環(huán)形內(nèi)支撐在軟土地區(qū)深基坑中的應(yīng)用

陳永進(jìn)

（福建省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察研究院，福建漳州 363000）

隨著城市土地資源緊張日益加劇，面臨著場(chǎng)地空間有限、周邊環(huán)境復(fù)雜的窘境，為了提升地下空間的使用率，城區(qū)兩層地下室已成為標(biāo)配，開(kāi)發(fā)大型地下空間已成為一種必然[1]。本文以福建漳州某深基坑工程為例，通過(guò)該基坑支護(hù)面臨的技術(shù)問(wèn)題、設(shè)計(jì)方案比選、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工效果評(píng)價(jià)分析等方面，探討環(huán)形內(nèi)支撐在軟土地區(qū)深基坑的適用性，為類(lèi)似工程起到參考作用。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

工程位于漳州市水仙大街北側(cè)，場(chǎng)地北側(cè)、東側(cè)、西側(cè)為已建住宅樓，住宅樓均為老舊建筑，地基基礎(chǔ)為淺基，基坑頂放坡線與已建住宅相距約2.96m，南側(cè)距水仙大街紅線2.70m，北側(cè)距已建住宅約4.20m，東側(cè)距已有道路7.20m（其中還需有一條4.00m 寬的施工道路），本基坑周邊環(huán)境較復(fù)雜。

本項(xiàng)目建筑總面積約18565.10m2，其中地上建筑面積約11558.00m2，地下室為二層地下室，地下室建筑面積約為7007.1m2，±0.000 等于絕對(duì)標(biāo)高6.90m，底板底相對(duì)高程為-8.45m，基坑開(kāi)挖深度為7.75m，本項(xiàng)目周邊環(huán)境圖詳見(jiàn)圖1。

圖1 基坑周邊環(huán)境圖

1.2 地質(zhì)概況

在基坑開(kāi)挖影響范圍內(nèi)，本場(chǎng)地各巖土層的分層如下：

①雜填土：黃褐色，稍密，稍濕，主要以粘性土、碎石、建筑垃圾回填為主，均勻性差，回填年限約20年，基本成自重固結(jié)，力學(xué)強(qiáng)度低，工程性能差。分布于整個(gè)場(chǎng)地，厚度為1.70～3.10m。

②耕土：灰褐、黃褐色，稍密，稍濕—飽和。主要由粘性土和植物根莖組成，密實(shí)度及均勻性差，基本完成自重固結(jié)，力學(xué)強(qiáng)度低，工程性能差。分布于整個(gè)場(chǎng)地，層頂埋深1.70～3.10m，層厚0.50～1.20m，層頂標(biāo)高為3.78～5.50m。

③淤泥：灰色、深灰等色，流—軟塑，飽和。以粉粒及粘粒為主，富含腐殖質(zhì)和貝殼碎片，具腥臭味。干強(qiáng)度中等，韌性中等，切面光滑，稍有光澤，搖震反應(yīng)無(wú)。該層屬高壓縮性土，力學(xué)強(qiáng)度低，工程性能差。分布于整個(gè)場(chǎng)地，層頂埋深2.40～3.90m，層厚1.30～5.00m，層頂標(biāo)高為2.66～4.60m。

④中砂：淺灰、灰色，以稍密—中密為主，飽和。成份以石英質(zhì)中砂顆粒為主，其次為細(xì)砂，含量約為13%，磨圓度較好，顆粒分選性較差。泥質(zhì)含量約20%，該層力學(xué)強(qiáng)度較高，工程性能較好。分布于整個(gè)場(chǎng)地，層頂埋深5.10～8.60m，層厚1.00～5.50m，層頂標(biāo)高為-1.62～1.82m。

⑤粘土：淺黃色，可塑狀態(tài)，飽和，以粘粒、粉粒為主，局部含砂量較高，呈互層狀，無(wú)搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度、韌性中等，沖積形成，該層力學(xué)強(qiáng)度較高，工程性能較好。分布于整個(gè)場(chǎng)地，層頂埋深5.10～8.60m，層厚1.00～5.50m，層頂標(biāo)高為-4.22～-1.33m。

