復雜環境下深基坑剛柔支護體系應用探討

黃清祥 陳云彬

(中國京冶工程技術有限公司廈門分公司 福建廈門 361009)

0 引言

隨著社會經濟發展，對城市地下空間的開發越來越多。在復雜環境條件下地下空間的開發，其基坑支護形式需要考慮工程地質、水文地質、基坑周邊環境、開挖深度以及面積等條件[1-2]。采用樁+內支撐這種支護剛度較大的支護體系和采用樁+錨索這種支護剛度相對較柔的支護體系[3]，在工程實踐中都有廣泛應用。

本文以廈門某深基坑項目為背景，探討在地形起伏較大、基坑周邊存在以天然地基為基礎的民宅、支護空間狹小、深厚殘積砂質粘性土層中如何合理地選擇基坑支護類型，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 項目概況

廈門某基坑項目，建設用地面積8961.39m2，建筑面積39 291.74m2。其中，地上擬建1#～4#樓為2～17層，高度9.45m～53.85m，地下擬建3層地下室。基坑開挖面積約7553m2，基坑周長約380m，開挖深度約12.9m～18.3m。建筑基礎形式采用預應力管樁和抗浮錨桿。基坑總平面布置如圖1所示。

圖1 基坑總平面圖

1.2 周邊環境

擬建地下室四周邊線5m為紅線，其中，北側紅線外1m～2m為已建1～3層民宅(采用天然地基，無地下室，基礎埋深約1.5m，下同)；東側紅線外為已建寬約24m的巷南路；東南角紅線外約1m為已建2層民宅；西南側紅線外為已建寬約12m的民安路，緊臨民安路有3～5層的民宅；西側紅線外為已建寬約4m的馬巷街，外側為教堂及民宅。

1.3 場地地質、水文條件

場地原始地貌屬坡殘積臺地地貌單元，為舊房拆除地塊，地勢總體呈南高北低狀，最大高差約4.34m。

基坑開挖深度影響范圍內場地土層自上而下主要分布有：①雜填土、②粉質粘土、③殘積砂質粘性土、④全風化花崗巖、⑤強風化花崗巖。巖土層的主要設計參數如表1所示。

表1 巖土層的主要設計參數

場地地下水主要為賦存并運移于③殘積砂質粘性土、④全風化花崗巖、⑤強風化花崗巖的孔隙～網狀裂隙中的弱承壓水，局部地段水位處于③層之內為潛水。其中，①雜填土層滲透性與填料成分及密實度相關，總體屬強透水層，其層內無地下水；②粉質粘土屬微透水含水層，屬相對隔水層；③～⑤層呈漸變關系，滲透性具有自上向下增強的趨勢，但總體均屬弱透水含水層，水量不大。

2 基坑圍護結構設計

該工程建筑±0.000=35.10m，場地現狀黃海標高約33.60m～39.00m，基坑計算底標高約19.4m/20.7m(黃海)，開挖深度約12.9m～18.3m。基坑的主要特點：①基坑開挖深度大；②基坑周邊環境復雜，且對變形要求嚴格，可利用的支護空間很小；③基坑形狀不規則；④現場場地標高起伏較大，呈南高北低狀。

2.1 基坑圍護結構選型討論

由于基坑支護深度大，支護空間有限，且基坑潛在滑動面內有重要建筑物(如教堂等)，采用放坡、土釘墻和復合土釘墻支護形式，基坑的變形、穩定性和周邊構(建)筑物的變形控制均不能滿足工程要求。懸臂樁、雙排樁支護對基坑以及周邊構(建)筑物變形控制和場地條件均不能滿足工程要求。

該基坑的主要選型方案有樁+內支撐；樁+錨索；樁+內支撐+錨索的組合形式。

(1)由于基坑形狀不規則且現場場地標高起伏較大，若全場地采用內支撐布置，在平面和豎向方向上都難以協調，且對后期土方開挖造成不利影響，施工工期變長。

(2)由于基坑西北角、南側陽角處民宅緊貼用地紅線，且采用淺基礎形式，若全場地采用樁+錨索支護形式，如圖2所示。錨索注漿施工對民宅基礎產生不利影響；基坑南側陽角處，錨索施工會互相干擾，施工不便。

