某城市核心區(qū)軟土超深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方法與實(shí)踐

宗軍良

（上海黃浦江越江設(shè)施投資建設(shè)發(fā)展有限公司，上海市 200093）

0 引 言

近年來，隨著我國城市化的快速發(fā)展，城市內(nèi)高樓林立，地下管線眾多，城市核心區(qū)的基坑建設(shè)也面臨著巨大的挑戰(zhàn)[1-2]。與傳統(tǒng)基坑相比，城市核心區(qū)深基坑周邊存在大量建（構(gòu)）筑物，導(dǎo)致施工場地受限，環(huán)境保護(hù)要求也更加嚴(yán)格。基坑周邊管線眾多，基坑施工的難度與風(fēng)險(xiǎn)也大大增加。此外，地下水控制也是軟土地區(qū)基坑開挖的重難點(diǎn)，如果設(shè)計(jì)施工不當(dāng)，可能存在坑底承壓水突涌等風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。因此，研究適用于城市核心區(qū)軟土深基坑開挖的支護(hù)技術(shù)，對(duì)城市的可持續(xù)發(fā)展意義重大。

針對(duì)以上問題，眾多專家已開展了相關(guān)研究工作與工程實(shí)踐。王海成等[5-6]以武漢市某復(fù)雜環(huán)境下的軟土基坑工程為例，研究了復(fù)雜條件下軟土基坑設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)與應(yīng)對(duì)措施。居晨等[7]研究了常規(guī)的角撐加對(duì)撐的支護(hù)體系的受力特點(diǎn)，總結(jié)了位移和軸力等的變化規(guī)律。吳旭君等[8]以廣東某基坑支護(hù)工程為例，采用鉆孔護(hù)坡樁加預(yù)應(yīng)力錨索的支護(hù)方案，有效解決了軟土基坑支護(hù)中流砂控制難題。劉合寨等[9]針對(duì)軟土地區(qū)深基坑支護(hù)的特點(diǎn)，介紹了大面積不規(guī)則深基坑支護(hù)的重難點(diǎn)，并指出控制基坑變形的關(guān)鍵在于合理布置支撐體系。付憲章等[10]通過研究軟土深基坑施工的力學(xué)特性，采用鉆孔灌注樁+ 大直徑預(yù)應(yīng)力錨索的支護(hù)方案，有效控制了基坑及周邊建（構(gòu)）筑物的沉降。李夕林等[11]采用地下連續(xù)墻加多道內(nèi)支撐的方法，在城市核心區(qū)環(huán)境保護(hù)要求較高的情況下，嚴(yán)格控制了周邊環(huán)境的變形沉降。

上述研究從不同方面研究了復(fù)雜條件下軟土基坑的支護(hù)設(shè)計(jì)方法。本研究以上海市某工作井基坑工程為例，分析該工程難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施，采用地下連續(xù)墻加高壓旋噴樁加內(nèi)支撐的支護(hù)方案，采用Plaxis 有限元軟件對(duì)基坑開挖進(jìn)行模擬，并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證支護(hù)方案的可靠性，對(duì)類似工程具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

1.1 基坑工程概況

該項(xiàng)目工作井位于中春路以東的蒲匯塘（現(xiàn)狀河道）南側(cè)，為盾構(gòu)接收井。基坑呈長方形，開挖寬度約15～25 m，開挖深度約28 m?；又苓叚h(huán)境較為復(fù)雜，北側(cè)緊鄰蒲匯塘河道，周邊存在既有住宅、橋梁和駁岸結(jié)構(gòu)，具體見表1、圖1。

圖1 穿越房屋平面布置圖

表1 基坑周邊環(huán)境情況說明

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

工程沿線屬于濱海平原地貌類型，場地總體平坦，標(biāo)高在5.2～5.4m 左右。根據(jù)工程勘察結(jié)果，場地深度85m 以內(nèi)分布的土層自上而下可劃分為九大層和若干亞層，其中①11層為雜填土，②1層～⑤1層為全新世Q4沉積層，⑥層～⑨層為晚更新世Q3沉積層。各土層空間分布及主要特性見表2。

表2 土層參數(shù)一覽表

本工程地下水主要包括潛水和承壓水。其中，地下潛水賦存于淺部土層中，水位埋深為2.1～2.3 m（高程3.15～2.93 m），受潮汐、降水量、季節(jié)、氣候等因素的影響而變化。承壓水賦存于⑦層、⑧1T層、⑨層，之間相互連通。

1.3 工程難點(diǎn)與應(yīng)對(duì)措施

（1）管線保護(hù)

工程難點(diǎn)：根據(jù)物探報(bào)告基坑范圍內(nèi)存在既有市政管線，基坑開挖之前大部分管線廢除，部分1 倍基坑深度范圍內(nèi)中春路南北走向管線須改遷。

