武漢深厚淤泥地段超深基坑支護工法研究

方山耀, 曾　執, 鄧　薇

(湖北省地質局 武漢水文地質工程地質大隊,湖北 武漢　430051)

0　引言

武漢市竹葉山、三眼橋路、香港路、新華下路一帶被稱為武漢地基工程的“百慕大三角區”。該地段的基坑工程事故頻發,基本原因是地質條件極差,沉積了厚度達14～19 m的淤泥或淤泥質土,該類土具觸變性、流變性、高靈敏度等。

1　工程概況

本項目主要為 1棟 51層高層辦公樓(A棟，含 5層裙樓,結構類型為框架核心筒)及 3棟 39層小戶型公寓(B1、B2、B3棟,結構類型為框架剪力墻),滿鋪地下室,規劃用地面積 25 011 m2,總建筑面積 236 613.9 m2。采用鉆孔灌注樁基礎。

建筑±0.000高程為21.70 m,設四層地下室。基坑深度18.45～22.85 m,基坑支護面積約15 698.0 m2,基坑周長633.53 m*武漢地質工程勘察院，中華城商業社區一期地下室基坑支護設計書,2010。。基坑安全等級為一級。

2　環境地質條件

場地位于武漢市江漢區,北鄰香港路，東臨建設大道,周邊環境較為緊張。地貌單元屬長江沖積一級階地,場區地勢較為平坦,地面高程在20.15～20.61 m之間。

2.1　地層*武漢市勘測設計研究院，中華城商業社區一期巖土工程勘察報告書,2009。

表1　場地土主要物理力學參數一覽表Table 1　Schedule of main physical and mechanical parameters of site soil

2.2　水文地質條件

場區地下水按賦存條件及含水層性質可分為上層滯水和孔隙承壓水,上層滯水賦存于人工填土中,無統一自由水面,其水位變化較大,勘察期間實測上層滯水的靜止水位位于自然地面下0.6～1.5 m,水量隨大氣降水及地表排水強度波動,總體有限,但不容忽視。孔隙承壓水賦存于場地下部的⑤層砂土中,與長江有較密切的水力聯系,其水位變化幅度受長江水位漲落影響,年變幅3.0～4.0 m,標高17.0～21.0 m左右,水量較大。基坑開挖已挖到砂層,需采取井點降水(圖1)。

3　設計思路

3.1　基坑特點分析

(1) 基坑開挖深度大，其深度在18.45～22.85 m。

(2) 基坑開挖深度范圍內軟土層厚度巨大:第①層填土,結構十分松散,土質不均勻；②層淤泥,流塑狀,工程性能差,對基坑的穩定極為不利。

(3) 基坑周邊環境條件及支護方式的選擇。基坑開挖面積大,平面不規則,開挖深度大,周邊環境條件差(要求基坑變形小),且地質條件極差。綜合考慮地質條件、建設周期、經濟最優、施工可行性、對周邊環境及結構施工影響等因素,經過多次專家論證,最終確定基坑支護方案為:基坑上部放坡0.6 m,采用大直徑樁+三層混凝土支撐+淺層被動區換土、坑內局部高噴樁加固的支護方案,同時在樁間高壓噴旋樁(到基巖面)和單獨高壓噴旋樁止水配合深井降水的水處理方案。支撐平面布置見圖2。

圖1　典型地質剖面圖Fig.1　Profile of typical geology

圖2　基坑支護平面圖Fig.2　Planar graph of foundation pit support

3.2　鄰近基坑工程概況

漢口香港路一帶有深厚流塑狀淤泥或淤泥質粘土,系湖塘相沉積物,強度很低,對基坑的穩定十分不利,此地區是基坑事故的多發區。前期有橋苑小區B棟(18層樓已拆除)等多個基坑工程周邊出現較大變形。一般來說,建設大道及漢口香港路一帶的一、二層地下室的基坑被動區在淤泥層中,容易引發基坑事故。一層地下室基坑不需降水,二層地下室基坑需降水,但降水幅度小。開挖10 m左右,電梯間深12～14 m,降水引起的沉降實際為40～60 mm。國貿大廈基坑的降水幅度與本工程類似,降幅16.0 m,設計布置17口排量為1 920 m3/d的降水井,降水引起的沉降實際為72.28～97.15 mm。

