濱海城市深基坑支護方案與設(shè)計方法

廖杰

（中鐵南方投資集團有限公司，廣東深圳 518000）

1 引言

濱海地區(qū)的地質(zhì)、 氣象條件復(fù)雜， 同時海洋潮汐影響強烈，具有地域特殊性，在此類地區(qū)施工深基坑時存在諸多不確定性因素，質(zhì)量隱患和安全隱患多。 以科學的方法支護深基坑是保障施工安全和質(zhì)量的重要前提， 因此探明濱海地區(qū)自然條件并在此基礎(chǔ)上制訂安全可靠的深基坑支護方案具有重要意義。

2 濱海地區(qū)深基坑工程施工特點

1）支護體系復(fù)雜。 濱海地區(qū)的地質(zhì)條件和水文條件特殊，即便同一地區(qū)也難以保證地質(zhì)、水文條件的一致性。 濱海地區(qū)土層的富水性、高壓縮性、觸變性等特征均會影響基坑工程性狀，為維持深基坑穩(wěn)定性而設(shè)置的圍護結(jié)構(gòu)體系具有復(fù)雜性，且極容易由于支護結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理而影響深基坑的穩(wěn)定性。

2）環(huán)境條件差。 深基坑工程施工具有破壞性，導(dǎo)致周邊的應(yīng)力場以及地下水位發(fā)生變化，降低圍巖土體的穩(wěn)定性，可能變形乃至倒塌，且此類問題在濱海地區(qū)體現(xiàn)得更為明顯[1]。

3）計算理論不完善。 深基坑工程的計算主要涉及土壓力和支護結(jié)構(gòu)兩方面。 基坑工程施工涉及地質(zhì)、結(jié)構(gòu)等專業(yè)，計算時需考慮的因素多，在此方面的設(shè)計計算理論有待完善。 從以往的濱海地區(qū)深基坑工程計算來看， 主要以朗肯土壓力理論為指導(dǎo)進行計算，或依靠經(jīng)驗取值，計算方法不科學，計算結(jié)果可能缺乏有效性。

3 濱海地區(qū)深基坑支護方案的選用原則

1）深基坑周邊無重要市政設(shè)施以及建筑物，地下水位較高且地層含較厚砂層時， 若放坡空間有限則采取土釘墻支護方案，若空間充足則采用坡率法支護。

2）基坑周邊存在淺基礎(chǔ)建筑物，地下水位較高同時地層中有較厚粉細砂層時， 考慮攪拌樁重力式擋墻或懸臂樁加止水帷幕的支護方案， 此類深基坑施工條件不宜采用降水的方法，否則可能引起周邊建筑沉降。

3）深基坑周邊的淺層建筑物密集分布時，采用鉆孔灌注樁和預(yù)應(yīng)力錨桿支護方案，而考慮到水侵蝕作用，在灌注樁間設(shè)置攪拌樁，提升支護效果。

4）施工現(xiàn)場地質(zhì)條件較差同時基坑較深時，采用地下連續(xù)墻加逆作法，保證深基坑支護的有效性以及保護周邊環(huán)境[2]。

4 工程概況

某擬建建筑位于濱海地區(qū)， 建筑基坑周長約300 mm，開挖深度6.40～7.70 m，針對建筑及地下車庫進行基坑支護。 基坑東側(cè)、南側(cè)、西側(cè)空間約為6～8 m，北側(cè)為獨立基礎(chǔ)、框架結(jié)構(gòu)的4 層建筑，本工程建筑外墻與其外墻距離在1 m 以內(nèi)，空間狹小。 工程充分考慮現(xiàn)場地質(zhì)、水文等基礎(chǔ)條件，采取全面的深基坑支護措施。

5 施工現(xiàn)場地質(zhì)水文條件

1）地質(zhì)條件：場地表層為素填土，自下依次為：第四系全新統(tǒng)風成沉積細砂，沖積海積中砂、含粉質(zhì)黏土粉細砂、粉土，海積中砂、粉土，沖洪積角礫。

