軟土地區鄰近大直徑原水管的深基坑支護變形控制

陳 皞 （中建港務建設有限公司，上海 200433）

1 概況

1.1 工程概況

上海市某商品住宅擴建工程位于松江區九亭鎮，由3幢18層住宅樓及2層地下車庫組成，主體結構采用剪力墻結合樁筏基礎的形式。基坑形狀呈規則L型，圍護周長約450m，開挖面積約7135m2。普遍區域開挖深度10.50m，集水井、電梯井等局部落深1.25～2.65m。

1.2 周邊環境

工程場地東側北段為項目6-4期規劃用地，基坑開挖邊線距離2、4期分界線最近約1.5m，分界線外分布有一條市政道路，道路外為多棟待拆遷兩層住宅樓（淺基礎），距離邊線最近約14.5m；東側南段緊鄰九亭公交站，距離邊線最近處約2.5m；南側鄰近一條直徑1.4m的原水管，埋深約5.9m，距離開挖邊線約5.0m～8.0m；西側為6-2期用地，已建成地上2～3層聯排別墅（樁基），距離開挖邊線最近約6.8m；北側鄰近港欣小區6層住宅樓（淺基礎），距離開挖邊線最近約10.8m。基坑周邊緊鄰建（構）筑物、道路及市政管線，環境保護要求相對較高，尤其是對南側原水管線以及北側6層住宅樓的保護。場地周邊環境如圖1所示。

2 工程地質與水文地質

圖1 周邊環境圖

2.1 工程地質

工程場地地貌類型屬濱海平原，地基土屬軟弱場地土，基坑開挖深度影響范圍內土層以粘性土、粉性土和砂土為主。第③層淤泥質粉質粘土層具有高壓縮性、高觸變及流變特性，土層力學性質差，并且厚度達到12.0m。場地土的物理力學指標如表1 所示。

場地土的物理力學指標 表1

2.2 水文地質

本場地的地下潛水主要接受大氣降水的豎向入滲補給，水位隨季節變化而變化，水位埋深為1.0～2.0m。圍護設計時，地下水位按室外自然地坪下0.5m進行選取。另外，場地內⑦層為微承壓含水層，易產生流砂、管涌等不良地質條件。本基坑主要開挖深度為10.5m，按最不利考慮C7孔第⑦層層面埋深28.0m，承壓含水層埋深水頭按照3.0m計算，根據上海市工程建設規范《巖土工程勘察規范》（DGJ08-37-2012） 第 12.3.3 條 驗 算：PCZ/PWY=（5.48 ×17.8+5 ×17.4+5 ×18.0+2.02 ×19.4）/[（28.0-3.0）×10.0]=1.26＞1.05，不存在承壓水突涌問題。

3 基坑工程設計

3.1 總體方案設計

基坑支護結構是個系統工程，在保證受力合理的同時需盡可能達到施工方便、工期節省的要求。本基坑鄰近已有建（構）筑物及市政管線。在保證基坑安全的前提下，變形控制為本工程總體方案的主要準則。根據基坑開挖深度及規模，結合周邊環境、地質條件等，從安全、經濟的角度出發，結合施工工藝、施工周期等因素，本工程采用鉆孔灌注樁結合混凝土水平支撐的支護形式，排樁外側采用水泥土攪拌樁止水。鉆孔灌注樁排樁具有側向剛度大，抵抗變形能力強的優點，能盡可能的減小對周邊重要保護建（構）筑物的影響。

基坑南側近原水管區域，設計從以下幾點考慮。

①會同業主及結構協商主體結構邊線距原水管后退1.5m；②以環境保護等級一級控制該側變形；③增大原水管側圍護樁樁徑和樁長；④增設一排止水攪拌樁；⑤基坑南側采用裙邊加固，加固體加寬加長；⑥支撐以對撐為主。

圖2 圍護剖面圖

一般區域位移采用Φ900@1100鉆孔灌注樁，基坑北側鄰近6層住宅樓區域采用Φ950@1150鉆孔灌注樁，基坑南側緊鄰原水管區域采用Φ1000@1200鉆孔灌注樁，有效樁長21.5m～24.0m，三軸水泥土攪拌樁止水帷幕有效樁長17.5m/18.5m，可滿足強度、變形及穩定性要求。圍護剖面圖如圖2所示。