3.3　擋土結構選型

鉆孔灌注樁是目前武漢市基坑支護最常用的擋土方式,工程經驗多,理論計算方法也比較成熟。不受場地和地層條件限制,安全,質量易控制。

地下連續墻是武漢地區基坑支護采用較多的另外一種方式,可以三墻合一,既擋土又防水,還可直接作為地下室外墻,但由于場地存在厚度巨大的淤泥,地下連續墻必須先施工導墻,兩側的導墻須達到淤泥層底以下,否則在施工地下連續墻時極易引起周邊地面塌陷。一般情況下矩形截面的自穩性低于圓形,成樁性能比圓形狀差。地下連續墻部分替代地下室內墻可能得不償失,總造價大于樁支護+側壁防水+地下室外墻三項。因此,不宜選擇造價高昂的地下連續墻。

3.4　淺層被動區換土

基坑淺部存在厚層軟土,三層混凝土內支撐均位于淤泥或淤泥質土層中,這類軟土的強度不滿足混凝土梁支模的要求,極易造成混凝土梁支模變形。采取局部換填的辦法,在每層支撐梁下采用建筑磚渣擠密換土,該方法材料費用低,效果好,能保證混凝土梁的澆筑質量。

4　地下水處理

4.1　基坑側壁止水方案

填土中上層滯水量有限,水壓力小,工程實踐證明,施工噴錨(土釘)網時采取分段開挖引流措施、分段噴錨掛網護面止水,一般能保證順利開挖填土層。

側壁的淤泥質粘土局部地段底部夾不均勻粉土薄層,基坑底部接近粉砂。粉土、粉砂結構松散,透水性強,易發生水土流失,引發地面沉陷,需要設置側壁止水。由于降深大,側壁止水深度盡可能深一些。止水方法常見的為攪拌樁、花管壓注水泥漿,其止水效果難以保證,側壁隔水帷幕選用高壓旋噴樁。高壓旋噴樁的止水性能遠高于攪拌樁,其施工受深度影響較小,但工藝要求較高,造價相對較高。

4.2　基坑降水方案

場地離長江很近,水量很豐富,本場區承壓含水層頂板埋深15.4～21.7 m,基坑開挖深度18.5～22.9 m,底高程為2.65～-1.15 m,已挖到含水層,必須進行基坑降水,且降幅較大。枯水季節,設防的承壓水位17.0 m；豐水季節,設防的承壓水位20.0 m。采取深井降水。共設有32口降水井,井徑650 mm,單井抽水量1 920 m3/d。

4.3　基坑降水對環境的影響

對降幅不大(13～14 m 以內)的淺、中基坑,中深井降水是武漢地區目前應用較多的承壓水處理方法。軟土區沉降率約為降水1m 產生沉降0.3～0.5 cm。基坑以外10 倍降深處的沉降約為基坑邊緣最大沉降的45%左右,地面傾斜率多數在1‰以內,個別地面傾斜率可能達到1.5‰。控制含砂量小于十萬分之一,對周邊環境影響很小。本場區降幅19～21 m,降幅較大,在深厚軟土層降水,預測基坑周邊的沉降100～120 mm。對降水影響半徑內的周邊環境影響較大。

4.4　解決降水對環境影響的辦法

解決沉降過大的方法有封底、落地式帷幕。該類工程實例主要有泰合廣場和世貿廣場,兩工程均為二層地下室,最大的開挖深度在14 m 以內。采用高壓旋噴或擺噴工藝,但泰合廣場和世貿廣場基坑的封底或落地式帷幕并不完全成功,最后都補打降水井才得以開挖到底。主要原因是:高噴樁偏斜過大或高噴或擺噴直徑達不到設計取值,封底難以保證重疊系數。側封時,底部砂層強度高,止水樁易偏斜,難以保證重疊系數。另一方面高噴工藝要求高,準確定位和保證連續供漿非常關鍵。綜上所述,本方案采取支護樁和樁間高噴樁形成落地式帷幕,再配合深井降水的方法。

5　基坑支護設計

5.1　支護樁設計

為限制樁頂位移,采用鉆孔灌注樁加3層內支撐的支護方法,支護樁采用大直徑鉆孔灌注樁,樁徑為1 500 mm,樁端深入到基巖一定深度,砼標號C30,樁間距1.7 m,樁頂用冠梁連結,冠梁高800 mm。

5.2　內支撐設計

選用角撐+對頂式對撐,場地土壓力大,為保持支撐密度,冠梁和腰梁上的支撐跨度一般≤9 m。一層支撐采用C30混凝土,主撐截面:寬×高=800×800,聯系撐截面:寬×高=400×600。二層、三層支撐采用C40混凝土,主撐截面:寬×高=1 000×800,次撐截面:寬×高=800×800,聯系撐截面:寬×高=400×600。

