復雜環境下深基坑優化設計探討

張 丹 陳全飛 夏向東 剛玉印

（中兵勘察設計研究院有限公司，北京 100053）

0 引言

隨著城市建設和地下空間開發的發展，我國的深基坑工程越來越多。城市中心的基坑工程周邊環境復雜，如緊鄰建（構）筑物、地鐵隧道等，使得深基坑工程在設計及開挖過程中面臨諸多復雜問題[1-7]。

基坑工程具有風險高，涉及到的理論多而復雜，有著非常強的綜合性等特征。因此，在基坑工程設計中，尤其在復雜環境下深大基坑的設計中，保證基坑工程質量和施工安全，選擇一種經濟合理、施工工藝成熟的支護方案是一個重要研究課題。

本文以北京市昌平區某深大基坑設計項目為例，對該項目支護設計及監測成果進行分析，研究結果可為類似工程提供借鑒作用。

1 環境條件

該項目位于北京市昌平區昌平醫院院內，地上14層，地下3層，基坑設計開挖深度約18 m。

基坑周邊環境特別復雜，擬建建筑物結構外墻與周邊建（構）筑物距離關系如下（見圖1）：

圖1 基坑及周邊建筑物位置圖

（1）北側為在建污水處理站，距離2.60 m，基礎埋深約13 m；

（2）西側為既有門診樓，距離2.0 m，建筑層數8F/2B，為預制樁基礎，樁長14～17 m，基礎承臺底埋深約5 m，西側部分承臺底埋深約10.5 m；

（3）西北側為既有綜合樓，距離5.10 m，地上5層，無地下室，條形基礎，基礎埋深約3 m；

（4）西南側為既有內兒樓，距離5.90 m，建筑層數9F/2B，筏板基礎，基礎埋深約13 m；且擬建工程汽車坡道在-2層與內兒樓相連。

（5）南側與東側緊鄰市政道路，道路下無燃氣等對變形敏感管線，管線埋深均小于3 m；

（6）東南側為既有體檢中心樓，距離5.30 m，地上3層，無地下室，筏板基礎，基礎埋深約3 m。

2 工程地質條件

擬建場地屬山前沖洪積地貌單元，位于昌平區醫院院內，地勢較為平坦。場地地層由上至下分別為：人工堆積層、新近沉積層、一般第四紀沉積層和侏羅紀基巖四大類。按照巖性，物理力學性質及工程特性，場地地層土劃分為7大層，物理力學性質參數見表1，典型工程地質剖面圖見圖2。

地下水情況，場地50 m深度范圍內共存在2層地下水，描述如下：

第1層地下水為潛水，埋深5.8～7.5 m，主要含水層為粉質黏土—黏質粉土②層及黏質粉土③1層；

第2層地下水為潛水，埋深約14.9 m，主要含水層為粉質黏土—重粉質黏土④層。

圖2 場地典型工程地質剖面圖

3 基坑支護設計

本工程基坑支護開挖面積大，周邊建筑物情況各異，環境條件復雜，對基坑變形控制要求高。該項目設計的主要思路是“保證安全、節約造價、便于施工、工法成熟”。經研究確定，本方案采用了“多標高+降臺階+不同參數”的樁錨支護體系。

3.1 設計選型

本基坑工程設計選型基于周邊環境特點，工程地質條件、周邊建筑物產權關系、北京市場成熟施工工藝條件、工程造價分析等因素進行。北京地區基坑工程市場中針對深大基坑工藝較為成熟的支護形式分別由護坡樁+預應力錨索/內支撐、地下連續墻+預應力錨索支護/內支撐支護體系等。

本工程周邊建筑物產權均為昌平醫院，具備摘土至鄰近建筑物外墻的條件。

周邊建筑物既有資料齊全，其基礎情況、樁基礎平面布置等資料準確。

項目工期緊、資金預算緊張，在保證質量及安全的前提下，應盡量選擇施工速度快、造價較低的支護形式。

基于以上條件，本基坑采用了護坡樁+預應力錨索的支護形式，根據與周邊環境的不同特點，分別采用降臺處理、調整平面布置處理等方式。

3.2 設計方案

（1）護坡樁均采用φ800的鋼筋混凝土灌注樁，樁頂設置一道現澆鋼筋混凝土冠梁，沿基坑開挖深度方向分層設置水平向預應力錨索。

（2）常規支護范圍，周邊環境條件簡單的區域，采用常規樁錨支護，共設置3排預應力錨索，支護參數見圖3（a）。臨近無地下室或周邊建筑物基礎埋深對預應力錨索不造成影響的支護區域，采用常規樁錨支護，通過對預應力錨索進行適當加強，增加支護結構整體強度。

圖3 基坑支護剖面示意圖

（3）臨近周邊建筑物地下室/地下結構對支護結構施工造成影響，且采用天然地基，采用摘土至既有建筑物基礎底標高/承臺底標高以上0.5 m，并采用樁錨支護的形式，支護參數見圖3（b）。

該方式存在以下問題，設計時應充分考慮：摘土后既有建筑物地下室土壓力不平衡問題。根據本工程經驗，可通過以下措施進行控制：

摘土應沿既有建筑物短邊方向進行，以減少兩側土壓力不平衡導致的建筑物傾斜；如摘土沿既有

（4）臨近周邊建筑物地下室/地下結構對支護結構施工造成影響，且采用樁基礎時，采用摘土至既有建筑物基礎底標高/承臺底標高以上0.5 m，并采用樁錨支護動態設計的形式，支護參數見圖4。

