復雜條件下基坑變形控制的設計方法

楊慶義，孫長帥，王基文，宋 鵬

(1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013； 2.山東建和土木工程咨詢有限公司，山東 濟南 250101)

1 工程概況

擬建某基坑場地內包括2棟高層建筑及地下車庫；基礎形式均為CFG復合地基，高層建筑結構形式為剪力墻結構，車庫基礎形式為框架結構；基坑開挖深度為10.0 m。總建筑面積85 774.62 m2(地上建筑面積55 152.64 m2，地下建筑面積30 621.98 m2)，基坑大致為280 m×60 m的長方形。該基坑周圍東西兩側為城市道路，北側圍墻以北為已建商業公寓(云瓴國際：采用CFG樁復合地基，車庫地下室位置為獨立基礎，地下室底板埋深約10 m，2+11層/12層，地下室上部覆土厚度約1.5 m，原基坑深度約10 m，支護形式為土釘墻，坡率1∶0.3)，南側圍墻以南約20 m為物流廠區(場區內建筑緊鄰既有圍墻，既有建筑基礎形式為獨立基礎或條形基礎，基礎埋深約1 m)。基坑周圍環境比較復雜，存在較多的管線，包括電力、給水、雨水等管線(見圖1)。

2 場地工程地質水文地質條件

2.1 工程地質條件

2.2 土層物理力學性質指標

場地范圍內主要土層物理力學性質指標見表1。

表1 各巖土層參數一覽表

2.3 水文地質條件

野外勘測期間(2017年12月)，測得地下水穩定水位埋深在自然地表下27.40 m～28.00 m之間。

3 基坑支護方案

該工程地下結構為兩層地下車庫，根據結構圖紙坑底設計標高和場地自然地坪標高，基坑最深位置為10.0 m，按照JGJ 99—2012建筑基坑支護技術規程的有關規定，該基坑的安全等級為二級。根據基坑周邊環境條件，基坑東西兩側為存在較多管線的市政道路，基坑南北兩側為既有建筑，北側建筑距離較近，且因前期建設，基坑北側均為雜填土。基坑變形要求比較嚴格，所以該基坑支護需要保證自身安全及環境安全，控制基坑開挖期間的變形為該設計關注的重點和難點[1-3]。對相應的支護方案進行安全經濟可行性比較，最后采用樁錨支護方案。

3.1 排樁錨索支擋結構設計計算

1)基坑北側:由于該位置距離既有地下結構較近，無法施工較長的水平錨桿，為此采用了60°大角度錨索，支護樁直徑800 mm，樁間距1.5 m，樁長18.0 m；沿基坑側壁設置三道預應力錨索，采用一樁一錨的方式布置，錨索主體為2Φs15.2的鋼絞線，鉆孔直徑為180 mm(見圖2)。

2)基坑東西側和南側:這三個位置由于紅線限制，需要采用直坡開挖，設置兩道預應力錨索，錨索與水平向夾角為15°(見圖3)，其他參數與基坑北側相同。

根據表1設計參數，利用已有的基坑支護設計商業軟件，計算得到基坑東側、西側及南側支護剖面的支護樁的內力包絡圖(見圖4)，同時得到該支護方案的整體穩定安全系數為1.39，滿足規范對于一級基坑安全的要求。整體穩定計算簡圖見圖5。

3.2 支護樁設計

根據內力包絡圖可知支護樁樁身最大彎矩設計值為405.79 kN·m，按照GB 50010—2002混凝土結構設計規范的有關規定進行配筋計算(見圖6)。支護樁采用上下通長配筋，主筋為12根22鋼筋，箍筋為φ8@100，同時采用14@2 000的加強筋，同時在支護樁頂部設置1 000 mm×800 mm的冠梁。

3.3 預應力錨索設計

該基坑支護剖面中的預應力錨索主體采用2Φs15.2鋼絞線，成孔清孔放入錨索后錨固段注漿材料采用42.5硅酸鹽水泥,水泥按照水灰比0.45～0.5配置的純水泥漿注漿，注漿壓力0.2 MPa～0.5 MPa。同時在首次注漿完成后8 h內或初凝后，通過二次注漿管進行二次壓力注漿。

樁錨支護的腰梁為兩根工字鋼(22a)配裝(見圖7)，工字鋼間距80 mm，并按照1.3 m間距通過綴板焊接連接；每1根～2根支護樁上組一個托架，托架采用長度300 mm的7.5角鋼(見圖8(a))；臺座為22槽鋼(兩個角度15°和20°，如圖8(b)所示切割而成，并在槽內設置加強肋增加臺座剛度；為減小工字鋼的受力，工字鋼焊縫位置一般設置在距離托架位置300 mm處；通過長200 mm，直徑18 mm膨脹螺栓連接托架與支護樁。