⑥礫砂：淺黃、淺灰色，礫石約占35%，粒徑一般10～30mm，個(gè)別在50mm 以上，次圓狀，礫石約占25%，余為各粒徑砂及少量粘性土，呈飽和，總體呈中密狀態(tài)—密實(shí)，局部夾卵石，該層力學(xué)強(qiáng)度高，工程性能好。分布于整個(gè)場(chǎng)地，層頂埋深為12.30～14.60m，厚度為3.80～8.10m，層頂標(biāo)高為-7.80～-5.38m。

⑦全風(fēng)化花崗巖：褐黃、淺黃色，主要由石英、長(zhǎng)石及云母等礦物組成，風(fēng)化完全，原巖組織結(jié)構(gòu)已基本破壞，已基本風(fēng)化呈土狀，用鎬可挖，干鉆可鉆進(jìn)，風(fēng)化裂隙、節(jié)理發(fā)育，散體狀結(jié)構(gòu)，屬極軟巖、極破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為V 類(lèi)，總體自上而下風(fēng)化減弱，與下伏層呈漸變關(guān)系，無(wú)存在軟弱夾層、洞穴等，該層力學(xué)強(qiáng)度高，工程性能好。分布于整個(gè)場(chǎng)地，層頂埋深為17.70～21.50m，厚度為1.90～7.10m，層頂標(biāo)高為-14.70～-10.63m。

2 主要基坑支護(hù)技術(shù)問(wèn)題

（1）擬建場(chǎng)地位于水仙大街以北，其余各側(cè)為已建老舊居民樓，除東側(cè)距已有道路7.20m（其中還需有一條4.00m 寬的施工道路），各側(cè)基坑邊坡頂邊線均受已建成的道路及居民樓限制，而地下室開(kāi)挖深度較深，基坑如出現(xiàn)較大變形將嚴(yán)重影響到已建老舊居民樓、周邊道路及埋設(shè)于道路下管線的安全。

（2）本項(xiàng)目的地質(zhì)條件較差，存在深厚的軟弱土層及滲透性強(qiáng)的砂層，且基底下不透水粘土層厚度不均，部分基底下粘土層缺失，基坑開(kāi)挖以后將產(chǎn)生較大位移，這對(duì)基坑設(shè)計(jì)和之后的施工增加不少難度。

3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)計(jì)方案比選

針對(duì)基坑支護(hù)技術(shù)問(wèn)題，最常采用支護(hù)形式有排樁+止水帷幕、地下連續(xù)墻、SMW工法樁等結(jié)合內(nèi)支撐的方式：

（1）排樁+止水帷幕：根據(jù)地層情況，鉆孔灌注樁可采用長(zhǎng)螺旋壓灌灌注樁，屬于不擠土樁，對(duì)周?chē)h(huán)境影響較小，可通過(guò)樁徑調(diào)整合理的側(cè)向剛度；止水帷幕可根據(jù)開(kāi)挖深度、經(jīng)濟(jì)性及止水效果選擇三軸攪拌樁、高壓旋噴樁、水泥土攪拌樁等。本基坑距離已建老舊建筑和道路較近，且基坑開(kāi)挖深度較深，采用防滲性效果較好的三軸攪拌樁進(jìn)行止水,適用于深度在15m范圍以內(nèi)的基坑。

（2）SMW 工法樁：采用三軸攪拌樁內(nèi)插型鋼，剛度相對(duì)鋼筋混凝土較小，對(duì)控制變形位移不利，適用于飽和粘性土地區(qū)開(kāi)挖深度7m以內(nèi)的基坑（若土體強(qiáng)度較好，開(kāi)挖深度10～11m 以內(nèi)的基坑亦可考慮此方案）[2]，不適合周邊環(huán)境對(duì)位移要求嚴(yán)格的基坑，因此本項(xiàng)目不適用。

（3）地下連續(xù)墻：側(cè)向剛度大，同時(shí)具備擋土止水效果，工藝成熟，適合基坑深大和周邊環(huán)境變形要求高的基坑。但其工藝復(fù)雜且造價(jià)高，如果該地連墻能同時(shí)作為地下室外墻則會(huì)比較合理，因此本項(xiàng)目不適用。

綜上所述，該項(xiàng)目采用鉆孔灌孔樁+止水帷幕結(jié)合內(nèi)支撐的支護(hù)形式較為合理。具體的基坑支護(hù)平面布置圖詳見(jiàn)圖1。