解決思路：嚴(yán)格按管線變形保護(hù)要求選擇合理的基坑圍護(hù)體系，并在施工期間做好管線的位移監(jiān)測，確保將基坑和周邊管線的變形均在控制范圍內(nèi)。

（2）建（構(gòu)）筑物保護(hù)

工程難點(diǎn)：根據(jù)物探報(bào)告，鄰近基坑范圍周邊存在既有住宅、橋梁及駁岸結(jié)構(gòu)，基坑開挖施工過程中環(huán)境保護(hù)要求較高。

解決思路：嚴(yán)格按建（構(gòu)）筑物變形保護(hù)要求選擇合理的基坑圍護(hù)體系，嚴(yán)格控制基坑與周邊沉降變形，并在施工期間做好圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測。

（3）地下水控制

工程難點(diǎn)：擬建場地存在⑦層、⑧1T層和⑨層的承壓水層（相互連通），在基坑開挖過程中，可能存在坑底承壓水突涌等風(fēng)險(xiǎn)。

解決思路：開挖深度14 m 以上的基坑，對(duì)⑦承壓水層采取降承壓水措施；施工期間設(shè)置水位觀察井，嚴(yán)格監(jiān)測施工期間的水位。

2 基坑支護(hù)方案

根據(jù)基坑安全等級(jí)和環(huán)境保護(hù)等級(jí)，結(jié)合工程范圍內(nèi)地質(zhì)條件和上海地區(qū)成熟的施工經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮施工周期、經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)可行性，合理選擇基坑圍護(hù)和支撐方案。

2.1 支護(hù)體系

為了確保基坑圍護(hù)體系的穩(wěn)定，本工程選用整體性好、剛度大、受力好、對(duì)控制位移有較大作用的內(nèi)支撐體系：工作井基坑采用5 道鋼筋混凝土支撐。首道支撐尺寸800 mm×800 mm，其余混凝土支撐尺寸分別采用1 000 mm×1 000 mm、1300 mm ×1 200 mm。鋼格構(gòu)柱整體截面尺寸610 mm×610 mm，采用4L200×20 角鋼拼接，560×400×14@600 方形綴板焊接，格構(gòu)柱插入立柱樁3.0 m；立柱樁采用φ1 000鉆孔灌注樁，格構(gòu)柱在穿越結(jié)構(gòu)底板范圍內(nèi)需設(shè)置止水片。

由于本工程工作井基坑坑底位于⑥層粉質(zhì)黏土層，為提高坑底被動(dòng)區(qū)土壓力，減少基坑側(cè)壁變形和坑底隆起，工作井區(qū)段采用φ1 000@700 高壓旋噴樁加固，加固深度為每道鋼筋混凝土支撐下2.5 m。典型支護(hù)剖面圖如圖2 所示。

圖2 盾構(gòu)姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控方案示意圖

2.2 基坑降水和排水

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，基坑范圍內(nèi)存在相互連通的⑦1、⑦2承壓含水層，且由于基坑開挖較深，導(dǎo)致基坑范圍抗承壓水突涌穩(wěn)定性要求在基坑施工期間均無法滿足，故基坑施工期間需長期大量抽降承壓水。為了減小降承壓水對(duì)周邊環(huán)境的影響，本工程采取“止降結(jié)合”的技術(shù)對(duì)策，增大承壓水的流通路徑。

基坑內(nèi)外設(shè)置集水明排系統(tǒng)，主要包括排水明溝和集水井，使雨水和污水可及時(shí)排出基坑。排水明溝設(shè)置于坡頂周圍，坑內(nèi)設(shè)置臨時(shí)排水溝和集水井。主要排水路徑為：先將坑內(nèi)積水及井點(diǎn)降水排至集水井，再使用潛水泵將集水井中的水排至排水明溝，經(jīng)沉淀后排入周邊道路的排水系統(tǒng)中。為不使實(shí)際開挖深度增加，坑內(nèi)排水系統(tǒng)排水溝距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)至少2 m。

3 數(shù)值模擬分析

綜合考慮基坑開挖深度及周邊建（構(gòu)）筑物距離，選取基坑各區(qū)段典型斷面，采用Plaxis 有限元軟件模擬計(jì)算工作井基坑開挖對(duì)蒲匯塘駁岸結(jié)構(gòu)和寶靜置業(yè)房屋的影響。

本次基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響分析采用平面應(yīng)變分析模型。本次分析模型主要包含土體、圍護(hù)體系、支撐體系、隧道結(jié)構(gòu)等，水平方向?yàn)閄 向，豎直方向?yàn)閅 方向。水平方向按照實(shí)際的基坑尺寸建模，模型兩側(cè)考慮一定的開挖影響范圍，水平方向總長取160 m。豎直方向綜合考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)長度，取地表以下55 m?；觾蓚?cè)邊界施加X 向位移約束，基坑底邊界施加X、Y 向約束。采用三角形單元模擬土體，采用梁單元模擬圍護(hù)體系、支撐體系和主體結(jié)構(gòu)。