支撐梁截面已考慮自重、次撐自重、附加荷載、溫度應力、安裝偏差及桿件細長比的折減系數等影響,依據變形特點確定。典型支護斷面設計見圖3。

5.3　豎向支撐體設計

支撐重量按1/2分擔法[1]確定,樁豎向承載力標準值=支撐自重+偏心荷載。其中最大的支撐自重=支撐重量+鋼立架重量+支撐活載+偏心荷載,偏心荷載取支撐力的0.1。支墩形式采取鉆孔灌注樁及鋼架,鉆孔灌注樁砼C30,直徑1 000 mm,主筋保護層50 mm,支撐樁凈長30 m,豎向井字形鋼架,一層撐鋼架采用4支16#×12角鋼。綴板厚10 mm,寬200 mm。二層、三層鋼架采用8支16#角鋼,厚12 mm。

5.4　換撐設計

為不影響地下結構的施工,須換撐施工。換撐過程是:地下室建筑梁板達到強度后,利用地下室梁板作為支撐點,加設換撐以便代替支撐,換撐具強度后,拆除支撐。換撐設于地下各層樓面和支撐樁之間,換撐采用吊筋和預埋鋼筋固定。本工程地下室外墻空間小,適合采用逐樁換撐;換撐剖面0.4 m×0.3 m,換撐間距1.7 m。在一期與二期之間換撐,一期換撐時,加設換撐頂到二期的同高度內支撐上,二期換撐時將采用槽鋼頂到已建成的另一側的地下室建筑梁板作為支撐點,然后再逐樁換撐。

5.5　出土棧橋設計

本基坑挖深大,土層極軟,深厚軟土區出土也是難點。土方運輸采用出土棧橋,車輛按重載考慮,棧橋采取鉆孔灌注樁,嵌巖樁基,部分利用工程樁,棧橋采取現澆C30混凝土,橋面平冠梁頂,進入基坑內長21.5 m,寬11.2 m,板厚0.4 m。車輛行使在坑內道路上采取建筑垃圾墊路,分層開挖,最后采取小型挖機,垂直出土收尾,清除棧橋下的余土。

圖3　典型支護斷面圖Fig.3　Section of representative for foundation excavation

6　監測結果

本基坑工程已竣工二年多,在施工中基本保持了基坑底干燥,施工作業順利。基坑最終監測可見,支護樁水平位移為25～35 mm*湖北萬鈞工程技術有限責任公司，中華城商業社區一期基坑變形監測報告，2011。,支護樁頂沉降量為16.8～27.4 mm,周邊建筑最大沉降32.5 mm,周邊道路最大沉降38.2 mm;支護樁體深層變形主要集中在樁頂;內支撐桿件的軸向受力處于受控狀態。在整個基坑開挖和基礎施工過程中,支護系統及周邊環境安全、穩定。

7　結語

本工程采取鉆孔灌注樁加內支撐的支護體系較好地解決了深厚淤泥地段超深基坑的支護問題，結束了武漢深厚軟土地帶不能開挖超深基坑的歷史。根據本項目的成功實施可初步歸納為以下幾點:

(1) 淺層被動區換土的辦法有效地減少了樁的側向位移,同時防止了內支撐梁的垂向變形,保證了支護體系的整體受力狀態,內支撐桿件不產生過大的偏心荷載。

(2) 在砂礫層中落地式超深帷幕的施工,采取鉆孔灌注樁的施工方法,用素混凝土樁加高壓旋噴樁止水效果良好,基本保持了基坑底有干燥的作業環境。

(3) 在深厚淤泥或軟土地區的超深基坑,采取鉆孔灌注樁加內支撐的支護體系可以很好地解決基坑穩定問題,可以取代造價高昂的地下連續墻。

(4) 對于超大超深基坑采取多層桁架式對頂撐加角撐是一種受力明確、施工簡明的內支撐體系,可以逐樁換撐,施工較靈活。

本工程實例是對深厚淤泥地段超深基坑支護方法的嘗試,較好地解決了深厚淤泥地段超深基坑的支護問題。為以后類似的基坑工程提供了經驗,本基坑支護工程采取的工法縮短了施工周期,取得了較好的經濟效益和社會效益,可為類似基坑支護設計提供借鑒。

參考文獻：

[1]DB42/T159—2012，湖北省深基坑工程技術規定[S].