復雜環境下四層地下室超深軟土基坑的支護

鄭金伙

(福建省建筑設計研究院 福建福州 350001)

復雜環境下四層地下室超深軟土基坑的支護

鄭金伙

(福建省建筑設計研究院 福建福州 350001)

對于開挖深度超過15m的超深基坑，選擇既安全又經濟的支護形式是至關重要的。特別是在軟土地區且基坑周邊環境復雜時，更應引起格外的重視。應對多個方案進行對比，選出最佳方案。可采用三維數值分析軟件MIDAS進行輔助設計，但應選擇合適的計算參數。當止水帷幕有合適方案時，且支護結構變形能滿足要求時，采用圍護樁比地下連續墻更為方便施工。內支撐體系的選擇既要控制變形又要便于施工。本文通過已成功實施的工程實例，介紹了復雜環境下四層地下室超深軟土基坑支護結構的設計過程，為類似項目提供有益的借鑒作用。

復雜環境；超深基坑；軟土；支護

E-mail:zjh@fjadi.com.cn

引 言

近年來，城市建設不斷向地下空間發展，特別是為了滿足商業和車庫的需要，三層以上的地下室越來越多，基坑也越來越深。在軟土地區，當基坑深度超過15m時，基坑支護就必須引起足夠的重視。特別當基坑周邊環境復雜時，選擇既安全又經濟的支護形式變得非常重要。

1 工程簡介

泉州和昌貿易中心位于泉州市豐澤街與田安路交叉口的東南角,包括四幢塔樓(A樓32F，B樓28F，C、D樓19F)，設有連體四層地下室。

±0.00相當于黃海標高6.300m，現有場地整平標高約為5.300m(相當于設計標高-1.000m)。地下四層底板面設計標高為-18.300m，底板厚0.8m，墊層厚0.3m，基坑開挖至底板墊層底的深度為18.4m；主樓采用大筏板承臺，厚2.0m，墊層厚0.3m，開挖深度19.6m。

1.1 周邊環境

本工程位于泉州市中心。北側緊鄰豐澤街人行道，豐澤街為市政主干道，車流密集；西側緊鄰田安路人行道，田安路為市政主干道，車流量大；東側距離中國銀行大廈(27F，一層地下室，沖鉆孔樁基礎)26.7m；南側的東段為7F住宅樓(無地下室，沉管灌注樁基礎，基礎入土深度20～22m)，南側的西段為18F住宅樓(一層地下室，PHC管樁基礎，基礎入土深度20～22m)，與四層地下室距離29.4m如(圖1)。

圖1 總平面圖

1.2 工程地質條件

基坑開挖深度范圍內各土層的分布及物理力學特性如下(表1)。

基坑開挖時的涌水量主要來自上部填土中的上層滯水及下部砂層及風化層中的承壓水。上層滯水水量主要受大氣降水、地表排水及南面田淮渠內河水的側向滲透等影響，勘察期間穩定水位標高在3.53～5.23m。場地中下部(6)粗(中)砂及風化巖層蘊藏有承壓水，水頭標高約在-0.08m～1.97m間(黃海高程)，滲透系數k=3.45～5.97m/d。

表1 各土層的分布及物理力學指標

2 支護方案的分析

本基坑具有以下特點：

(1)本場地為典型的軟土地基，基坑開挖深度范圍內含有5.5～6.70m的淤泥，淤泥含水量高、抗剪強度低。

(2)基坑面積大。基坑長211m，寬88m，呈長方形，面積達17460m2。

(3)基坑開挖深度大。本地下室為四層地下室，開挖深度達18.4～19.6m。

(4)基坑周邊環境復雜。基坑的北側和西側緊鄰市政主干道，道路下埋有供水管、污水管、電纜、通訊光纜等，埋深在1.0～4.5m。東側為高層建筑物。南側的住宅樓，雖然是采用樁基礎(沉管灌注樁和PHC管樁)，但持力層為(6)粗(中)砂或(7)殘積(礫)砂質粘性土，因此基礎深度與基坑底標高接近。所以支護結構的過大變形或地下水的過度流失都會對周邊地下管線和建筑物產生影響。

