萬(wàn)浩儷城S1工程深基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)與分析

張立釗，關(guān)英斌，張巍，李利飛，許道軍

(河北工程大學(xué)資源學(xué)院，河北 邯鄲056038)

伴隨城市建設(shè)空間不斷縮小，臨近既有建筑物的建筑基坑工程大量涌現(xiàn)。為保證支護(hù)工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性，多年來(lái)科研人員進(jìn)行了大量的研究和試驗(yàn)。鄭剛等［1］采用三維模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，得出在間距大于1倍基坑開(kāi)挖深度時(shí)，基坑開(kāi)挖對(duì)臨近樁基影響很小，達(dá)到2倍時(shí)施工可不考慮;高攀［2］通過(guò)工程實(shí)例得出嚴(yán)格控制場(chǎng)地勘察、設(shè)計(jì)、開(kāi)挖、監(jiān)測(cè)等過(guò)程的質(zhì)量，能夠保證臨近基坑建筑物的安全;王浩然等［3］采用三維有限元法分析了基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑物的影響，模擬、預(yù)估、實(shí)測(cè)值曲線趨勢(shì)基本吻合;孔令榮等［4］得出了基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵變形的間距在4 m以內(nèi)隧道產(chǎn)生的水平、沉降位移最大;王強(qiáng)［5］運(yùn)用ABAQUS較好地還原了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形形態(tài)，對(duì)鄰近地鐵隧道的變形預(yù)測(cè)值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值較為一致;王君等［6］采用解析法計(jì)算分析了既有鐵路旁城際鐵路橋墩基坑鋼板樁圍堰支護(hù)工程，實(shí)測(cè)結(jié)果滿足施工要求。借鑒已有對(duì)臨近既有建筑物基坑的研究成果，本文以萬(wàn)浩儷城S1基坑工程為例，借助理正軟件對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行計(jì)算與分析，并經(jīng)施工驗(yàn)證，采用樁錨支護(hù)+放坡土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠有效地保證與基坑間距2 m的變電站以及其他周圍環(huán)境的安全，以期為鄰近建筑物基坑設(shè)計(jì)提供有益參考。

1 工程概況和周邊環(huán)境

1.1 工程概況

萬(wàn)浩儷城S1工程場(chǎng)地位于邯鄲市滏河大街與果園路交叉口東北角(圖1)。設(shè)計(jì)標(biāo)高±0.00 m，1#～4#樓基礎(chǔ)埋深 －10.50 m，地下車庫(kù)基礎(chǔ)埋深－8.00 m。基坑自然地坪標(biāo)高為 53.00 m左右。

1.2 周邊環(huán)境

基坑邊坡東側(cè)為寬廣平地，南側(cè)距果園路為15.0 m，西側(cè)距滏河大街距離為16.0 m，北側(cè)距場(chǎng)地內(nèi)道路距離為5.0 m，東北角為國(guó)家電網(wǎng)河?xùn)|110 kV變電站(圖1)，基坑邊緣距變電站外圍墻距離為2.0 m。地下管線方面，北側(cè)距離基坑邊坡2.0 m處有地下高壓電線電纜，埋深約為2.0 m，其它側(cè)無(wú)地下管線影響。

2 地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，基坑開(kāi)挖影響范圍內(nèi)主要由雜填土、粉土、粉質(zhì)粘土、粉土等組成，勘探取樣深度為18.50 m，各土層的厚度及力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1地基的土力學(xué)性質(zhì)與土層特征Tab.1 Soil mechanical property and features of site soil layers of foundation

2.2 水文地質(zhì)條件

場(chǎng)地地下水初見(jiàn)水位埋深為2.60～4.60 m，穩(wěn)定地下水水位埋深為2.0～2.90 m，為上層滯水，主要含水層為第2層粉土、第4層粉土，以大氣降水補(bǔ)給為主，水位波動(dòng)幅度為1.00～2.00 m，近期年最高水位可按1.00 m考慮。

3 基坑支護(hù)方案的選擇

經(jīng)大量工程的經(jīng)驗(yàn)，適合邯鄲市區(qū)域地質(zhì)條件和工程形式的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式主要有:土釘墻支護(hù)、復(fù)合土釘墻支護(hù)以及樁錨支護(hù)三種形式［7］。土釘墻支護(hù)形式，適用于周圍條件簡(jiǎn)單，近距離無(wú)建筑物和重要管線埋設(shè)的深度不大于12 m基坑。復(fù)合土釘墻支護(hù)形式，可以在周圍空間較密集的環(huán)境條件下選用，能夠很好地控制基坑水平變形［8］，但要考慮其影響程度謹(jǐn)慎選擇。而對(duì)于樁錨支護(hù)形式，在鄰近環(huán)境放坡受限時(shí)可作為首選，一般能取得良好的圍護(hù)效果。

