深圳某大型改擴建學校深基坑支護方案優(yōu)化研究

許 俊 青

(上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海 200125)

1 工程概況

1.1 項目概況

本工程是政府投資建設(shè)的原特區(qū)外村辦學校改擴建工程，通過整體拆除、分期建設(shè)、校內(nèi)騰挪的方式將原36班小學升級為72班九年一貫制學校。項目用地面積為32 632 m2，拆除面積13 959 m2，新建總面積83 096 m2，其中地上6層共48 386 m2，地下2層共34 710 m2。

1.2 周邊環(huán)境

工程場地較為平整，場地內(nèi)及周邊道路有雨水、污水、給水、電力及燃氣管線。

基坑周邊環(huán)境：北側(cè)為現(xiàn)狀道路和排洪渠，距坑邊最近8.3 m，距排洪渠最近15.8 m；西側(cè)為在建道路，距坑邊最近11.0 m；南側(cè)為現(xiàn)狀道路，距坑邊最近11.6 m；東側(cè)為自建民房，大多為3層～7層建筑，距坑邊最近13.8 m。支護結(jié)構(gòu)距紅線不小于2.6 m，最近處位于東南角。

1.3 工程地質(zhì)情況

根據(jù)巖土地質(zhì)勘探揭露，場地內(nèi)分布的地層自上而下分為第四系人工填土層Qml、第四系沖洪積層Qal+pl、第四系殘積層Qel、下伏基巖為三疊系泥質(zhì)粉砂巖T。各巖土層工程特性指標建議值表如表1所示。

1.4 工程水文情況

根據(jù)地勘地下水屬潛水，賦存于第四系各地層中。地下水受大氣降水及地表水補給，順地勢向北側(cè)地勢低區(qū)排泄，水位變化因季節(jié)而異。部分地下水屬基巖裂隙水，賦存于三疊系泥質(zhì)粉砂巖節(jié)理裂隙中，其補給、徑流及涌水量大小受地質(zhì)構(gòu)造及節(jié)理裂隙控制。除雜填土①1、中砂②1、粉砂②4和粗砂②6為強透水性，其他地層均為弱透水性。勘察期間處于雨季，地下穩(wěn)定水位較高，埋深1.7 m～4.2 m，標高介于2.93 m～5.4 m。根據(jù)區(qū)域水文調(diào)查及場地地形，穩(wěn)定水位變化幅度0.5 m～2.0 m。

表1 各巖土層工程特性指標建議值表

2 基坑概況

2.1 基坑總體情況

場地內(nèi)除西北側(cè)局部區(qū)域為地下1層，其余均為地下2層。項目分兩期施工，一期范圍為西側(cè)原操場區(qū)域，二期范圍為中部及東側(cè)原校舍區(qū)域，施工順序為：保留中部及東側(cè)校舍，啟動一期建設(shè)；一期建成后，將師生騰挪至一期建筑內(nèi)；拆除中部及東側(cè)原校舍，啟動二期建設(shè)。一、二期基坑總面積約24 250 m2，兩期之間采用排樁分隔墻。

一期基坑坑邊距現(xiàn)狀教學樓不足一倍挖深，且坑深大于12 m，安全等級為一級，其余均為二級；二期基坑坑邊距東側(cè)民宅大于一倍挖深，小于兩倍挖深，按二級考慮。

2.2 一期基坑情況

一期基坑呈南北向矩形，周長約405 m，北側(cè)約2 050 m2為地下1層，南側(cè)約6 050 m2為地下2層，總面積約為8 100 m2。北側(cè)地下1層區(qū)域挖深為6.10 m，局部為地下庭院，挖深為6.35 m，南側(cè)地下2層區(qū)域挖深10.05 m，中部及西側(cè)局部存在游泳池和機房落深區(qū)，挖深分別為12.10 m和14.20 m。一期基坑及周邊如圖1所示。

2.3 二期基坑情況

二期基坑呈梯形，周長約500 m，西北側(cè)約2 180 m2為地下1層，其余范圍約13 970 m2為地下2層，總面積約16 150 m2。二期西北側(cè)地下1層區(qū)普遍挖深為6.1 m，局部為地下庭院，挖深為6.35 m，其余范圍地下2層區(qū)挖深為10.05 m。二期基坑及周邊如圖2所示。

2.4 基坑設(shè)計難點

地下室面積約34 710 m2，基坑面積約24 250 m2，基坑普遍挖深10.05 m，局部達14.2 m，為較大規(guī)模深基坑。基坑支護工程存在難點：

1)主體結(jié)構(gòu)分兩期施工，基坑工程同步分兩期施工，三年左右才能完成，對周邊影響較長。

2)原校舍大多為20世紀90年代中期建成，天然基礎(chǔ)，房屋鑒定報告顯示需加固，且一期施工期間約2 700名師生仍需在原校舍正常教學辦公，不能出現(xiàn)任何安全問題。

3)場地內(nèi)存有淤泥質(zhì)黏土、強風化巖等特殊性土，場地地下水位埋深較淺，尤其是較大范圍內(nèi)存有較厚的強透水性砂層。在深基坑的土方開挖、支護、降水過程中由于地質(zhì)條件可能造成的工程風險有基坑失穩(wěn)、基坑滲水和地面沉降。

