超大深基坑工程支護設計與施工

文/周予啟 劉衛未 袁革忠 劉 芳 穆鳳麟

超大深基坑工程支護設計與施工

文/周予啟 劉衛未 袁革忠 劉 芳 穆鳳麟

天津嘉里中心工程基坑面積73 011 m2，開挖深度17～23 m，屬于軟土地區超大深基坑。基坑支護設計和施工難度大，整體采用中心島支護形式，局部應用旋噴錨樁、重力式擋墻、放坡卸荷等輔助支護形式。文章主要針對該基坑工程的設計方案、施工工藝、重點難點等進行詳細的分析和研究，總結成功的工程經驗。

軟土；超大；深基坑；中心島；旋噴錨樁；重力式擋墻；放坡卸荷

1 工程概況

天津嘉里中心由六經路、六緯路、八經路與海河東路圍成，西側與海河相望，占地面積86 164 m2，基坑開挖面積73 011 m2，地上總建筑面積49.9萬m2，地下總建筑面積22.1萬m2。分成兩期建造，一期包括3棟62層的高級公寓住宅（高213 m）、1棟35層建筑面積約10萬m2的香格里拉五星級酒店（高161 m）以及綜合購物中心、地下停車場等；二期為1棟超高層高級辦公樓（高約 333 m）。

天津是典型軟土地區，地下水位埋深較淺（約自然地面以下2 m）。土質以粉質粘土、淤泥質土、粉砂為主，具有高含水量、高靈敏性、高壓縮性、低密度、低滲透性等特性。基坑開挖深度大約17 m，局部深坑達23 m，屬于超大深基坑工程，見圖1。基坑東北側與津濱輕軌地鐵的距離不足30 m，南側靠近重要交通樞紐保定橋，周邊環境復雜，對基坑施工產生的變形量控制提出了較高的要求。

圖1 場區平面布置

2 地質條件

表1 地層巖性特征

3 基坑支護設計方案

基坑開挖平面尺度巨大。因為分期開發，在一、二期之間設臨時隔斷，造成基坑平面形狀極其不規則。若采用常規整體內支撐形式，因溫度變形引起的附加應力和變形都不容忽視。整體內支撐體系面臨因自變形過大而無法對周邊圍護體提供可靠支撐造成基坑整體變形過大，甚至不穩定的潛在危險。另外，內支撐方案施工周期長，材料用量大，費用高。

基坑設計為在基坑外圍設置三軸水泥土攪拌樁止水帷幕；圍護結構采用鉆孔灌注樁；支護形式大部分區域采用中心島法，對六緯路側和海河東路側采用旋噴錨樁支護調整方案，對1#公寓區域范圍基坑外部采用重力式擋墻結構，在E區與F區交界位置采用放坡+抗滑樁的支護方案。基坑支護平面見圖2。

圖2 基坑支護平面

3.1 圍護結構設計

選用“鉆孔灌注樁+止水帷幕”的形式。鉆孔灌注樁φ1 000 mm@1 200 mm，止水帷幕采用φ850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁。

3.2 支護結構設計

3.2.1 中心島

基坑大部分區域采用中心島支護形式，即先施工基坑周圈圍護樁及止水帷幕，在基坑周邊留設反壓土臺護坡，基坑中部放坡開挖到底，順作施工基坑中部主體結構，待基坑中部主體結構施工至±0.00時，在基坑周邊圍護結構和中部主體結構間架設長度約22 m的短撐，將反壓土挖除，然后順作施工基坑周圈主體結構，完成換撐后，將支撐拆除，見圖3。

圖3 中心島支護剖面

3.2.2 旋噴錨樁

六緯路側采用4道旋噴錨樁+1道鋼支撐的形式，海河東路側采用6道旋噴錨樁的形式。

對于常規水電站，根據電站運行水頭、所在地理位置差異等因素，機組技術供水方式主要有自流減壓供水、水泵供水、二次循環供水等。對于循環供水系統，由于其水源沒有取自機組流道，故其往往不需要設置汛期備用水源。而對于自流減壓供水或水泵供水，其水源多來自機組流道。有部分電站則采用沉淀池供水做為機組冷卻水的備用水源，當汛期來臨，水庫水質較差時，機組技術供水切換到沉淀池供水。