考慮到基坑周圍環(huán)境的復(fù)雜性及相臨建筑物和管線，對(duì)基坑水平位移、地面沉降值的特殊要求，對(duì)基坑本工程采用分區(qū)分段設(shè)計(jì)的方法，即:A→B→C(Ⅰ)段，基坑邊緣距變電站2 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、土體失穩(wěn)或過(guò)大變形對(duì)基坑周邊環(huán)境及地下結(jié)構(gòu)施工影響很嚴(yán)重;C→D→E→F→A(Ⅱ)段，施工對(duì)附近道路及場(chǎng)地影響不嚴(yán)重。按照《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》［9］規(guī)定:Ⅰ段側(cè)壁安全等級(jí)為一級(jí)，重要性系數(shù)γ0=1.10;Ⅱ段安全等級(jí)三級(jí)，重要性系數(shù)γ0=0.90。

基坑支護(hù)應(yīng)保證巖土開(kāi)挖、地下結(jié)構(gòu)施工的安全，并使周圍環(huán)境不受損害［10］。根據(jù)基坑安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行以及施工便利的設(shè)計(jì)技術(shù)要求［11］，本工程Ⅰ段，距變電站僅2 m，對(duì)變形敏感，空間狹窄無(wú)法放坡開(kāi)挖，且土釘墻不能滿足側(cè)壁穩(wěn)定要求，選用樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu);Ⅱ段周邊為道路及開(kāi)闊空地，采用放坡土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)。

4 支護(hù)方案的計(jì)算

本基坑工程支護(hù)設(shè)計(jì)選用理正深基坑計(jì)算軟件對(duì)劃分的兩段進(jìn)行計(jì)算。

4.1 樁錨支護(hù)計(jì)算

本次基坑開(kāi)挖工程分為5個(gè)工況(表2)，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2，采用常規(guī)排樁的增量法對(duì)每個(gè)工況的開(kāi)挖進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。

(1)內(nèi)力及位移計(jì)算

作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力、樁水平位移、彎矩、剪力以及地表沉降量等計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3、表3。

(2)整體穩(wěn)定性計(jì)算

整體穩(wěn)定性計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4所示，計(jì)算方法采用Bishop法，條分法中的土條寬度0.50 m，圓弧半徑R=23.780 m，圓心坐標(biāo)x=0.807 m，圓心坐標(biāo)y=14.779 m。應(yīng)力狀態(tài):總應(yīng)力法。整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.372 ＞1.2，滿足規(guī)范要求［12］。

表2基坑開(kāi)挖情況表Tab.2 The conditions of excavation

表3地表沉降量計(jì)算結(jié)果表Tab.3 The calculation of ground settlement

(3)抗傾覆安全系數(shù)

式中:Kq－抗傾覆安全系數(shù);Mp－被動(dòng)土壓力及支點(diǎn)力對(duì)樁底的抗傾覆彎矩，對(duì)于內(nèi)支撐支點(diǎn)力由內(nèi)支撐抗壓力決定，對(duì)于錨桿或錨索，支點(diǎn)力為錨桿或錨索的錨固力和抗拉力的較小值;Ma－主動(dòng)土壓力對(duì)樁底的傾覆彎矩。

由計(jì)算可知，抗傾覆安全系數(shù)最小的為工況5，Kq5=1.905 ＞1.4，滿足規(guī)范要求［12］。

(4)抗隆起計(jì)算

基于Prandtl和Terzaghi公式計(jì)算，以支護(hù)結(jié)構(gòu)底面所在的平面作為極限承載力的基準(zhǔn)面，按下式計(jì)算，

式中:Kwz－抗隆起穩(wěn)定性安全系，Kwz1≥1.1～1.2(Prandtl公式)，Kwz2≥1.15 ～1.25(Terzaghi公式);c、φ－土體黏聚力、內(nèi)摩擦角;γ1－坑外地表至圍護(hù)墻底，各土層天然重度的加權(quán)平均值，kN/m3;γ2－坑內(nèi)開(kāi)挖面以下至圍護(hù)墻底，各土層天然重度的加權(quán)平均值，kN/m3;H－基坑開(kāi)挖深度;D－支護(hù)墻體在基坑開(kāi)挖面以下入土深度;q－坑外地面荷載，kPa;Nq、Nc－地基承載力系數(shù)。

當(dāng)采用Prandtl公式時(shí)，式中Nq=tan2(45°+

經(jīng)計(jì)算，抗隆起安全系數(shù)Kwz1=1.525＞1.1～1.2，Kwz2=1.678≥1.15 ～ 1.25，均滿足規(guī)范要求［12］。

(5)錨桿自由段長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

4.2放坡土釘墻支護(hù)計(jì)算

基坑深度8.0m，坡線段數(shù)3，土釘荷載分項(xiàng)系數(shù)1.25。內(nèi)部穩(wěn)定驗(yàn)算條件:考慮地下水作用，采用總應(yīng)力法，土釘拉力在滑面上產(chǎn)生的阻力的折減系數(shù)0.50，局部抗拉及內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5、表6。

表4錨桿自由段長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果表Tab.4 The length calculation of anchor free segment