3.2 排樁選型

排樁有灌注樁、管樁，因本基坑較深，樁身彎矩要求較大，且周邊環(huán)境對(duì)變形要求嚴(yán)格，優(yōu)先采用未擠土鉆孔灌注樁，本項(xiàng)目采用長(zhǎng)螺旋壓灌灌注樁，該工藝未擠土，成樁速度快,質(zhì)量能得到保證。鉆孔灌注樁樁徑0.9m,樁間距1.4m,樁長(zhǎng)13.0～14.2m。

3.3 三軸水泥攪拌樁止水擋土帷幕

基坑外側(cè)有流塑狀態(tài)的淤泥和中砂且基坑較深，止水帷幕采用三軸攪拌樁止水效果最好，同時(shí)止水帷幕能起到擋土的效果。三軸攪拌樁樁間距0.60m，樁徑為0.85m，搭接0.25m，基坑支護(hù)典型剖面圖如圖2 所示。其中三軸攪拌樁進(jìn)入淤泥層下粘土層不小于1.5m，三軸水泥攪拌樁的水泥摻量為不小于360kg/m3。

3.4 環(huán)形內(nèi)支撐布置

內(nèi)支撐分為鋼筋混凝土支撐和鋼結(jié)構(gòu)支撐兩種。鋼結(jié)構(gòu)支撐安裝速度快，拆除方便，傳力路線明確，但作為角撐等斜向受力構(gòu)件時(shí)效果較差；鋼筋混凝土支撐通過(guò)選擇合理的截面尺寸，調(diào)整支撐剛度，剛度較好，控制變形效果較好，但安裝拆除比較復(fù)雜。本項(xiàng)目周邊環(huán)境為老舊居民樓，且距離較近，為控制好變形，內(nèi)支撐采用鋼筋混凝土支撐。場(chǎng)地整體放坡1.5m，冠梁與內(nèi)支撐層同一水平層，根據(jù)基坑深度考慮，只需設(shè)置一道內(nèi)支撐層即可滿足要求。冠梁尺寸0.8m×1.2m，環(huán)梁尺寸0.8m×1.5m，聯(lián)系梁尺寸0.8m×0.8m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30。內(nèi)支撐平面布置圖詳見(jiàn)圖3。圖中所示環(huán)形梁直徑為58.5m，共布置16 根立柱樁。其中立柱為角鋼鋼格構(gòu)柱,立柱埋設(shè)于已提前打設(shè)的樁徑0.9m的長(zhǎng)螺旋鉆孔樁內(nèi)。

圖3 內(nèi)支撐乎面布置圖

4 基坑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

本基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為剖面單元計(jì)算和支撐系統(tǒng)的整體驗(yàn)算。

4.1 剖面單元計(jì)算

支護(hù)剖面的計(jì)算：結(jié)構(gòu)計(jì)算、截面計(jì)算、抗傾覆驗(yàn)算、整體穩(wěn)定性驗(yàn)算、抗隆起驗(yàn)算，因有的剖面坑底就是砂層，抗突涌不用驗(yàn)算。

具體工況如下：

工況1：開(kāi)挖土方至冠梁底標(biāo)高（2.3m處）；

工況2：設(shè)置支撐系統(tǒng)；

工況3：開(kāi)挖土方至基坑坑底標(biāo)高（7.75m處）；

工況4：底板施工并設(shè)置地下室底板與圍護(hù)樁間傳力帶；

工況5：地下一層頂板施工,并設(shè)置頂板與圍護(hù)樁間傳力帶；

工況6：回填至支撐底并拆除內(nèi)支撐。

剖面計(jì)算是按平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行內(nèi)力與變形的計(jì)算，采用深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)軟F-(SPW7.0版)計(jì)算，巖土體基坑支護(hù)計(jì)算參數(shù)表見(jiàn)表1。

表1 巖土體基坑支護(hù)計(jì)算參數(shù)表

地下室開(kāi)挖完畢后，計(jì)算結(jié)果內(nèi)力位移包絡(luò)圖見(jiàn)圖4，內(nèi)力取值表見(jiàn)表2。

表2 內(nèi)力取值表

圖4 內(nèi)力位移包絡(luò)圖

從圖4 內(nèi)力位移包絡(luò)圖得知樁最大位移在內(nèi)側(cè)坑底往上的位置,樁負(fù)彎矩在最大位移處。彎矩圖和剪力圖中兩條曲線分別為彈性支點(diǎn)法和經(jīng)典土壓力方法得出的計(jì)算結(jié)果，均能滿足要求。