土體本構(gòu)模型采用小應(yīng)變硬化土（HSS）模型。該彈塑性模型能考慮軟黏土硬化特征，能區(qū)分加荷和卸荷的區(qū)別、其剛度依賴于應(yīng)力歷史和應(yīng)力路徑，能反映土體在小應(yīng)變時(shí)的變形特征，主要參數(shù)見表2。圍護(hù)體系和主體結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。

3.1 蒲匯塘駁岸結(jié)構(gòu)影響分析

本段基坑周邊主要構(gòu)筑物為工作井北側(cè)蒲匯塘現(xiàn)狀駁岸結(jié)構(gòu)，最近距離約10.6 m；工作井基坑開挖深度28 m，外包尺寸長25.4 m、寬24.4 m。采用1 200 mm 厚地下連續(xù)墻及5 道鋼筋混凝土支撐型式。

圖3 為工作井基坑開挖對(duì)駁岸結(jié)構(gòu)影響的典型斷面計(jì)算模型，按照實(shí)際施工工況進(jìn)行模擬。

圖3 駁岸結(jié)構(gòu)影響計(jì)算模型

土體與駁岸結(jié)構(gòu)位移如圖4 所示。分析結(jié)果表明，基坑鄰近駁岸豎向位移最大水平側(cè)移2.2 mm，沉降6.5 mm（基坑開挖）+3 mm（降水引起），小于10 mm，滿足駁岸結(jié)構(gòu)沉降控制要求。

圖4 土體與駁岸結(jié)構(gòu)位移

3.2 寶靜置業(yè)房屋影響分析

圖5 為工作井基坑開挖對(duì)鄰近建筑影響的典型斷面計(jì)算模型，選取最不利位置進(jìn)行分析，基坑距離寶靜置業(yè)結(jié)構(gòu)最近15.6 m，基坑開挖深度28 m。

圖5 鄰近建筑影響計(jì)算模型

土體與鄰近寶靜置業(yè)位移如圖6 所示。分析結(jié)果表明，基坑鄰近寶靜置業(yè)房屋結(jié)構(gòu)豎向最大水平側(cè)移12.4 mm；沉降12.3 mm（基坑開挖）+2.5 mm（降水引起），小于20 mm；傾斜0.68‰，小于1‰，滿足建（構(gòu)）筑物沉降與傾斜控制要求。

圖6 土體與鄰近建筑位移

4 基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為實(shí)時(shí)掌握基坑各組成部分的變形和周圍環(huán)境的變形情況，減少基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響，需要對(duì)基坑開挖全過程實(shí)施監(jiān)測。主要的監(jiān)測內(nèi)容包括圍護(hù)樁墻頂?shù)乃轿灰坪拓Q向位移、圍護(hù)墻樁的深層水平位移、支撐立柱沉降、周邊建（構(gòu)）筑物沉降。

根據(jù)現(xiàn)場基坑監(jiān)測結(jié)果，基坑?xùn)|側(cè)寶靜置業(yè)的最大沉降約為5.7 mm，駁岸最大沉降約為4.2 mm，均滿足結(jié)構(gòu)控制要求。

圖7 顯示了變形趨于穩(wěn)定后基坑典型剖面水平位移監(jiān)測結(jié)果。從中可以看出，基坑南側(cè)、北側(cè)最大水平位移約45 mm，東側(cè)最大水平位移約23 mm，滿足規(guī)范要求。東側(cè)基坑變形較小是由于基坑西側(cè)與明挖段連接，剛度相對(duì)較高，對(duì)變形有一定的限制。由此可見，采用地下連續(xù)墻加高壓旋噴樁加內(nèi)支撐的支護(hù)方法使本工程具有良好的可靠度。

圖7 基坑典型剖面水平位移圖

5 結(jié) 論

本研究以上海市蒲匯塘工作井基坑工程為例，分析該工程難點(diǎn)與應(yīng)對(duì)措施，采用地下連續(xù)墻加高壓旋噴樁加內(nèi)支撐的支護(hù)方案，采用Plaxis 有限元軟件對(duì)基坑開挖進(jìn)行模擬，并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證支護(hù)方案的可靠性。主要結(jié)論如下：

（1）對(duì)于基坑較深、周邊環(huán)境要求較高的基坑，選取地下連續(xù)墻加圍護(hù)樁加內(nèi)支撐或其他類似基坑圍護(hù)方案是一個(gè)合適的選擇。

（2）采取“止降結(jié)合”的技術(shù)對(duì)策，增大承壓水的流通路徑，可有效減小承壓水降水對(duì)周圍環(huán)境的影響。

（3）采用數(shù)值模擬和監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)基坑圍護(hù)體系可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，可為類似工程提供參考。