圖2 樁+錨索支護平面圖

(3)采用樁+內支撐+錨索的剛柔組合體系形式，有兩種形式，一種是平面布置上的剛柔體系；另一種是豎向布置上的剛柔體系。

對該工程而言，基坑西北角和南側陽角處民宅緊貼用地紅線，若采用全錨索形式，會影響周邊構建筑物天然基礎，且基坑陽角處錨索施工會相互干擾。若考慮全場地內支撐布置，由于場地地形南高北低高差大，難以統一協調，且主樓在基坑中間位置，全內支撐布置很難避開主樓，影響基坑整體土方開挖及主樓管樁施工，增加施工工期和造價。

基于以上考慮，該工程采用平面布置上的剛柔組合體系，平面布置如圖3所示，A-A/B-B剖面為互相獨立的內支撐角撐，C-C剖面為錨索，解決了基坑周邊存在構建筑物天然基礎、基坑陽角等問題，較好地協調場地高低差，大面積避開主樓位置，方便基坑和管樁施工，減少施工工期和造價，如圖4～圖5所示。

圖3 樁+內支撐+錨索支護平面圖

圖4 B-B剖面圖

圖5 C-C剖面圖

據我司已施工的廈門裕景中心基坑工程，采用了豎向布置上的剛柔體系，該工程基坑開挖深度18m～22m，第一、二道設置內支撐，以下幾道支護設置錨索的形式，如圖6所示。上部兩道采用內支撐，一是為了避免錨索注漿施工對緊臨基坑周邊天然地基構建筑物及相鄰海域護岸的影響；二是遇到基坑上部為軟弱土層，淺層錨索抗拔力不足的問題[4]；三是該工程基坑巖面起伏較大，局部樁底埋深不夠，甚至存在吊腳樁的情況，內支撐在豎向一個標高位置上又很難布置的情況下，采用錨索形式代替能較好地解決樁的踢腳問題。

綜上，基坑圍護結構選型應根據場地條件、地質條件等因素綜合考慮。

2.2 基坑局部陰角位置剛柔支護形式比較

當基坑存在局部陰角，角度大小是銳角、直角，或者比較小的鈍角，且基坑開挖深度較大時，其平面布置可選擇樁+角撐、樁+錨索。現取圖3基坑東北角(陰角直角部位)，其剛、柔支護形式如圖7～圖10所示。

圖7 樁+角撐平面圖 圖8 樁+錨索平面圖

圖9 樁+角撐剖面圖

分別對以上兩種剛、柔支護形式進行單元計算，結果如圖11～圖12以及表2～表3所示。

圖11 樁+角撐支護單元計算結果

圖12 樁+錨索支護單元計算結果

支護形式樁變形最大值S/mm樁彎矩最大值M/kN·m支撐軸力標準Nk/kN樁+撐10.37619.18第一道:785.57kN第二道:2431.16kN

樁+角撐(剛性)支護形式沿基坑每延米的支護造價約1.74萬元(含立柱樁)。

表3 樁+錨索支護形式計算結果表

樁+錨索(柔性)支護形式沿基坑每延米的支護造價約2.12萬元(錨索間距1.5 m)。

由以上圖表及計算結果可知，在局部區域內，采用樁+角撐和樁+錨索二者的形式支護，從受力和變形上看均能滿足工程要求；在局部范圍內由于支撐的跨度不大，需要設置的立柱數量不多，對施工空間影響有限。經對比計算，采用樁+角撐的支護方式比樁+錨索的支護方式經濟性更好。