旋噴錨樁通過高壓旋噴和攪拌技術形成大直徑的水泥土錨樁體（φ500 mm），在旋噴攪拌的同時將鋼絞線及錨錠板直接帶入形成錨樁，根據需要還可以形成擴大頭。對于超大深基坑，在原中心島法支護方案的基礎上局部增設旋噴錨樁，不僅可以形成較開闊的土方開挖作業面，而且可以不受結構施工進度的制約，加快土方施工進度，同時土方開挖的順序亦相對靈活。

3.2.3 重力擋墻

1#公寓樓距離基坑邊線較近，如果采用中心島支護形式，公寓樓主體結構需留設豎向施工縫，而根據結構設計單位及業主單位的要求，該位置底板需整體澆筑。為滿足設計要求，考慮在1#公寓范圍基坑內外采用三軸水泥土攪拌樁和高壓旋噴樁對基坑內外土體進行加固，形成重力式擋土結構，與支護排樁共同承擔基坑外部土壓力，基坑內部不再留設護坡土臺。

加固土體面積置換率達到55%左右。三軸攪拌樁水泥樁摻量為20%，攪拌樁插入毛竹作為加筋材料，以增強其抗拉彎承載能力。同時，護坡樁及帽梁施工完畢后，在1#公寓范圍高樁的帽梁上與高樁對應的位置設置構造柱，構造柱尺寸1 000 mm×500 mm；基坑外部三軸攪拌樁局部區域延伸至自然地面；在自然地面上做硬化路面，具體做法見圖4；采用φ28 mm（Ⅱ級鋼）將延伸至自然地面的三軸攪拌樁與構造柱拉結起來。

3.2.4 放坡卸荷

為加快E區和F區交界位置地下結構施工進度，對支護方案進行調整，省去短撐，采取放坡+抗滑樁支護形式。放坡坡面局部采用噴射混凝土（內置φ4 mm鋼絲網片）進行加固處理，坡頂沿著開挖線每隔10 m設置一口降水井，以保證放坡坡體的穩定性。

圖4 重力式擋墻加固剖面

放坡采用二級放坡的方式，坡底標高-8.00 m，坡頂標高3.25 m，在標高為-4.475 m處留出一個平臺，坡度均為1∶1，總共需要開挖土方約為4 000 m3。挖土完畢之后在土坡上噴射100 mm厚的混凝土，坡底和坡頂均打入鋼釘。為避免坡底出現漏水，在距放坡邊線5 m處每隔10 m設置一個直徑為700 mm、管徑為500 mm的降水井，降水井井底標高為-18.35 m，見圖5。

圖5 E、F區交界位置放坡+抗滑樁支護方案平面

3.3 基坑降水截水設計方案

沿基坑周邊設置φ850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁形成封閉的止水帷幕，止水帷幕已經將上部潛水和⑦5層微承壓含水層隔斷。因此，對于上部潛水和淺層微承壓水主要采取坑內設置大口管井進行疏干。疏干井主要分A、B型，A型井為單一疏干井，B型井較深，除了起到疏干井作用外，還考慮了止水帷幕在⑦5層局部可能不閉合的因素，起到減壓井的作用。

深層⑨層微承壓水，由于需降水頭不大，采取坑外設置C型減壓井的方式進行處理。

4 數值分析

關于反壓土護坡，目前的規范并未對圍護樁和反壓土的最大允許位移做出說明。為保證基坑安全，同時對反壓土護坡的圍護體系的變形控制標準做出施工控制判斷。首先采用理正基坑設計軟件對反壓土護坡體系進行了整體穩定性驗算，隨后采用FLAC數值模擬分析軟件針對圍護體系建立數值計算模型，根據土方開挖的實際工況，對反壓土和圍護樁的位移及內力進行數值模擬并結合天津地區反壓土護坡工程實例，建立反壓土護坡的變形控制標準，見圖6和圖7。

基坑開挖到底后，反壓土臺的位移趨于穩定，一、二級土臺坡頂位移曲線形式類似，由此說明反壓土臺護坡的支護體系其穩定性滿足要求。根據上述數值分析結果確定的不同開挖工況（開挖深度分別為2.5、5、10、15.5 m）對應的一、二級土臺坡頂位移變化，考慮已經長期降水的有利因素，取計算值的70%左右；同時還提供基坑從±0.0開挖到基底時各級土臺的位移監測結果。

