軟土地區基坑變形控制措施研究

梅海青

(上海申元巖土工程有限公司,上海 200011)

0 引言

近年來,隨著工業化、城市化進程推進,我國城市地下空間開發利用進入快速增長階段,并逐漸呈現大規模趨勢。與之相應,基坑工程也取得了飛速的發展。目前基坑工程愈來愈呈現出以下特點：①基坑數量越來越多；②基坑面積大、基坑深度深；③基坑周邊環境保護要求高。基坑施工過程中怎樣保證基坑以及周邊保護對象的安全成為確定圍護設計方案的關鍵因素。在地層較好的地區(如可塑、硬塑黏土地區,中等密實以上的砂土地區,軟巖地區),基坑開挖所引起的周圍地層變形較小[1]；而軟土地區(如上海、天津、福州、寧波等沿海地區)工程地質和水文地質條件相對較差,土體具有高含水量、高壓縮性、低滲透性及流塑等特性,基坑變形往往較大,基坑施工過程中變形控制更為困難。

1 基坑變形控制措施

通過分析軟土地區多個基坑工程的實施情況,控制基坑變形的措施主要通常包括：

(1)合理的圍護結構選型。圍護結構的選型往往決定基坑工程的成敗,周邊環境保護高的工程應選用變形控制能力強的板式圍護結構結合內支撐體系。

(2)增大圍護結構的剛度。在周邊環境保護要求高的區域可選用鉆孔灌注樁、地下連續墻等剛度較大的圍護結構。

(3)支撐布置加強。一般位于地鐵、歷史保護建筑等重要保護對象周邊的基坑工程支撐形式多采用對撐布置形式,且支撐豎向布置進行加密。

(4)被動區加固。土體加固可改善土體的物理力學性能、提高被動區土體抗力、減小基坑的變形及增強基坑的穩定性。土體加固多采用水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁或注漿等措施,少數變形控制要求高的項目也采用設置混凝土素墻。

2 工程概況

2.1 結構概況

某商業辦公項目用地面積9815m2,擬建建筑物包括兩棟9～10層辦公樓,下設兩層地下室。基坑形狀呈L型,開挖面積約7870m2,基坑挖深11.5～13.0m,集水井局部落深1.5m,電梯井局部落深2.5～2.7m。

2.2 環境概況

本工程位于上海市黃浦區,周邊環境情況如下：

(1)北側地下室外墻距離用地紅線約3.0m,紅線外為寬約22m的規劃會館街。

(2)東側地下室外墻距離紅線約3.0m。紅線外為中山南路及南浦大橋引橋。中山南路下有正在運行的軌道交通4號線通過,地鐵隧道埋深約22.3～28.6m,距離本工程地下室約31.4m。紅線外道路下有大量的信息、配水、供電等市政管線,距離地下室約11.4m～21.7m不等。

(3)南側地下室外墻距離紅線約3.0m,紅線外是寬約16m的規劃東江陰街。

(4)西側地下室外墻距離紅線約3.0m,紅線外是寬約16m的規劃青龍橋街。基坑西南角為一歷史保護建筑—商船會館,該建筑始建于1715年,為上海市文物保護單位。會館總體分為大殿和戲臺兩部分,戲臺為一幢兩層磚木結構房屋,大殿為一幢單層磚木結構房屋。

總體來看,本工程周邊分布有地鐵隧道、歷史保護建筑等眾多保護對象,環境保護要求要求高。

周邊環境概況可參見圖1。

圖1 基坑周邊環境總圖

2.3 地質概況

本工程場地淺層土層為①雜填土、①1粘質粉土、④淤泥質粉土、⑤1-1粘土、⑤1-2粉質粘土及⑥粉質粘土層組成。基坑開挖范圍內以上部填土及深厚粉土土為主,基坑開挖面以下為淤泥質土層,場地內深厚的粉土層滲透性強,易出現滲漏及流砂現象,需重點考慮基坑止水設計。相關物料力學指標參數見表1。其中φ及c值為勘察報告提供的固結快剪峰值指標。

場地淺部土層分布有潛水,其補給來源為大氣降水及地表水入滲補給,以大氣蒸發為主要排泄方式,水位埋深一般在0.50～1.00m。

表1 土層物理力學指標

3 基坑設計

3.1 基坑圍護選型

本工程在圍護設計選型時有以下幾點需重點考慮：①本工程周邊存在地鐵隧道、歷史保護建筑等保護對象,變形控制要求高；②基坑挖深較深；③淺層地基土為軟弱土層。

按照上海市《基坑工程技術規范》[2]要求,本工程安全等級為二級；地鐵及商船會館側環境保護等級為一級,圍護體變形控制值為20mm(1.8‰H),其他區域環境保護等級為二級,圍護體變形控制值為34mm(3‰H)。