圖4 臨近周邊建筑物（樁基礎）支護剖面

該范圍為臨近現狀門診樓一側，由于錨索施工需穿過門診樓既有樁基礎，受既有樁的影響，錨索施工難度大、可實現程度未知。

在設計中采用了在施工過程中實施動態設計管理的思路。

在基坑平面設計時，將基坑護坡樁中線與既有門診樓外墻平行布置，將預應力錨索從樁間穿過的可行性加強。

由于受現場的施工偏差、既有樁基礎施工的不確定性等條件約束，錨索預計施工情況與設計情況可能發生一定偏差，因此，該區域采用了動態法設計，即在施工過程中根據及時反饋的實際施工狀態，跟蹤錨索施工成孔率，調整后續設計及施工參數，以滿足工程安全、節約工程造價。

根據后期施工反饋，部分錨索成孔仍與樁基礎發生碰撞，錨索成孔未實現1樁1錨的設計條件，但全范圍均滿足3樁2錨。

基于以上條件，對已完成錨索按設計要求進行張拉鎖定，并對應已完工錨索位置增加1道預應力錨索進行補強。

（1）由于部分區域基坑護坡樁樁頂進行摘土，造建筑物長邊進行時，應對既有建筑物在土壓力作用下產生的基底壓力不平衡進行沉降驗算。成摘土區與非摘土區銜接部位樁背土體支護難度較大，本工程設計中，在該部位設置過渡樁，并為減少過渡樁變形，在過渡樁后設置錨拉樁。（見圖5）

圖5 摘土過渡部位處理平面圖

（2）本工程塔吊位于基坑坡頂，在該部位對塔吊設置樁基礎，并對支護結構進行加強。（見圖6）

圖6 臨近塔吊部位剖面圖

3.2 設計計算

本工程基坑支護設計采用理正深基坑進行輔助計算，基坑側壁安全等級為一級，重要性系數為1.1。

根據計算結果，基坑在開挖至槽底后產生最大變形，水平向最大位移約43 mm，周邊地面最大沉降27 mm，周邊建筑物最大沉降20 mm。

計算結果表明，基坑變形可以滿足一級基坑變形的控制要求。

4 基坑監測

本工程按照一級基坑要求對坡頂水平位移、周邊地面沉降、周邊建筑物沉降等項目進行了第三方監測，監測點平面布置圖見圖7，監測周期為自從基坑開挖至基坑回填完成，目前建筑物已完成結構封頂。

根據現場監測，結果顯示：

（1）基坑頂部水平位移最大點為S21點，即坡頂塔吊處（臨近體檢中心、基坑陽角點），累計位移值為15.7 mm，最大變形速率1 mm/d。

其他部位基坑頂部水平位移累計值8.2～13.4 mm，最大變形速率1 mm/d。

基坑頂部水平位移預警值為50 mm，變形速率預警值3 mm/d，基坑頂部水平位移值均在預警值內。

（2）基坑頂部垂直位移最大點為S21點，即坡頂塔吊處（臨近體檢中心、基坑陽角點），累計沉降值為7.77 mm，最大沉降速率1 mm/d。

其他部位基坑頂部垂直位移累計值3.3～6.9 mm，最大變形速率1 mm/d。

基坑頂部垂直位移預警值為30 mm，變形速率預警值3mm/d，基坑頂部垂直位移值均在預警值內。

（3）基坑周邊建筑物累計沉降值最大點為C19，即既有綜合樓西南角點，累計沉降值為11.94 mm，傾斜0.07%。

其他部位建筑物累計沉降值0～5.3 mm，最大傾斜0.04%。

周邊建筑物沉降的限值為20 mm，傾斜限值0.2%。基坑周邊建筑物沉降值與傾斜均在限值內。

（4）基坑深層水平位移最大點為S21點，即坡頂塔吊處（臨近體檢中心、基坑陽角點），累計位移值為18.9 mm，最大變形速率2 mm/d。

其他部位基坑深層水平位移累計值8.6～16.7 mm，最大變形速率2 mm/d。

基坑深層水平位移預警值為30 mm，變形速率預警值3 mm/d，基坑深層水平位移值均在預警值內。

（5）在基坑開挖至回填期間，既有建筑物未產生裂縫。

圖7 基坑監測點平面布置圖

5 結論及建議

本文以北京市昌平區醫院某基坑設計為例，敘述了支護方案選型設計、復雜周邊建（構）筑物條件下的設計方案及參數選取，利用理正深基坑計算軟件對支護結構的強度、基坑位移等進行了設計計算，對實際實施監測成果進行了分析探討。主要結論如下：

（1）深基坑周圍環境條件復雜時，可采用適當的選擇分區支護方案，充分利用現場條件，在保證基坑支護質量的同時，降低工程造價。基坑監測數據結果表明，該項目支護方案合理可行，實施效果良好，基坑坡頂豎向、水平位移，周邊建筑物裂縫，沉降等均在容許范圍內。

（2）在基坑支護方案中采用摘土降臺處理時，摘土應沿既有建筑物短邊方向進行，以減少兩側土壓力不平衡導致的建筑物傾斜；如摘土沿既有建筑物長邊進行時，應進行既有建筑物基底水平抗滑移驗算，并對既有建筑物在土壓力作用下產生的基底壓力不平衡進行沉降驗算。應注意摘土銜接部位的高低差處理。

（3）在基坑設計中，對復雜部位，尤其是周邊建筑物采用樁基礎或進行過地基處理時，宜采用動態法設計，對施工過程進行及時跟蹤，依據施工反饋數據對設計文件進行及時調整。

（4）復雜周邊環境下的深大基坑工程問題越來越多，設計人員要對此加以重視，對復雜環境條件下深大基坑工程的設計和施工進行深入地研究，確保施工單位按照設計圖紙和設計要求進行施工時可以取得良好的效果。