2）水文條件：主要含水層為②層細砂、③層中砂，屬第四系孔隙潛水，地下水位變幅1.50～2.00 m，穩(wěn)定水位埋深3.00～3.65 m。

3）地基土參數(shù)：從重度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、土釘及錨索極限黏結(jié)強度標準值多方面分析各土層的特性，具體如表1 所示。

表1 土層物理力學性質(zhì)指標

6 濱海地區(qū)深基坑支護方案

6.1 支護方案比選

基坑開挖深度6.0～7.5 m，東側(cè)、南側(cè)、西側(cè)施工空間約為6～8 m，北側(cè)緊鄰既有建筑物，根據(jù)深基坑施工條件，初步提出放坡支護、土釘支護、樁錨垂直支護3 種支護方案。 由于工作面的要求以及基礎(chǔ)外擴，施工空間被壓縮至4 m 左右，無法提供充足的空間用于放坡； 而樁錨垂直支護方案雖然可以取得良好的支護效果，但造價偏高。 經(jīng)過對支護效果、成本控制多方面的考慮，建議深基坑東側(cè)、南側(cè)、西側(cè)采用土釘墻支護，北側(cè)緊鄰建筑物，施工空間狹窄，采取垂直支護的方法。 根據(jù)前述思路，制訂深基坑支護方案。

方案一：灌注樁錨支護，對周邊環(huán)境的影響較小，支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

方案二：SMW 工法， 支護與止水結(jié)合， 支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，支護采用的型鋼在工程施工結(jié)束后可回收利用。

方案三：高壓旋噴樁內(nèi)插H 型鋼加錨索垂直支護，在施工空間狹窄時具有可行性，支護效果良好，成本較低。

結(jié)合施工現(xiàn)場的地質(zhì)條件、水文條件等，對比分析前述3項方案的優(yōu)缺點，評估在本工程深基坑支護中的可行性。

方案一：施工效率低，成本高，且灌注樁施工設(shè)備得以有效應(yīng)用必須建立在現(xiàn)場有充足空間的前提下， 而基坑北側(cè)緊鄰既有建筑，因此此方案缺乏可行性。

方案二：優(yōu)勢在于僅對北側(cè)做垂直支護即可，深基坑支護工程量較少， 但為滿足支護要求而需投入較多的成本用于購置型鋼及三軸攪拌樁的施工材料，同時現(xiàn)場電壓負荷有限，難以充分滿足設(shè)備用電需求[3]。

方案三： 高壓旋噴樁內(nèi)插H 型鋼加錨索垂直支護方案的結(jié)構(gòu)布置緊湊，可適應(yīng)空間狹窄的施工環(huán)境，同時H 型鋼的應(yīng)用能夠提高支護結(jié)構(gòu)的抗彎性能，施工效率高，成本較之于方案一、方案二更低。

基于前述分析，認為方案三最為可行，即基坑北側(cè)用型鋼樁樁錨支護，東側(cè)、南側(cè)、西側(cè)用管井降水，北側(cè)用高壓旋噴止水帷幕止水。

6.2 專家評審

在確定深基坑支護方案后，組織專家評審，結(jié)合實地勘探結(jié)果，探討深基坑支護方案的可行性。 經(jīng)過專家評審后，提出如下意見：（1）北側(cè)樁錨支護時，設(shè)H 型鋼作為擋土樁；（2）北側(cè)采用止水帷幕施工方法， 以突破空間狹窄而無法修筑降水井的施工難點，并減弱對相鄰建筑的影響，避免既有建筑的獨立基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻沉降；（3）深基坑支護施工中，應(yīng)做好陽角的錨索施工作業(yè)。

6.3 選取最終的支護方案

6.3.1 支護參數(shù)