4.2 內(nèi)支撐系統(tǒng)整體驗(yàn)算

內(nèi)支撐系統(tǒng)整體驗(yàn)算采用三維空間整體分析方法，通過(guò)深基坑7.0軟件支護(hù)布置導(dǎo)入之前各個(gè)剖面單元計(jì)算結(jié)果，經(jīng)過(guò)網(wǎng)線布置、內(nèi)撐布置，最終通過(guò)深基坑三維整體計(jì)算，見(jiàn)圖5內(nèi)支撐整體驗(yàn)算圖，滿足各個(gè)工況下樁體水平位移在30mm 以內(nèi)，且冠梁、支撐梁截面尺寸和配筋均能滿足計(jì)算結(jié)果要求。

圖5 內(nèi)支撐整體驗(yàn)算圖

5 施工效果評(píng)價(jià)分析

本工程自2020 年3 月24 日開(kāi)始施工圍護(hù)樁，共施工圍護(hù)樁180 根3425m，立柱樁15 根230m。為了保護(hù)三軸攪拌樁止水帷幕效果，等圍護(hù)樁先行一段時(shí)間后，再重新平整場(chǎng)地分段施工?850mm三軸攪拌樁，共施工430根5160m，施工過(guò)程順利，施工進(jìn)度按計(jì)劃進(jìn)行。長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)及三軸攪拌樁機(jī)退場(chǎng)并進(jìn)行清理場(chǎng)地后，即進(jìn)行第一層土方開(kāi)挖（開(kāi)挖至冠梁底），至2020 年9 月26日內(nèi)支撐梁施工完畢，開(kāi)始分層開(kāi)挖土方，至2021年3月16日基坑土方回填完成。歷經(jīng)近一年的基坑監(jiān)測(cè)，冠梁頂部最大累計(jì)水平位移量22mm，基坑頂最大累計(jì)沉降量18mm，均未超出預(yù)警指標(biāo)；各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的支撐軸力都未超過(guò)（60%～70%）的構(gòu)件承載能力設(shè)計(jì)值。從第三方監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，基坑在開(kāi)挖及使用階段，變形穩(wěn)定，未出現(xiàn)險(xiǎn)情。詳見(jiàn)圖6基坑支護(hù)效果全貌圖。

圖6 基坑支護(hù)效果全貌圖

6 結(jié)語(yǔ)

（1）老城區(qū)中對(duì)于周邊環(huán)境復(fù)雜，且地質(zhì)條件不好的軟土地層中的深基坑，應(yīng)選用剛度較大，控制變形為主的支護(hù)，本項(xiàng)目采用排樁+鋼筋混凝土內(nèi)支撐支護(hù)形式滿足要求。

（2）本項(xiàng)目采用圓環(huán)內(nèi)支撐受力結(jié)構(gòu)體系為空間體系,能夠較好的發(fā)揮拱的受力特點(diǎn),將基坑四周產(chǎn)生的土壓力通過(guò)聯(lián)系梁和環(huán)梁大部分轉(zhuǎn)化為軸壓力,有效地利用混凝土材料良好的抗壓特性，同時(shí)大大減少了土方的開(kāi)挖和運(yùn)輸?shù)碾y度[3]。

（3）對(duì)于存在深厚的淤泥層及透水性較強(qiáng)的砂層（承壓水），基坑四周的防滲尤為重要，選用三軸攪拌樁止水帷幕效果好，是基坑支護(hù)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。

（4）本項(xiàng)目存在深厚透水性強(qiáng)砂層，有中砂、礫砂，為承壓水。坑底以下存在厚薄不均的粘土層，且基坑場(chǎng)地內(nèi)有部分坑底以下粘土層缺失，止水帷幕雖有部分進(jìn)入粘土層，但并未完全隔絕坑內(nèi)與坑外的水力聯(lián)系，基坑開(kāi)挖及地下室施工過(guò)程中，坑內(nèi)管井降水應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，保持坑外與坑內(nèi)水位的動(dòng)態(tài)平衡。降水過(guò)程應(yīng)及時(shí)監(jiān)測(cè)坑外地下水位，坑外水位如下降超過(guò)預(yù)警值，應(yīng)及時(shí)調(diào)整坑內(nèi)降水量，并采用應(yīng)急方案補(bǔ)充坑外水源，以免水位下降過(guò)多，引起軟土層沉降，進(jìn)而引發(fā)周邊房子沉降。