周邊復雜環境下軟土異形深基坑支護優化設計

林雪梅

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

隨著時代的不斷發展，城市建設日新月異，中小型城市以及周邊人口不斷向大城市涌入，原有的城市規劃已漸漸無法滿足人們的生活需求，城市中心用地緊張與日益增長的建設需求形成了尖銳的矛盾，在大環境下，新進建設項目往往會受到周邊多方面條件的制約，以往方方正正的場地越來越少，取而代之的是各種異形基坑[1]。不同于規整形狀的深基坑，異形深基坑受力情況復雜[2]，變形差異大[3]，采用常規計算方法極易造成偏差，稍有不慎很可能釀成重大事故。本文針對這一情況，采用三維數值分析軟件，對周邊情況復雜的軟土異形深基坑進行模擬，利用分析結果為支護結構設計提供依據，針對基坑薄弱位置進行重點保護，有效提高了圍護結構的安全性，為相關項目提供了良好的借鑒。

1 工程簡介

1.1 周邊環境

該工程位于福州市歷史文化名街三坊七巷周邊，北側為1棟6層淺基礎磚混結構宿舍樓(距離約為13m)和8層樁基礎住宅樓(距離約為11m)，西側為3棟樁基礎住宅樓(距離約為11m～14m)，南側為6層框架結構辦公樓(距離約為6m)，東側為3棟醫院病房樓，新建建筑物為醫院醫療保健綜合樓，設有3層地下室，基坑開挖深度約為14.4m。如圖1所示。

圖1 基坑所在位置圖

1.2 場地地質條件

本場地地下土層分布及物理力學特性如表1所示。

表1 各土層分布深度及物理力學指標

對該基坑開挖影響較大的地下水，主要為上部填土層中的上層滯水，以及下部的殘積土和風化層中承壓水。勘查期間，場地地下水初見水位埋深約1.0m～1.8m，穩定水位埋深為1.00m～1.50m。

2 基坑支護設計及模擬分析

該基坑具有以下特點：

(1)軟土層深厚，物理力學性質差

該場地基坑開挖深度內存在淤泥層及淤泥質土層，分布厚度普遍超過10m，局部深度可達基坑底以下10m以上，軟土顏色深灰，飽和，呈流塑狀態，含腐植質，有機質，云母片，個別爛木等。

(2)基坑開挖深度大

該工程設計有3層地下室，基坑周長380m，面積6800m2，基坑開挖深度14.4m，局部電梯井承臺位置開挖深度超過16m。

(3)基坑形狀不規則

因場地限制，該項目地下室呈T字形，受力分析復雜，局部陽角可能存在較大變形，采用傳統二維計算軟件僅能對單一剖面進行計算，無法客觀模擬基坑圍護體系的實際受力情況。

(4)基坑周邊環境復雜

基坑東西北側共分布有超過11棟建筑物，包含宿舍樓，居民樓，以及5棟醫療建筑，與基坑距離約為6m～14m，其中北側宿舍樓為淺基礎。另外，基坑南側緊鄰城市干道，下埋雨污水管線，電力、電信管線，埋深淺，對位移十分敏感，基坑支護結構位移過大極易對周邊建筑物及管線產生影響。

2.1 支護方案的選擇

針對上述情況，該基坑支護結構的安全等級定為一級，考慮到基坑位置特殊，且為3層地下室，開挖深度大，周邊建筑物及管線多，不具備放坡空間，樁錨支護由于基坑深，軟土厚，變形較大，且容易對周邊產生影響，并不適用于該項目，因此采用樁撐支護，支撐體系采用3道混凝土內支撐支護，圍護樁采用沖(鉆)孔灌注樁，截面為Φ900,間距@1200，樁長為20m，圍護樁之間采用高壓旋噴樁止水擋土，如圖2所示。

