佛山市某深基坑設計方案選擇及實踐應用

陳海東

（1 建材廣州工程勘測院有限公司；2 中國建筑材料工業地質勘查中心廣東總隊）

0 引言

隨著社會發展，城市建設如火如荼，建設規模不斷擴大，對地下空間也日益重視。地下停車場、地鐵等基坑項目屢見不鮮，基坑面積越來越大，開挖也較深。珠三角地帶，由于其特殊的地理環境和地質構造，軟土發育，覆蓋土層較厚，基坑開挖既要滿足安全穩定，又要保證土體的變形不能影響既有管道和建筑物的使用，同時還要兼顧經濟性和施工難易性，因此對基坑支護設計提出了很高的要求。結合佛山某基坑項目，通過支護方案選型和分析，探討基坑設計的要點。

1 概況

1.1 工程概況及周邊環境

擬建南海桂城某項目位于佛山市南海區桂城海八路北側，中央大街以南，東面為華翠北路，西面為寶翠北路，基坑形狀較規則，呈矩形狀，基坑周長901.8m，設3層地下室，基坑開挖深度為14.50m。本基坑支護結構安全等級為一級，基坑環境等級為一級[1]。

基坑周邊環境及建筑物：基坑位于佛山市南海區，基坑東側距建筑用地紅線5m，紅線東側為華翠北路，坑頂存在地下管線，管線距基坑5.6m；基坑南側距紅線5～10m，距紅線約100m 為佛山地鐵，坑頂存在地下管線，地下管線距基坑4m；基坑西側為寶翠北路，距基坑6m 處，為一2 層售樓部，坑頂存在地下管線，管線距基坑1.5～4m；基坑北側距紅線10m，紅線外側為中央大街，坑頂存在地下管線,地下管線距3.5m。四周均為市政主干路，管線多為燃氣、高壓電纜、自來水和通信管線。

1.2 工程地質條件

地基土主要由填土（Q4ml）、第四系沖積層（Q4al）、殘積土（Qel）及第三系（E）基巖泥質粉砂巖，自上而下分層為：

1 雜填土：全場分布。灰色，雜色，主要以粘性土、細砂及建筑垃圾為主，部分鉆孔頂部為混凝土面，大部分呈松散狀，未經壓實。

2-1 淤泥：全場28 個鉆孔揭露。灰色，飽和，流塑為主，局部軟塑，含有機質，韌性中等，部分鉆孔夾有粉砂。

2-2 粉細砂：全場42 個鉆孔均有揭露。灰色，灰黃色，灰白色，飽和，松散～稍密，局部中密，石英質，棱角形，局部含淤泥質粉砂。

2-3 淤泥質土：全場33 個鉆孔揭露。灰色，飽和，流塑～軟塑，含有機質，腐殖質，干強度中等，韌性中等，局部含淤泥質粉砂。

2-4 粉質黏土：全場僅2 個鉆孔揭露。褐黃色，青灰色，以黏粒為主，含少量粉粒，稍有光澤，干強度高，韌性中等，濕，可塑為主。

2-5 粉細砂：全場30 個鉆孔揭露。灰黃色，灰白色，青灰色，飽和，稍密～中密，局部密實。石英質，棱角形，局部含淤泥質粉砂。

2-6 淤泥：全場僅6 個鉆孔揭露。深灰色，飽和，軟塑為主，局部含有機質，腐殖質，干強度中等，韌性中等。

3 殘積土：全場24 個鉆孔揭露。青灰色，紫紅色，原巖為泥質粉砂巖，濕，可塑。

4-1 強風化泥質粉砂巖：全場41 個鉆孔揭露。紫紅色，風化強烈，巖質軟，手折易斷，巖芯呈半巖半土狀，干鉆較難鉆進。遇水易軟化崩解。屬極軟巖，巖體較破碎，綜合評定巖體質量級別為Ⅴ級。

4-2 中風化泥質粉砂巖：全場35 個鉆孔揭露。紫紅色，泥質膠結，砂狀結構，層狀構造，巖芯較完整，呈短柱狀，局部碎塊狀，RQD 約為87%，遇水易軟化、崩解。風化不均勻，局部夾強風化巖。軟巖，巖體較完整，綜合評定巖體質量級別為Ⅳ級。

4-3 強風化泥質粉砂巖：全場18 個鉆孔呈透鏡體揭露。紫紅色,巖質疏松，性軟，手折易斷，巖芯呈半巖半土狀,干鉆較難鉆進，局部夾少量中風化巖。極軟巖，巖體較破碎，綜合評定巖體質量級別為Ⅴ級。

4-4 中風化泥質粉砂巖：全場僅7 個鉆孔揭露。紫紅色，泥質膠結，砂狀結構，層狀構造，巖芯較完整，多呈中-長柱狀，局部碎塊狀，巖質堅硬。較軟巖，巖體較完整，綜合評定巖體質量級別為Ⅳ級。

各土層物理力學指標如表1 所示。

表1

1.3 水文地質

⑴本場地地下水主要為上層滯水、孔隙潛水和基巖裂隙水等，場地地下水的補給主要來源于大氣降水、地表水向下滲透補給，排泄方式以側向徑流和蒸發為主。

⑵本場地地下水較豐富，地下水涌水量受降水和地表水回滲量影響較大，選取有關水文地質參數時需充分考慮該因素。

⑶抽水試驗結果得出綜合滲透系數K 為1.65×10-3～2.03×10-3㎝/s，滲透等級為中等透水。淤泥為高含水、微透水層，易產生滲透變形；粉細砂和細中砂為中等透水層；其它土層為微透水層。

