狹長矩形深基坑封底厚度計算研究

趙 京， 董沂鑫， 朱 敏

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

隨著我國城市化水平的提高，地下空間廣泛高效利用成為解決城市人口、資源、環境三大危機和實施城市可持續發展的重要途徑。目前，各類用途的地下空間已在世界各大城市建設中得到開發利用，均涉及到各類深大基坑工程。因此，對基坑工程進行深入研究成為國家城市化發展的重要內容之一。基坑工程事故不僅給國家經濟和人民生命財產安全造成不同程度的損失，還存在延誤工期、增加工程造價以及影響周圍居民正常生活等危害，同時也對城市建設和企業形象造成不良影響。由于巖土的不均勻性，基坑施工過程中所面臨的巖土情況和施工環境復雜多樣，存在諸多不確定性因素[1]。

地下水的治理往往是基坑工程成敗的關鍵，基坑施工過程中的排水與降水方法的選取及其實效，直接影響施工速度和質量[2]，甚至關系到基坑及其周邊建筑物的安全。當降水方案選取與工程場區地下水文不匹配時，往往會造成不可逆的后果，甚至危及到人身安全。如何在發生重大事故前，采取有針對性的有效措施，是工程推進的關鍵。

1 工程概況

太原市某地鐵明挖區間基坑，位于解放路與府西街路口南側，為原太原市二水廠采水區。區間結構為地下二層單跨箱型結構，基坑深度17 m左右，寬度11.3～11.8 m，長254 m。基坑所處位置為太原市老城區，周邊主要為上世紀80年代初修建的6層民宅，條形基礎，基礎形式差；周邊老舊管線眾多，部分給水鑄鐵管已投入使用超過30 a，承插式接頭，對地層變形非常敏感。

1.1 工程地質及水文地質

本基坑地貌單元屬汾河東岸一級階地區，鉆探揭露深度范圍的地層為第四系全新統雜填土、素填土、粉質黏土、黏質粉土、砂質粉土、粉細砂、中砂、圓礫土，地下水位埋深1.6～3.8 m，為松散層孔隙潛水，無連續隔水層。結構基底主要坐落于粉質粘土和粉細砂層，圍護結構嵌固段地層主要是粉細砂、中砂層。

1.2 設計概況

結合周邊環境和地質水文情況，本基坑采用800 mm厚地下連續墻+3道鋼支撐作為圍護結構(見圖1)。由于無連續隔水層，采用懸掛式止水+坑內降水的地下水處理方案，地連墻嵌固比為1∶0.5，嵌固深度8.5 m。坑內降水井采用管井降水。

圖1 區間圍護結構橫剖面圖(單位：mm)

1.3 施工情況及原因分析

基坑在前期降水過程中呈現出管井出水量不飽滿的情況，管井內水一抽即干，未起到疏干坑內水的目的。施工方未對以上情況予以重視便開展了基坑土方開挖。在基坑開挖的過程中，多個開挖面在開挖至地下10 m左右，坑內均出現了涌水、涌砂的情況，周邊建筑物出現了明顯的沉降，隨即采取了回填反壓的措施，從而控制了事態發展。

結合現場情況及相關成井質量檢測，確定為原降水井成井質量有問題，于是更換了降水隊伍，并重新補打降水井。之后坑內水位能夠降至設計要求降深，但周邊的房屋和管線卻出現了大面積下沉，隨即停止降水。

停止降水后，經過對周邊環境調查及多次召開專家會，分析是由于本基坑位于原太原市二水廠采水區，水廠在前期地下水的抽取中對地層產生了擾動，導致本基坑地層與周邊水系發生水力聯系，因此為確保工程繼續順利實施，減少降水對周邊建構筑物的影響，最終確定對坑底實施封底措施。

2 基坑封底作用機理

圖2 坑底土體的突涌穩定性驗算

本基坑所處地層雖無承壓水的影響，但是采取封底措施后，相當于人為設置了一層隔水層。根據規范要求，封底土層的配重也應平衡地下水位至封底底部的水頭差。

為了節約投資，封底加固體僅作為隔水層，其上預留原狀土，作為配重，即D=D1+D2，如圖3所示。

圖3 封底措施示意圖

3 封底計算的基本假定

結合多個基坑的案例分析可知，規范所取的承壓水頂板臨界厚度偏于保守，文獻[3]中記載了5個基坑的實際開挖情況，在h/hcr(h為坑底隔水層厚度，hcr為坑底隔水層臨界厚度)=0.54～0.74的情況下，基坑仍能保證安全。文獻[4]提出，考慮土體強度的突涌穩定性分析比較接近工程實際。文獻[5]將以土體不能受拉作為判別條件，并綜合考慮基坑平面尺寸和土體抗剪強度指標的影響，通過對基底土層拉應力、剪應力以及加固體與圍護結構之間的摩擦力進行計算，取3種情況所計算出的最小臨界厚度作為設計厚度。