2.3 地下水控制

根據地勘資料，該工程基坑開挖深度影響范圍，主要是殘積砂質粘性土層，滲透系數K=6.0×10-5cm/s。經降水沉降計算(采用變形模量)分析，降水引起的地面及建筑物的沉降滿足規范要求，因此，基坑周邊未設置止水帷幕，只在基坑內部設置21口疏干井，其余坡頂和坑內的積水采用集水明排的方式處理。在勘察期間基坑穩定水位埋深3.25m～5.50m，土方開挖至設計標高后，據基坑監測數據顯示，水位降深5.3m～9.7m，坡頂的水平位移和豎向沉降約25mm～28mm，而相鄰建筑物的沉降量0～10mm，說明該基坑工程不設止水帷幕是可行的，經濟效益顯著。在現場施工過程中也發現，殘積砂質粘性土遇水容易軟化，在未設置止水帷幕情況下，基坑土方開挖后若樁間土支護措施未及時施工，容易造成樁間流泥，可能引發工程安全隱患。

根據以上工程實踐，在類似工程中基坑周邊可以不設置止水帷幕措施，但應及時在施工樁間土掛網噴砼支護，不可暴露很長時間，以避免造成工程安全隱患。

3 監測情況分析

基坑工程按“動態設計、信息化施工”原則。該工程的基坑監測內容包括：坡頂水平和豎直位移、錨索應力、樁身應力、地下水位、土體深層水平位移以及周邊構(建)筑物的變形。基坑監測點的平面布置如圖13所示。

圖13 基坑監測點的平面圖

該次監測從2018年3月16日開始(基坑開挖前)，目前基坑已開挖到底，坑底墊層已全部封閉，抗浮錨桿、局部承臺已施工完成，各監測變形數據基本趨于穩定。基坑坡頂水平位移較大的地方在4～8號點，變化范圍25mm～28mm；豎直沉降較大的地方在4～8號點，變化范圍25mm～27mm；立柱沉降最大點是LZ2=8mm；周邊建構筑物沉降值最大點是ZJ28=10mm；錨索內力較大的是MS2和MS3，內力變化累計值分別為188.5kN、181.4kN；水位變化約5.3m～9.7m。土體深層測斜位點CX1、CX6～CX8最大位移的位置在地面以下7.5m～9.0m范圍，最大位移為10.72mm～13.12mm；而測斜位點CX3～CX5的位移最大的位置在地面以下10.0m～11.0m范圍，最大位移為20.25mm～38.65mm。

通過現場監測數據可以看出，基坑及周邊民宅的變形均未達到設計預警值，基坑工程處于穩定狀態，說明該工程采用平面布置上的剛柔支護體系應用是可行的。

將圖3局部角撐位置處土體深層位移監測點CX1和CX8的監測數據與理正深基坑7.0軟件單元計算結果進行比較，如圖14所示。

通過以上監測數據及計算結果比較可知，二者的變形隨深度變化曲線的規律較一致；最大值位置不一樣，但最大值大小接近，說明在類似工程中采用理正深基坑7.0軟件單元計算結果分析是適用的。

4 結論

(1)在地形起伏較大、基坑周邊存在基礎較差的民宅、支護空間狹小且基坑開挖深度大等條件下，當單一支護形式不能滿足工程需求時，可考慮采用剛柔組合支護體系解決。

(a)測點CX1 (b)測點CX8 (c)理正單元計算結果

(2)當基坑存在局部陰角，角度大小是銳角、直角或者比較小的鈍角，且基坑開挖深度較大時，其平面布置可選擇樁+角撐形式。

(3)在深厚殘積砂質粘性土基坑工程中，經降水沉降分析周邊環境變形滿足規范要求時，可考慮不設置止水帷幕措施，但應及時掛網噴砼封閉樁間土，防止出現樁間流泥。

(4)通過基坑監測數據可知，該工程采用剛柔支護體系是可行的；通過基坑局部的角撐位置處土體深層位移監測與理正深基坑7.0軟件單元計算數據對比可知，在深厚殘積砂質粘性土層中該計算方法是適用的。