表5局部抗拉計(jì)算結(jié)果表Tab.5 The calculation of local resist tensile

表6內(nèi)部穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表Tab.6 The calculation of internal stability

外部穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果:重力940.9 kN，重心坐標(biāo)(x=6.158，y=3.044)，超載 0.0 kN，超載作用點(diǎn)x=0.000 m，土壓力 251.6 kN，土壓力作用點(diǎn)y=2.720 m，基底平均壓力設(shè)計(jì)值 97.2 kPa ＜100.0 kPa。基底邊緣最大壓力設(shè)計(jì)值 131.0 kPa＞120.0 kPa，抗傾覆安全系數(shù)Kq=8.982 ＞ 1.2，抗滑安全系數(shù)KH=1.362 ＞1.2，滿足規(guī)范要求［12］。

5 支護(hù)方案的分析

基坑支護(hù)方案的選擇，必須綜合考慮工程本身以及周圍環(huán)境的特點(diǎn)［13］。首先應(yīng)該滿足支護(hù)形式施工所需的空間要求，其次在保證施工方便、周圍環(huán)境安全的基礎(chǔ)上，最大程度做到經(jīng)濟(jì)合理。根據(jù)邯鄲地區(qū)的工程實(shí)踐以及本基坑特點(diǎn)，可選用放坡土釘墻、復(fù)合土釘墻、樁錨支護(hù)、排樁支護(hù)等形式。在條件允許的情況下，放坡土釘墻支護(hù)是最經(jīng)濟(jì)的，但本工程Ⅰ段，距變電站僅2 m，無(wú)空間放坡，且放坡土釘墻不能滿足變電站對(duì)側(cè)壁的安全要求，可選用樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)，經(jīng)計(jì)算地表沉降量最大值 6.0 mm ＜0.2%H(H=8.0 m，基坑開(kāi)挖深度)，整體穩(wěn)定性系數(shù)Ks=1.372 ＞1.2，最小抗傾覆安全系數(shù)Kq5=1.905＞1.4，抗隆起安全系數(shù)Kwz1=1.525 ＞1.2，Kwz2=1.678 ＞1.25;Ⅱ段為道路及開(kāi)闊空地，首選放坡土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部穩(wěn)定系數(shù)最小值Ks5=1.214＞1.2，外部穩(wěn)定抗傾覆安全系數(shù)Kq=8.982 ＞1.2，抗滑安全系數(shù)KH=1.362＞1.2，以上各參數(shù)計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。因此，樁錨支護(hù)+放坡土釘墻支護(hù)設(shè)計(jì)方案能夠保證變電站及其他周邊環(huán)境安全，具有可行性，并且能夠有效地節(jié)約成本。

6 結(jié)論

樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠有效地控制基坑開(kāi)挖對(duì)臨近建筑物的影響，對(duì)于周邊環(huán)境對(duì)巖土體變形要求比較嚴(yán)格的支護(hù)工程，是一種首選的安全、合理經(jīng)濟(jì)的支護(hù)方式。樁錨支護(hù)+放坡土釘墻支護(hù)在萬(wàn)浩儷城S1支護(hù)工程中成功運(yùn)用，對(duì)以后毗鄰既有工程的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工有借鑒意義。

［1］鄭剛，顏志雄，雷華陽(yáng)，等.基坑開(kāi)挖對(duì)臨近樁基影響的實(shí)測(cè)及有限元數(shù)值模擬分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29(5):638 － 643.

［2］高 攀.毗鄰高層建筑的深基坑開(kāi)挖和支護(hù)［J］.施工技術(shù)，2008，37(9):8 － 11.

［3］王浩然，王衛(wèi)東，徐中華.基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑物影響的三維有限元分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009，5(增2):1512 － 1517.

［4］孔令榮，崔永高，隋海波.基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵變形的影響分析［J］.工程勘察，2010(6):15－20.

［5］王強(qiáng).敏感環(huán)境下深大基坑開(kāi)挖實(shí)測(cè)分析及數(shù)值模擬［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2011，44(增):98 － 101.

［6］王君，楊振偉，王高彥.既有鐵路旁城際鐵路橋墩基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工方案研究［J］.施工技術(shù)，2012，41(增):213 － 216.

［7］沙元恒.蘇州地區(qū)深基坑錨桿支護(hù)的應(yīng)用實(shí)例［J］.中國(guó)煤炭地質(zhì)，2009，21(6):56－58.

［8］李晶晶，程祖鋒，耿立立，等.基于FLAC3D的復(fù)合土釘支護(hù)數(shù)值模擬分析［J］.河北工程大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，28(3):5 －8.

［9］JGJ 120－99，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］.

［10］GB 50007－2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［11］張玉坡，霍 偉，陳東英.花管復(fù)合土釘墻支護(hù)在基坑中的應(yīng)用［J］.中國(guó)煤炭地質(zhì)，2012，24(3):44－47.

［12］YB9258－97，建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范［S］.

［13］劉春曉，賈志剛.樁錨支護(hù)中錨桿內(nèi)力分布的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［J］.河北工程大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，25(3):61 － 63.