基于文獻[5]的理論，做出如下假設：

(1)在小變形范圍內，假設封底加固體為勻質彈性體。

(2)對于狹長地鐵基坑，封底加固體可視為兩端固接的單向板，其上受到向上的水壓力γwhw、向下的原狀土壓力γD1、向下的加固體自重γD2，兩端受到被動土壓力擠壓。

其力學模型如圖4所示。

圖4 封底加固體受力簡圖

4 封底厚度控制條件推導

根據上述假設得出的力學模型，可以計算出加固體所受內力最大值為：

(1)

(2)

壓力N=(Pp1+Pp2)D1/2

(3)

其中

q=hwγw-γD2=(h+D1+D2)γw-γD2

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：c為土體粘聚力；φ為內摩擦角。

對拉應力、剪應力、摩擦力進行三次判定，從而得出最優封底方案。

(1)對加固體的拉應力進行判定。最大彎矩位于跨中部位，因此最大拉應力出現在跨中部位上表面，以土體開始承受拉力作為極限狀態，則：

(8)

式中：W為截面橫量。

因此，將式(1)、式(6)代入到式(8)中，得出D1、D2關系應滿足下式

(9)

(2)對加固體自身剪應力進行判定。加固體剪力最大位置位于加固體邊緣，因此將加固體邊緣的剪應力大于加固體的抗剪能力作為極限狀態，則：

(10)

將式(1)、式(6)代入到式(10)中，得出D1、D2關系應滿足下式：

(11)

(3)對加固體與圍護結構接觸面剪切滑移做出判定。加固體與圍護結構接觸時，邊緣剪力最大，可能導致接觸面剪切滑移，其極限狀態應滿足下式要求：

(12)

式中：δ為土體與結構的摩擦角，按照規范《建筑邊坡工程技術規范》(GB50330-2013)表6.2.3選取。

將式(1)、式(6)代入到式(12)中，得出D1、D2關系應滿足下式

(13)

從式(13)可以看出，往往在土體自身剪切破壞之前，接觸面已經破壞，所以式(11)不作為控制判定，D1、D2關系僅滿足式(9)、式(13)即可。

5 封底厚度計算

以開篇所述明挖區間為例，由于地連墻嵌固段長度有限，在嵌固范圍內進行封底加固，加固體配重無法滿足規范要求，于是采用上述理論進行計算。計算的基本輸入條件：坑外水位-2 m；坑深17 m；基坑寬度11.8 m；土重度20 kN/m3；水重度10 kN/m3；加固體內摩擦角30°；加固體粘聚力100 kPa。

考慮加固體自身可能存在局部滲水，無法完全封閉下方水體，因此在坑底原狀土范圍內設置疏干井，根據經驗確定，疏干井深度為坑底以下3 m，因此坑底原狀土厚度按照3 m選取。當封底加固體厚度為4.33 m時，式(9)計算結果為386 kPa，式(13)計算結果為1.4 kPa，考慮一定的安全儲備，封底加固體厚度按照5 m選定。

6 封底實施

采用注漿的形式進行封底。由于基坑基底土體主要為第四系細粒粉細砂，封底采用水泥—改性水玻璃漿液，改性水玻璃能夠改善漿液的滲透性、增加漿液的早期強度。由于水玻璃溶于水，水玻璃漿液存在時效性，且加固體強度偏小，因此應嚴格控制注漿材料中水玻璃的摻量，設計要求水泥、水玻璃配比維持在1∶0.5～1.0的范圍內。

為盡量減小空鉆長度，基坑在不降水的情況下，開挖至第2道支撐以下0.5 m的位置采用0.2 m厚C20素混凝土層封閉，并采用0.8 m×0.8 m孔距梅花形打設注漿孔。具體方案如圖5所示。

圖5 明挖區間封底設計

通過采用封底措施，本基坑在不降水的情況下得以順利挖至基底，在基坑開挖過程中由于注漿工藝自身的不連續性，局部出現涌水點，通過補充注漿的形式能夠基本得以封閉坑底涌水。

7 結論及經驗教訓

(1)本文結合以往基坑底部承壓水頂板最小厚度算法的研究成果，結合實際案例，對高水位非承壓水環境地鐵基坑封底加固體的破壞機理進行了研究，得出基于封底加固體強度極限狀態下臨界厚度的算法。本算法充分考慮了地鐵條形基坑的幾何特性，以及加固體自身強度，大幅度縮減了規范所要求的臨界厚度。

(2)根據計算結果可以看出，封底加固體與圍護結構接觸面滑移破壞往往是封底加固體失效的主要原因。在封底方案編制及實施過程中，應注意加固體與圍護結構的粘結性，特別當采用攪拌、旋噴等方案進行封底時，建議在接觸面一定范圍內輔以注漿進行填充。

(3)封底+疏干降水的止水方案往往施工周期長，并且經濟代價過高，為基坑降水失敗萬不得已的補救措施。對于缺乏相關施工深基坑施工經驗的深基坑工程，在前期勘察階段，應盡可能對工程周邊地下水水文情況進行全面調查，重視場地地下水抽取歷史，對工程實施給出合理建議；設計階段，應盡量將止水帷幕落至隔水層，若隔水層深度過大，則應在實施懸掛式止水之前進行充分的論證；施工階段應加強施工精度，防止地連墻開叉引起繞流路徑不夠而產生帷幕失效，同時降水方案應充分論證。從以上三個方面出發，盡量降低此類事件再次發生。