2.1 地下連續墻與圍護樁的選擇

本基坑地處市中心，周邊環境復雜，且為四層地下室，開挖深度達18.4～19.6m，為超深基坑，又是軟土地基，一般情況下采用地下連續墻支護，既可擋土又可止水，同時可以兼做地下室外墻。地下連續墻技術成熟、安全可靠，但工期較長、造價較高。

通過對地質條件的分析，本基坑下部約一半開挖深度為(4)粉質粘土，力學性能較好。我們已有16m深的類似基坑采用圍護樁支護的成功經驗。因此也可以考慮采用大直徑圍護樁支護。采用圍護樁造價相對較低，且設備多、施工快。

2.2 內撐與外錨的選擇

考慮到基坑為軟土、開挖深度大、周邊地下管線眾多，如果采用錨桿支護，施工困難，且變形較大，勢必影響周邊環境。因此本基坑不適合錨桿支護。

為了嚴格控制支護結構的變形，應采用內支撐體系。考慮到基坑跨度較大，應采用混凝土內支撐。由于基坑呈長方形，因此為了便于土方開挖，采用兩端角撐、中間對撐的支撐體系如(圖2)。

圖2 支撐平面布置圖

2.3 止水帷幕的選擇

本基坑開挖深度范圍內主要的地下水是來自(6)粗(中)砂及風化巖層，承壓水頭高，必須進行有效的止水措施。

如果采用地下連續墻，則不需要另外設置止水帷幕。

如果采用圍護樁支護，可考慮以下幾種止水方式：

(1)咬合樁。即兩根圍護樁之間設置一根素混凝土咬合樁如(圖3)a。由于本基坑開挖深達19m，福建地區類似工程中成功案例較少，主要是咬合樁的垂直度不夠造成咬合效果不佳。

(2)高壓旋噴樁。即兩根圍護樁之間靠基坑外側設置一根高壓旋噴樁如(圖3)b。常用的雙重管工藝，垂直度難以滿足本項目開挖深度要求。應采用三重管工藝，噴射直徑可達1000mm。

(3)三軸攪拌樁。在圍護樁外側單獨設置一排三軸攪拌樁如(圖3)c。三軸攪拌樁垂直度高，在類似地質中止水效果最為理想，成功案例眾多。但由于止水帷幕部分需深達30m，因此三軸攪拌樁應采用大功率動力頭。

圖3 止水帷幕形式

3 支護方案的對比

為了便于進行方案對比，采用midas軟件進行數值分析。包括以下幾種支護方案：

(1)1000mm厚地下連續墻，加三道混凝土內支撐；

(2)圍護樁加三道混凝土內支撐，其中南側靠近建筑物的圍護樁Φ1100@1300，其它位置圍護樁Φ1000@1200；

(3)圍護樁加四道混凝土內支撐，其中南側靠近建筑物的圍護樁Φ1100@1300，其它位置圍護樁Φ1000@1200；

地面荷載取20kPa。(表2)為基坑四周跨中位置(如(圖2)中的▲)的圍護樁(墻)最大變形。(表3)為基坑四周跨中位置(如(圖2)中的▲)的圍護樁(墻)控制彎矩。(表4)為中央對撐(如(圖2)中的▲)的支撐軸力。(表5)為三種方案的造價對比。(圖4)為方案2的支護結構變形云圖。

分析結果表明，同樣采用三道內支撐，圍護樁的支護結構最大變形為37.9～46.2mm，只比地下連續墻支護大4.0～4.5mm，但均小于50mm，屬于允許范圍，說明采用圍護樁支護技術上是可行的；前者的第一道支撐軸力比后者小10%，兩者的第二道支撐軸力相近，前者的第三道支撐軸力比后者大10%，說明支撐梁的造價相差不大。考慮到地下連續墻的造價要比圍護樁(包括外圍的止水帷幕)高約50%，因此從經濟性、安全性、施工方便性等綜合考慮，本基坑采用圍護樁支護方案更佳。