通過比較分析,本工程圍護體系選用板式圍護結構結合多道內支撐。

1)擋土結構可考慮采用Φ900@1100鉆孔灌注樁與800厚地下連續墻,兩種圍護結構變形計算如圖2。

圖2 鉆孔灌注樁與地墻變形計算結果

通過計算可知,采用800厚地墻最大變形25.0m,Φ900@1100鉆孔灌注樁最大變形31.0mm,地墻變形為鉆孔灌注樁變形的81%。考慮周邊保護要求,圍護結構采用800mm地下連續墻。

2)本工程一般區基坑挖深11.5m,類似工程支撐豎向布置多采用兩～三道水平支撐,兩種支撐布置形式圍護結構變形計算如圖3。

圖3 支撐豎向布置變形計算結果

通過計算可知,豎向布置三道支撐圍護體最大變形25.0m,發生在開挖面附近,豎向布置兩道支撐圍護體最大變形28.8mm,開挖面以上圍護體變形均超過20mm。考慮周邊保護要求,本工程基坑內部設置三道水平支撐。

3.2 擋土結構設計

本工程一般區挖深11.5～13.0m,本工程擋土結構采用800厚地下連續墻,地墻長度24.5～30.0m,地墻混凝土強度等級為C35(水下)。

本工程場地分布有較厚粉土,該土層滲透性強,滲透系數約2.0E-05cm/s,為保證地墻成墻質量,地墻兩側采用Φ850@600三軸水泥土攪拌樁槽壁加固,外側攪拌樁套接一孔法施工,內側采用搭接施工,攪拌樁水泥摻量20%,攪拌樁樁長17.0～25.5m。

圍護剖面如圖4所示。

圖4 支護剖面圖

3.3 加固結構設計

通過計算可知,一般區圍護體變形約31.0mm,被動區加固后圍護體變形減小至約25.0mm,變形減小約20%。兩種形式圍護結構變形計算結果如下圖所示：

圖5 圍護變形計算結果

本工程東側為地鐵4號線區間隧道,西北角為商船會館。鄰近上述保護對象側采用被動區裙邊加固,加固樁采用Φ850@600三軸水泥土攪拌樁,加固自第二道支撐至坑底以下5m,水泥摻量20%。第一道支撐至第二道支撐采用10%水泥回摻,以保證加固空攪土體的強度不低于原狀土。

此外,考慮平行于地鐵隧道邊長約130m,為減小基坑跨中變形,本工程基坑中部設置一道800mm厚素地墻,自第一道支撐至坑底以下5m范圍設置,素地墻隨著基坑開挖鑿除。

加固平面布置如圖6所示。

圖6 加固平面圖

3.4 支撐結構設計

本工程基坑面積約7870m2,呈L形,東西長約114m,南北長約130m。結合基坑形狀,支撐平面布置形式可采取角撐、對撐結合邊桁架以及對撐為主布置形式。兩種支撐形式計算對比分析如下(圖7，圖8)。

圖7 支撐平面布置圖

圖8 第二道支撐變形計算圖

支撐平面位移計算采用平面桿系有限元法,將圍護剖面在支撐點的計算軸力作為荷載施加在支撐四周的圍檁上。從計算結果可以看出,角撐+對撐布置形式支撐變形最大值約27.5mm,第二道支撐采用對撐為主布置形式變形最大計算值約20.0mm,變形可減少27%。

4 工程監測結果

本工程面積大,開挖深度較深,周邊環境保護要求較高,為充分了解基坑施工過程中圍護結構受力和變形情況以及對周邊環境的影響,根據規范[2]要求,在基坑施工過程中進行了大量的信息化監測。本文主要選取代表性測斜變形監測點進行對比,分析不同條件下圍護結構的變形特點。

表2 典型測斜孔變形表

根據基坑監測結果：①圍護墻測斜孔最大水平變形為56.5mm,最大變形發生在南側西部,與計算位置基本吻合。②測斜孔最小變形為CP04監測孔,變形為30.0mm,最小變形在東

北角。③裙邊加固區變形約40.0mm,墩式加固區變形約50.0mm,被動區加固效果明顯。④基坑跨中變形大于角部變形。⑤素地墻設置可有效控制跨中區測斜變形。

5 結語

本文以軟土地區具體工程為背景,通過計算分析及監測結果可知：

(1)基坑圍護設計應根據周邊保護要求確定針對性的選型,增大圍護體剛度可有效減小基坑變形；

(2)被動區加固是控制基坑變形的有效措施；

(3)合理的支撐布置形式也可有效減小基坑變形。

(4)基坑跨中易出現變形過大情況,進行圍護設計時需重點考慮變形控制。

[1]劉國斌,王衛東.基坑工程手冊[M].第二版,北京:中國建筑工業出版社,2009.

[2]DG/TJ08-61-2010.基坑工程技術規范[S].2010．