jù)地區(qū)基坑設計及施工經(jīng)驗,綜合比較方案的經(jīng)濟性和合理性,支護結(jié)構(gòu)采用直徑1.0 m鉆孔灌注樁@1.3 m+內(nèi)支撐+三軸攪拌樁止水的方案。具體剖面圖如圖2所示。

圖2 基坑支護剖面圖

3.2 剖面計算

現(xiàn)行規(guī)范并未明確規(guī)定如何處理樁基礎建筑基底附加荷載的問題,參考《河南省基坑工程技術(shù)規(guī)范》(DBJ 41/139—2014)第5.5.5條:作用于既有建筑基底(樁基礎底遠超基坑底)的超載值q1可按基底天然承載力特征值的10%～20%取用。[3]②-1層淤泥質(zhì)土天然地基承載力特征值為60 kPa,本剖面計算按照20%計算,即12 kPa,考慮一定安全儲備,按照20 kPa計算,得到支護結(jié)構(gòu)最大水平位移為15.89 mm。同時下文通過數(shù)值模擬計算,檢驗該條文中取值的合理性。

4 模型計算

4.1 計算模型

本次采用PLAXIS有限元軟件對距離基坑較近的11#、12#的高層住宅區(qū)域在基坑開挖階段進行模擬分析。本研究模型范圍長132.5 m,寬125 m,如圖3所示。

圖3 整體模型軸視圖

土體本構(gòu)模型采用HSS硬化土小應變本構(gòu)模型[4,5],參數(shù)如表1所示。結(jié)構(gòu)與土體之間的接觸面強度參數(shù)在原狀土強度的基礎上按0.7考慮[6,7]。按照實際施工工序進行模擬,共分為11個施工工況,見表2。

表2 計算工況

4.2 計算結(jié)果

(1) 根據(jù)模擬結(jié)果,支護結(jié)構(gòu)最大位移發(fā)生在工況7基坑開挖至基坑底時,支護結(jié)構(gòu)水平變形為9.854～10.35 mm,如圖4所示。在拆撐過程中,變形結(jié)構(gòu)變化不大,主要因為隧道地板施工后,可以有效控制支護結(jié)構(gòu)位移。

圖4 水平位移(工況7)

(2) 本次計算主要關(guān)注基坑開挖對臨近的11#和12#建筑的影響。通過查看樁基的變形情況,樁基礎在基坑開挖過程中的總位移為4.274 mm。查看位移監(jiān)測點的數(shù)據(jù)情況,如圖5所示。隨著基坑的開挖,樁基變形逐漸增大,而且有2個明顯的位移增加的過程,這與兩次開挖工況是相對應的,在底板澆筑完成后,基坑位移基本穩(wěn)定,但后續(xù)的換撐時,基坑位移有一定增加,但增量較小。比較11#和12#監(jiān)測點位移,12#樓距離基坑更近,受到的影響相對敏感,但總體上基坑開挖對樁基礎的影響是很小的。

圖5 數(shù)值模擬監(jiān)測點位移變化

4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

本段工程共進行了130次監(jiān)測,監(jiān)測點布置如圖6所示。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,當基坑挖掘到基底,圍護樁(S17～S23點)的水平向形變范圍為9.96～17.09 mm。這與有限元計算及剖面計算的結(jié)果是基本一致的,也從側(cè)面驗證了剖面計算時對于既有樁基礎建筑基底(樁底遠超基坑底部)的超載值q1可按基底天然承載力特征值的10%～20%取用是合理的。

圖6 建筑物監(jiān)測點布置圖

10#～12#高層住宅沉降監(jiān)測共布置24個點(J17～J40),每棟建筑設置8個。在基坑施工過程中,10#住宅監(jiān)測點沉降值為2.95～5.15 mm,11#住宅監(jiān)測點沉降值為3.61～5.73 mm,12#住宅監(jiān)測點沉降值為5.09～8.28 mm。實際沉降遠小于設計控制值24 mm的要求。與模擬結(jié)果比較,實際沉降與模擬結(jié)果比較一致。從變化趨勢看,以J31、J32點監(jiān)測數(shù)據(jù)為例,其沉降變化趨勢與模擬結(jié)果基本是一致的,如圖7所示。

圖7 建筑沉降觀測

5 結(jié) 論

(1) 本工程為中山地區(qū)緊鄰既有高層建筑深基坑的典型案例。在深厚軟土地區(qū)基坑支護結(jié)構(gòu)選用剛度較大的鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐體系,結(jié)合地下水控制措施,并嚴格按照施工方案進行開挖,能取得較好的支護效果。監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果表明,高層建筑整體沉降相對均勻,沉降較小,且遠小于沉降控制值,滿足基坑對周邊環(huán)境的保護要求,為周邊類似項目提供參考。

(2) 驗證了規(guī)范條文中對于既有樁基礎建筑基底(樁底遠超基坑底部的情況)的超載值q1按基底天然承載力特征值的10%～20%取用是合理的,說明其他地區(qū)的規(guī)范對于本地區(qū)的基坑設計是有參考價值的。

(3) 有限元計算在預測基坑開挖對周邊環(huán)境的影響方面是有指導意義的,但要得到合理、可信的分析結(jié)果需要工程師對土體本構(gòu)模型的優(yōu)缺點及參數(shù)確定有清晰的認識,并基于工程實踐規(guī)律對分析結(jié)果的合理性進行判斷。