數值分析的結果與實際位移監測結果變化趨勢一致，基坑變形距離位移包絡圖警戒值還存在一定距離，并且基坑變形趨勢逐漸平緩，趨于穩定狀態；但是也必須注意的是，軟土基坑開挖到槽底后，基坑變形仍有一定量的發展。

5 基坑施工過程

土方開挖過程中，降水效果較好，基本未發現明顯的積水。在土方開挖到槽底至基礎底板施工過程中，鉆孔灌注樁變形最大50 mm，圍護結構未發生過大變形；基坑開挖對地鐵軌道的影響很小（＜4 mm），槽底均未出現管涌等現象。

基坑最大水平位移約125 mm，其中較大的變形量主要發生在反壓土護坡形成及持續過程中；而反壓土開挖階段，旋噴錨樁施工過程中發生的變形量相對較小約20 mm。反壓土區域地下結構施工階段，基坑變形增長值和增長速率都大大降低，變形曲線趨于收斂且基坑變形規律與理論曲線較吻合，說明基坑達到穩定狀態。基坑外側土體沉降也基本在規范允許范圍以內，較大的沉降主要發生在反壓土護坡階段。對于1#公寓重力式擋墻支護區域，基坑變形隨著基坑開挖線性發展，基礎底板完成后變形速率大幅減小，基坑頂部最大變形約70～80 mm。

6 結語

1）天津嘉里中心基坑支護方案總體合理，同時兼顧了基坑不同位置的特殊需要，保證了基坑周圍建筑物及鄰近地鐵的安全，為結構施工提供了便利條件。

2）中心島+旋噴錨樁支護方案的優點。中心島方案中部主體結構施工進度快、工程造價低等優勢；具有旋噴錨樁技術的特點，能充分調動和提高巖土的自身強度和自穩能力，有效地改良土體，達到增加錨固體抗拔力的效果；同時，兼顧了基坑不同位置的特殊要求，采取有針對性的調整措施，多種方案相結合，使基坑內作業面開闊、施工安排靈活、土方施工進度加快，既保證了基坑及周圍建、構筑物的安全，又節省了工期和造價，達到了較好的支護效果。

3）反壓土護坡階段屬于被動支護過程，圍護樁產生大變形階段并不是發生在中心島和保留土體開挖過程中，而是發生在這兩個工序之間的時間段，這個時間段越長，圍護樁頂向坑內的位移也越大。因此，中部主體結構施工階段，應合理安排工序，盡量縮短主體施工時間，盡快形成支撐，將反壓土挖去。

4）在很長一段時間內需要依靠反壓土來抵抗坑外主動土壓力，而天津這樣的軟土地區，當含水量過高時土體變形會顯著增大。因此需要在坑內及反壓土坡內布置足夠數量的降水井，保證降水效果。雨季施工時，基坑坑外擋水和坑內排水更需引起高度重視。

5）基坑周邊堆載需嚴格按照設計條件執行，對本工程而言，基坑周邊2 m范圍內不宜堆載，為人行通道，基坑周邊2 m外超載不宜超過2 t/m2，反壓土臺上需嚴格控制，嚴禁作為堆場使用。

[1]JGJ 120—2012，建筑基坑支護技術規程[S]．

[2]CECS 147—2004，加筋水泥土樁錨支護技術規程[S]．

[3]周予啟，劉衛未．軟土地區超大深基坑中心島支護方案設計與施工[J]．施工技術，2011，（10）：52-58.

[4]周予啟，秘志偉．津塔基坑施工監測和數值模擬分析[J]．天津建設科技，2011，21（2）：24-27.

□劉衛未、劉 芳/中建一局集團建設發展有限公司。

□袁革忠、穆鳳麟/天津市建設工程質量安全監督管理總隊。

TU753

C

1008-3197（2013）05-06-04

10.3969/j.issn.1008-3197.2013.05.003

□課題項目：中建總公司課題：城市中心區特大超深基坑工程對周邊環境的影響評估及控制關鍵技術（CSCEC-2011-Z-33）

中建總公司課題：不同地層結構超深基坑落底式止水帷幕型式研究和數值模擬分析（CSCEC-2013-Z-7）

2013-05-13

周予啟/男，1971年出生，高級工程師，中建一局集團建設發展有限公司，從事基坑設計和施工工作。