圖2 優化后典型支護剖面圖

在確定支撐體系時，考慮到基坑形狀不規則，采用環形支撐容易發生應力集中，不利于支撐均勻受力，因此在確定方案時采用井字形支撐和桁架支撐兩種，如圖3～圖4所示。

圖3 井字形支撐

圖4 桁架支撐

在確定設計方案時，采用Midas/GTS軟件對支護方案進行模擬，對設計進行指導優化。該項目土體本構模型采用Mohr-Coulomb模型，圍護樁以及支撐的本構模型采用線彈性模型。通過模擬分析表明，采用井字形支撐的方案雖然支撐布置密度高，看似安全度更高，但基坑南北兩側陽角位移明顯偏大，如表2所示，無法針對該工程異形基坑的特性在薄弱節點進行加固。在實際施工時，該區域可能成為整個基坑最薄弱的位置，在增加造價的情況下，基坑的安全度反而更低了，而且采用井字形支撐土方開挖面小，無法設置行車棧橋，勢必影響施工工期。綜合各方面因素，該方案并不是最合理的方案。

表2 方案位移對比表 mm

數值分析結果如圖5所示，如采用桁架支撐體系，圍護結構位移整體無明顯增大，基坑支撐體系還可以靈活調整，有針對性的進行加強，并考慮施工實際情況設置出土通道及施工棧橋，既節約了造價又提供了安全度，同時為施工提供便利，縮短工期，因此最終采用桁架支撐方案，并針對陽角位置位移偏大的情況如圖6所示，增設南北對撐，東側調整角撐位置等手段，簡化傳力路徑，圍護樁樁長加長至26m，提高該區域安全度，并在該區域增設監測點，加強位移監測。

圖5 基坑模型圖

圖6 地下連續墻變形云圖

2.2 實測結果

基坑開挖至地下室施工完成，歷時一年。在開挖過程中，針對基坑圍護樁變形，周邊建筑物及管線沉降，支撐梁應力等進行了全程監測。

監測資料如表3所示，由表3可以看出，基坑位移的實測數據較模擬數據偏小，如圖7～圖8所示，考慮到地層參數的取值問題，基坑計算是偏于安全。實踐證明，該基坑支護方案是安全可行。

表3 位移及軸力統計匯總表

圖7 北側陽角位移曲線圖

圖8 南側陽角位移曲線圖

3 結論

面對越來越苛刻的工程條件，基坑支護也越來越受到業內的重視。支護設計中的細微偏差，都可能直接影響工程的進展，甚至是造成生命財產的重大損失，通過該項目的摸索，可以得到以下經驗。

(1)該工程位于市中心核心地區，周邊環境復雜，用地范圍小，采用數值分析輔助基坑支護體系設計，對支護方案進行優化，經過施工監測，數據表明，監測結果與模擬結果誤差控制在15%以內，基本符合設計要求。

(2)在異形深基坑中陽角位置一般為基坑的薄弱位置，支護體系變形較其他位置偏大，在設計時應重點考慮，可采用加長樁長、加大樁徑等措施提高基坑安全度。在布置支撐時，應明確傳力路徑，簡化受力體系。

(3)在異形深基坑中，尤其是周邊復雜的異形深基坑，設計中借用三維數值分析手段進行輔助設計很有必要。常規二維軟件因其自身局限性很難客觀反映基坑整體變形的局部差異，利用三維分析，可以在設計中做到有的放矢，具有很強的針對性，在今后的基坑支護設計中值得加以推廣。

參 考 文 獻

[1] 陳燾，張茜珍，周順華，等.異形基坑支撐體系剛度及受力分析[J].地下空間與工程學報，2011(S1):1384-1389.

[2] 王巍浩.軟土區異形基坑開挖坑角效應及對周圍建筑物影響研究[D].石家莊:石家莊鐵道大學，2016.

[3] 謝秀棟，張林，何宗儒.異形基坑施工變形特性分析[J].長春工程學院學報(自然科學版)，2013,14(4)：23-26.