3.2 支撐體系

基坑規模較大，開挖較深，且環境保護要求較高，對支撐的安全性、穩定性提出了較高的要求。結合基坑形狀，支撐體系采用“角撐+對撐+邊桁架”的平面布置形式。該形式安全可靠，經濟性較好，且有較大的出土空間，便于施工。基坑南北向跨度較大，東側北段以及北側東段設有場地出入口。支撐平面布置圖如圖3所示，陰影區域為棧橋區域，以滿足挖土機、運土車、混凝土泵車、運輸車等施工設備運作，也可作為施工堆場，以解決場地狹小用地空間的問題。

圖3 支撐平面布置圖

3.3 降水設計

本工程坑底位于③層淤泥質粉質粘土中，開挖深度影響范圍內土層含水量較大，處于飽和狀態，需有一定時段的預降水方可保證土體達到基坑開挖要求。本降水設計采用真空管井進行疏干及深層降水。

4 環境影響分析

工程南側緊鄰直徑為1.4m的原水管，北側鄰近6層住宅樓，在基坑開挖過程中，易受到開挖引起土體位移產生的附加內力與變形。因此，為確保建（構）筑物的安全，對建（構）筑物在基坑開挖工況下位移變化分析具有重要意義。

4.1 計算模型及工況模擬

采用平面應變有限元法，土體本構模型采用摩爾-庫倫模型，采用15節點三角形單元模擬；圍護樁采用梁單元，支撐采用點錨式桿件單元模擬；結構與土體的相互作用采用接觸面來模擬。豎直向影響深度一般≥2H（H為基坑開挖深度），本模型取為地表以下40m；水平向影響范圍一般大于≥3H，本模型水平向距離取為距基坑邊為60m。左右兩側邊界約束水平位移，底邊界約束水平和豎向位移。土體參數根據巖土工程勘察資料和類似工程取值。圍護樁的計算參數根據實際選取，支撐計算參數抗壓剛度根據混凝土支撐的實際剛度計算。北側住宅樓區域以及南側原水管區域的計算模型及網格劃分如圖4、圖5所示。

對基坑開挖各施工工況進行模擬，分析整個支護系統的整體變形情況。

①計算初始地應力場；

②施工圍護樁、施加地面超載；

③降水至基底以下0.5m；

④開挖第一層土至第一道支撐底面；

⑤施工第一道支撐，后開挖土層至第二道支撐底面；

⑥施工第二道支撐，后開挖土層至坑底；

⑦施工底板，后拆除第二道支撐；

⑧施工地下一層樓板，后拆除第一道支撐；

圖4 計算模型及網格劃分圖（6層住宅樓）

圖5 計算模型及網格劃分圖（原水管）

4.2 數值計算分析

圖6、圖7分別為第二道支撐施工完成后開挖至坑底時北側住宅樓區域與南側原水管區域的水平位移圖，該工況為開挖過程最不利工況。圖中橙色區域顯示水平位移值較大區域，可以看出該區域主要分布在坑底附近。圖8、圖9為南北兩側建筑物樁身水平位移變化圖。具體數值見表2。

圖6 水平位移云圖（6層住宅樓）

圖7 水平位移云圖 （原水管）

圖8 建筑物樁身水平位移變化圖（6層住宅樓）

圖9 建筑物樁身水平位移變化圖（原水管）

計算結果匯總 表2

通過數值模擬手段的分析，可見圍護樁的水平變形越大，導致的建（構）筑物的變形也越大。該工程基坑開挖對鄰近住宅樓以及原水管有一定的影響，但變形仍處于工程允許的范圍內。及科學的信息化監測，是保證工程順利進行的重要因素，降低攪拌樁的施工速率，降低攪拌樁下沉抬升速率，合理定制土方分區分塊分層開挖組織設計。

5 結語

上海市某商品住宅擴建工程基坑規模較大，開挖深度較深，且周邊環境較為復雜。通過選取合理的支護方式和受力良好的支撐布置形式，可以保證基坑在開挖期間的安全性及周邊環境的變形控制要求。

通過數值模擬手段的分析，可以發現控制圍護墻的側向變形可間接減少基坑開挖對鄰近建筑的影響，將變形控制在工程允許的范圍內。

基坑施工期間嚴格的施工工藝、合理施工工序以