錨索的施工質量決定樁錨支護的變形控制效果，預應力錨索主體需要設置撐力環，以保證鋼絞線居中，撐力環間距1.5 m～2 m。通過這些措施保證鋼絞線具有足夠的保護層厚度，同時保證鋼絞線不拖底，從而保證成孔質量。

3.4 旋噴樁設計

樁間旋噴樁樁位圖見圖9。

為了保證建筑地下結構正常安全施工，基坑底面土層第①層雜填土層及第③層粉砂層較松散。為保證施工正常順利進行，利用旋噴樁對雜填土層及粉砂層進行預加固。支護樁間，采用高壓旋噴封堵樁間空隙，每個樁間采用2個旋噴樁，旋噴樁采用雙重管設備施工，樁徑650 mm，樁頂位于自然地坪以下2 m～3 m，樁底為基底以下1 m，高壓旋噴樁與支護樁的搭接長度不應少于200 mm；固化劑采用42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比0.8～1.0，每根每米水泥用量不得低于130 kg；28 d無側限抗壓強度不低于2.0 MPa。

4 支護體系和周邊環境的監測

基坑支護設計的目的在于確保周圍建筑物、管線及道路等環境的安全[4]，應進行基坑邊坡側向變形和位移以及周圍建筑物、管線及道路的沉降觀測，同時對深層土體及支護樁進行深層水平位移監測[5]。在基坑坡頂位置設置側向變形觀測點和沉降觀測點(見圖10)，側向變形觀測點的水平間距在15 m～20 m；在基坑周邊每個建筑物(構筑物)布置至少4個沉降觀測點(圖10中字母C所在位置)；沿基坑西側及東側道路邊緣及管線布置沉降觀測點，間距15 m～25 m(圖10中字母C所在位置)；由于基坑周邊的中部、陽角處及有代表性的部位變形比較大，這些位置必須布置土體深層水平位移監測點，相應水平間距為20 m～50 m，每邊不應少于1個(圖10中字母S所在位置)。在基坑開挖線影響范圍之外的相對穩定的部位設置不少于3個觀測基準點。

在基坑施工過程中，由于受到各種因素影響，可能會導致最終的設計效果大打折扣，因此應密切觀測施工過程中變形資料，并采取一定的處理措施，主要包括：1)基坑的沉降觀測和位移觀測結果應及時向有關參與方匯報，包括設計、建設方、監理方、施工方等；2)當基坑水平變形超過限值(一般為0.3%倍H)或者突然增加時應及時向有關參與方匯報，同時停止開挖在相應位置進行回填反壓處理；3)當基坑周圍沉降觀測點的沉降量超過0.2%倍的基坑開挖深度或者沉降量突然增加時應向有關參與方匯報，同樣停止施工進行反壓處理。

5 現場施工控制及工程效果

5.1 土方開挖

土方超挖是造成基坑事故的主要原因，嚴格控制每次開挖深度不超過相應錨索位置0.5 m、開挖段長度不超過100 m，指定專人負責,不得超挖。同時每30 m左右挖一個集水坑，主要用來收集地表水。

5.2 錨索成孔和注漿

為了保證錨索質量，做到從錨索至注漿各個階段嚴格控制，主要包括如下幾個方面：1)錨索主體應按照設計要求嚴格設置撐力環和預應力套管；2)錨索成孔時要采取措施防止塌孔；3)注漿應采取孔底注漿，保證注漿飽滿；4)應根據場地情況和天氣合理選取水灰比，保證漿液的流動性和可注性；5)根據漿液初凝情況及時進行二次注漿，保證錨固效果。

5.3 變形觀測

基坑監測結果是判斷基坑安全的重要依據，應根據監測結果及時調整監測頻率，并在必要時適當增減監測點的位置及數量。

5.4 工程效果

本工程從支護樁施工開始，經過冠梁、錨索、腰梁、噴面等對各道工序的嚴格控制，截至開挖到基礎底面，基坑最大側向變形為13.3 mm，周圍道路最大沉降為3 mm。同時在施工過程中對每層的錨索施工質量進行拉拔試驗，試驗結果表明錨索的承載力與設計值比較接近，進一步印證了設計參數取值的合理性。

6 結論和建議

1)城市地下空間開發力度加大，基坑開挖越來越深，解決基坑本身和周邊環境的和諧安全的關鍵在于控制基坑本身的變形，進而保護周邊環境的安全。

2)基坑的施工質量是保證基坑安全的重要手段，每個支護構件組成基坑安全體系，因此在施工過程中應嚴格按照設計進行施工和檢測，避免任何僥幸心理。

3)基坑變形監測是基坑安全性評價的重要指標，包括基坑本身的監測和周邊環境的監測，在保證數據真實的基礎上需要對每一步的監測數據進行及時的分析，進而及時了解基坑的安全情況，防患于未然，避免出現基坑事故，保證基坑安全[6]。