4)強風化巖遇水易軟化，遇水承載力急劇降低。場地基巖起伏較大，強風化中存在中風化夾層，對樁基持力層判斷和施工均會帶來不利影響。

5)項目用地進入地鐵規(guī)劃控制預警區(qū)約900 m2，且地鐵線位尚處于規(guī)劃階段，仍存有變化可能，要求基坑支護工程錨索等支護結(jié)構(gòu)不得侵入。

3 基坑支護初始方案

3.1 初始方案

擬建建筑物設(shè)有2層地下室，初始方案采用樁—撐結(jié)構(gòu)，其中：1)基坑圍護采用D1 000@1 200旋挖樁+外側(cè)φ850@600三軸攪拌樁止水帷幕形式；2)支撐體系北側(cè)地下1層區(qū)域設(shè)一道混凝土支撐，南側(cè)設(shè)兩道混凝土支撐，西側(cè)局部落深區(qū)設(shè)鋼管換撐。兩道支撐平面采用對撐+角撐的布置形式，鋼管換撐采用對撐布置形式；3)立柱采用鋼構(gòu)柱+坑底旋挖樁基礎(chǔ)形式。

3.2 初始方案平面示意圖

一、二期第一道支撐平面布置如圖3所示。一、二期第二道支撐平面布置如圖4所示。

4 基坑支護方案優(yōu)化

4.1 初始方案分析及問題

基坑面積較大，開挖較深，周邊環(huán)境相對復雜。當?shù)爻Ｓ弥ёo形式首選排樁+錨桿。由于一期基坑施工期間，中部及東側(cè)校舍處于正常使用階段，安全要求高，變形控制要求嚴格，同時由于二期東北側(cè)受規(guī)劃地鐵線位的限制，也無法采用錨桿，因此選用排樁+內(nèi)支撐。由于工程資料及地區(qū)經(jīng)驗的原因，采用經(jīng)典法進行了初步設(shè)計，選擇了兩道支撐，整體安全，過于保守。

1)按照基坑的初始方案，造價估算很高。初始方案可靠性好，受力合理，變形易于控制，但成本較高，支護面積單方造價過高。2)地下1層區(qū)開挖面積約2 100 m2，挖深6.1 m～6.35 m，采用一道角撐，支撐設(shè)計過于復雜。3)一、二期支撐平面總體以桁架對撐為主， 且布置較密，不利于土方開挖。

4.2 基于費用優(yōu)化

按規(guī)定，方案進行了專家評審，專家也提出針對性意見：1)取消西北角支撐，采用懸臂樁支護，一二層地下室高差部位考慮采用放坡或懸臂樁形式；2)加大支護樁間距；3)優(yōu)化支撐平面布置，盡量采用角撐并減少桁架撐體系。

鑒于基坑深度介于一道支撐和兩道支撐適用深度之間，且初始方案支護面積單方造價高出經(jīng)驗數(shù)據(jù)約45%，考慮將初始方案中的兩道支撐改為一道支撐進行設(shè)計。

4.3 基于工期優(yōu)化

內(nèi)支撐設(shè)置和拆除較為麻煩，施工水平要求較高。初始方案過多過密的采用桁架對撐，不利于施工，嚴重影響工期。

一期基坑由于靠保留建筑一側(cè)不宜使用錨桿，只能選擇對撐，考慮優(yōu)化榀數(shù)。由于落深區(qū)深度達14.2 m，考慮使用錨桿進行補充。

二期基坑平面較為規(guī)則，且近于方形，考慮對平面進行優(yōu)化，改對撐為環(huán)撐，利用拱效應及中心對稱，使土體壓力傳遞給圓拱且自身平衡[1]，從而利于中心開挖。

4.4 優(yōu)化后支護體系

優(yōu)化后形成了“樁—撐—錨”支護體系[2]，能夠滿足較高的變形要求。優(yōu)化后基坑平面布置如圖5所示。優(yōu)化后“樁—撐—錨”典型剖面如圖6所示。

至此支護方案的選型及平面布置優(yōu)化完成。為確保基坑安全，基坑方案優(yōu)化后，邀請專家進行了二次評審，評審意見認為選型合理，安全可行。施工圖深化設(shè)計后，順利通過施工圖審查。基坑開挖時序必須與設(shè)計要求一致，遵循“開槽支撐、先撐后挖、分層開挖、嚴禁超挖”的原則，確保深基坑施工安全。參建單位須建立應急預案，提高對突發(fā)情況的處置能力，保證基坑開挖安全。

5 結(jié)論

結(jié)合以上初始設(shè)計及優(yōu)化過程，最終形成了安全穩(wěn)定、經(jīng)濟合理的“樁撐錨”基坑支護方案。

1)據(jù)初步測算，優(yōu)化后方案的支護面積單方造價比初始方案降低了約25%。2)本文對大型改擴建學校深基坑支護方案優(yōu)化過程進行了總結(jié)，可為今后類似深基坑工程支護設(shè)計及優(yōu)化提供借鑒和參考。