從分析結果還可以看出，對于圍護樁支護，采用四道內支撐的支護結構最大變形只比三道內支撐體系小1.8～2.8mm，圍護樁控制彎矩小8%～27%；但由于增加一道內支撐，支撐造價約增加300萬元，同時土方開挖不方便，支撐施工和拆除的工期也會增加接近1個月。因此采用三道內支撐體系既能滿足安全要求，又可以節省工期、方便施工，更為合適。

表2 基坑四周跨中的圍護樁(墻)最大變形

表3 基坑四周跨中的圍護樁(墻)控制彎矩

表4 中央對撐的支撐軸力

表5 不同支護方案造價對比

基于以上分析，本基坑最終的支護方案采用Φ1000、Φ1100圍護樁加三道混凝土內支撐，圍護樁外側采用Φ850三軸攪拌樁結合三重管高壓旋噴樁止水。支護剖面如(圖5)。第一道支撐與第二道支撐凈距5.1m，第二道支撐與第三道支撐凈距5.0m，第三道支撐與基坑底凈距5.3m，方便土方的開挖。

圖4 支護結構變形云圖(方案2)

4 實測結果

在基坑開挖過程中，對圍護樁的變形、支撐梁應力等進行了全程監測。基坑開挖到底時的監測結果如(表6)和(表7)。可以看出，實測值要比理論計算值偏小，這可能是因為理論計算時坡頂地面荷載按20kPa考慮偏于安全，同時土層的力學指標取值偏于保守。實踐證明了本基坑支護方案是安全可靠的。

表6 圍護樁最大變形實測值

表7 對撐的支撐軸力實測值

5 結論

深基坑支護作為巖土工程的一個重要內容，越來越得到學術界和工程界的重視，因為支護的成功與否直接影響到工程進度及人員財產的安全。而隨著基坑深度的不斷增加，選擇合適的支護形式成為深基坑支護設計中的關鍵環節。特別對于復雜環境下的超深軟土基坑(深度超過15m)，既要保證周邊環境的安全，又要經濟上合理。本工程的成功為類似項目提供了可靠的參考價值。

通過本工程案例，可以得到以下有益經驗：

(1)對于超深基坑，必須結合地質條件和周邊環境進行認真的方案分析與對比，找出既安全又經濟的最佳方案；

(2)圍護樁用于復雜環境下的軟土超深基坑支護，技術上是可行的，相對于地下連續墻造價可以節省30%～50%，工期也可縮短。但當軟土深度超過基坑開挖深度時應慎重使用。

圖5 基坑支護剖面圖

(3)對于軟土超深基坑，采用三維數值分析軟件如MIDAS進行輔助設計，是可行的；

(4)輔助設計時計算參數的取值非常關鍵，特別是地面超載和土層參數，否則可能偏于保守，也可能偏于危險。但考慮到巖土的差異性和周邊環境的不確定性，應采用適當偏于安全的取值；

(5)內支撐體系的設計應考慮土方開挖的方便。在保證安全的前提下，應盡量減少支撐道數。上下道支撐梁之間的凈距應能滿足土方開挖和運輸工具的通行，否則土方開挖越慢，基坑暴露時間越長，反而對基坑安全不利。

[1]GB50010-2010，混凝土結構設計規范[S].

[2]JGJ120-2012，建筑基坑支護技術規程[S].

[3]劉建航，侯學淵.基坑工程手冊[M].1997.

Bracing Structure for Ultra-Deep Pit of Four Floors Basement under Complex Environment in Soft Clay

ZHENGJinhuo

(Fujian Architectural Design & Research Institute,Fuzhou 350001)

With regard to ultra-deep foundation pit with depth more than 15m, the choice of supporting structure is very important to meet security and economy. Particular attention should be paid to the one in soft clay under complex environment. For the best choice, several methods should be put forward for comparison. The software MIDAS can be used for assistance design. However the reasonable parameters should be selected. Pile is more convenient for construction than diaphragm wall, when it has appropriate waterproof curtain and the deformation can meet demand. This article introduces a successful project, which can provide reference value to similar ones.

Complex environment; Ultra-deep foundation pit;Soft clay; Bracing structure

鄭金伙(1973.5- )，男，高級工程師。

2015-04-01

TU

B

1004-6135(2015)05-0070-04