深基坑北側(cè)緊鄰既有建筑物，空間有限，采用高壓旋噴內(nèi)插H 型鋼樁錨支護方案，設(shè)置的是樁徑650 mm、樁長14.5 m的高壓旋噴樁，樁體搭接150 mm，樁內(nèi)以0.5 m 的水平間距依次設(shè)置長度為14.5 m 的Q235 的HW250×250 型鋼。豎向錨索直徑150 mm，入射角15°，水平間距1.5 m，共設(shè)置3 道，錨索腰梁采用18b 槽鋼，混凝土強度等級為C30。 高壓旋噴樁的施工參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果而定，每米的水泥用量為350 kg[4]。

根據(jù)專家評審意見， 深基坑施工時需注意北側(cè)陽角錨索施工問題，出于質(zhì)量考慮，以錨索對拉的方法施工此部位，錨索采用2～3 束直徑15.2 mm 的鋼絞線，高壓旋噴內(nèi)插H 型鋼。

6.3.2 基坑止水與降水

深基坑北側(cè)屬于重點止水區(qū)域， 采用高壓旋噴樁止水帷幕，設(shè)4 處觀測井，用于觀測現(xiàn)場止水效果。 觀測井可兼作回灌井使用，基坑開挖引起建筑物沉降時可回灌。 止水帷幕向北延伸至既有建筑止水帷幕并連接，提升降水效果，減小基坑施工對既有建筑產(chǎn)生的不良影響。

7 深基坑支護數(shù)值分析

深基坑北側(cè)存在填土、細砂、中砂、粉砂等土層，將此部位作為重點支護對象，進行支護數(shù)值分析。 根據(jù)土層特性，采用Hardingsoil 本構(gòu)模型。 網(wǎng)格由三角形單元組成，網(wǎng)格劃分方式如圖1 所示。

圖1 數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分示意圖

樁身水平位移最大值為39.2 mm， 第二道錨索軸力最大，達到193.8 kN，第一道、第三道錨索的軸力分別為140.1 kN、174.25 kN。 基坑外地表沉降考慮開挖至1.8 m、3.8 m、5.8 m、7.7 m 4 種工況，其中地表最大沉降為38.3 mm，對應(yīng)部位為距離基坑內(nèi)壁15 m 處。

8 濱海城市深基坑支護設(shè)計方案研究分析

1）基坑北側(cè)建筑外墻與既有建筑外墻的距離＜1m，施工空間有限， 需要考慮基坑施工有效性以及對既有建筑的防護要求，為此采用高壓旋噴樁內(nèi)插H 型鋼樁錨的支護方法，能夠在有限的空間內(nèi)完成支護作業(yè)，順利進行基坑施工活動，北側(cè)建筑未受到基坑施工的影響。

2）由于場地地下水豐富，地下水控制方案為：北側(cè)采用高壓旋噴止水帷幕，其余各側(cè)采用管井降水。 為確保北側(cè)錨索順利施工，成孔時采用套管跟進工藝，減少支護風險。

3）現(xiàn)場空間有限，常規(guī)支護方法缺乏可行性，精簡支護結(jié)構(gòu)至關(guān)重要， 而本次設(shè)計的深基坑支護結(jié)構(gòu)無須占用過多的空間，支護結(jié)構(gòu)形式合理。

4）充分考慮基坑北側(cè)陽角的錨索施工，參考專家評審意見進行深入優(yōu)化。

9 結(jié)論

基于本文的分析內(nèi)容，得出如下結(jié)論。

1）案例工程深基坑北側(cè)施工空間有限，支護方案采用的是高壓旋噴樁內(nèi)插H 型鋼， 在狹窄的空間內(nèi)建設(shè)質(zhì)量可靠的支護結(jié)構(gòu)。

2）深基坑北側(cè)止水帷幕向北延伸后連接既有建筑的截水擋墻， 共同止水， 利用完整的止水帷幕保障既有建筑的穩(wěn)定性。 監(jiān)測結(jié)果顯示，既有建筑的沉降小，深基坑支護效果良好。

3）經(jīng)過數(shù)值模擬分析后，調(diào)節(jié)攪拌樁長度以及優(yōu)化型鋼型號，保證了深基坑支護結(jié)構(gòu)的有效性，降低了支護成本。