2 基坑支護設計要點與方案選擇

2.1 設計難點

⑴基坑周邊均為市政主干道，管線較多，西側存在既有建筑物，基坑支護等級為一級，對土體變形要求嚴格。

⑵勘察資料顯示，基坑開挖深度范圍內填土層及淤泥層較厚，部分地段其厚度達16.3m，土層工程力學性質不良，自穩能力極差，易受擾動。

⑶地下水豐富且埋深較淺，滲流穩定性差，地下水控制較難。

⑷紅線距基坑開挖線較近，幾乎無放坡空間。

2.2 基坑支護方案分析與選型

基坑支護設計將安全可靠放在首位，結合當地基坑支護經驗及施工水平，選取了適合本工程的兩種方案。

⑴鉆孔灌注樁作為支護樁，三軸攪拌樁作止水帷幕，兩層內支撐方案。三軸攪拌樁止水效果較好，同時可以加固基坑外側土體，提高其自穩性；大直徑鉆孔灌注樁加內支撐方案，可以有效地控制基坑變形和周邊土體的位移，本支護選型對周邊的地下空間沒有占用。

⑵三軸攪拌樁止水帷幕，上部采用直立(或放坡)+三軸(大直徑)攪拌樁+錨索+型鋼，下部采用灌注樁+可回收式預應力錨索+三軸攪拌樁止水支護方案，坡面掛鋼筋網噴C20 混凝土。外側大直徑攪拌樁和內部三軸攪拌樁結合使用，止水效果較好，兩排攪拌樁中間的格柵攪拌樁改良了上部軟弱土體，有效地減小了放坡的長度。大直徑支護樁+可回收錨索，保證了土體位移變形，考慮到佛山對于建筑紅線控制較嚴，采用了可回收錨索的設計。

兩種方案都采用了水泥土攪拌樁作為止水帷幕，該工藝在廣東省內較成熟，應用廣泛，三軸攪拌樁的止水效果較好。通過理正基坑支護軟件計算，這兩種方案的支護結構均穩定可靠，不會發生局部或整體破壞；基坑側壁的位移也都在容許范圍值內，周邊的售樓處和市政管線等不會因產生過大位移而破壞。從造價節省、方便施工等分析，內支撐的工程造價較高；同時混凝土硬化后才能起到支撐作用，因此該方案的施工工期較長；由于開挖面積較大，混凝土的收縮變形量不可忽視，對施工要求較高。綜合這幾點因素，本基坑支護方案選型為第二種，即大直徑樁+可回收錨索+攪拌樁方案。

基坑根據資料及周邊環境分11 個剖面進行支護，基坑安全等級為一級。基坑開挖范圍按地下室外墻線外擴1.5m 作為防水層空間，基坑開挖深度為14.50m，基坑周邊承臺采取跳挖方式進行。基坑周邊荷載按20kPa計算，道路荷載按40kPa 計算，基坑周邊2m 范圍內嚴禁堆載。基坑出土口為東南兩側，分別為T1-T1 剖及T2-T2 剖，經復核可作為出土口。

圍護混凝土灌注樁采用φ1200@1400，插入比1:1.0，樁間掛錨固筋及豎向筋，噴射C20 混凝土。三軸攪拌樁樁端穿越砂層進入不透水層不小于1m，水泥標號采用P.O.42.5R。水泥摻入比不小于170㎏/m，水灰比0.4～.5。基坑土方開挖在樁身水泥土28 天抗壓強度達到1.0MPa 后進行。內外攪拌樁為φ850@600，外側樁長18m，內側樁長20.7m，實際長16.7m。攪拌樁中間加固區采用格柵式攪拌樁φ550@400，加固9m，實樁長5m。錨索采用成孔采用泥漿護壁成孔，若淤泥質砂層較厚，泥漿護壁成孔困難時，可采用套管跟進；錨索成孔直徑為150mm。錨桿鋼筋采用HRB400 級，錨桿成孔直徑為90mm，采用孔底常壓注漿法，漿液水灰比為0.4～0.5，應進行補漿，以確保注漿飽滿，錨桿抗拔力設計值為10KN/m。注漿材料選用0.45～0.55 純水泥漿，水泥標號為42.5R 普通硅酸鹽水泥,并加入適量的早強劑及膨脹劑，注漿體強度不低于20MPa，一次注漿壓力為0.5～1.5MPa。并采用二次注漿，注漿時間可根據注漿工藝試驗確定或一次注漿錨固體強度達到5MPa 后進行，注漿材料選用水灰比為0.50～0.55 的純水泥漿，注漿壓力為2～3MPa。錨索回收：待地下室完成至相應標高，回撐強度達到設計的85%后再進行錨索的回收。代表性剖面詳情見圖1 及圖2。

圖1

圖2

2.3 基坑支護計算

選取8-8 剖面（HJ 段）進行驗算，售樓部采用條基，基礎埋深3.0m，基礎寬2.4m，售樓部外墻距攪拌樁3.0m，其簡化為40kPa 超載，外圍附加20kPa 超載，基坑支護安全等級一級，重要性系數1.10，采用增量法計算，土壓力采取水土合算（砂層采用分算法），工況采取開挖4.8m、8.3m、11.8m、14.5m 及加撐階段分別進行計算。彎矩最大值為1984.94kN·m，剪力最大值604.41kN。詳見圖3。錨索采用鋼絞線，水平間距1.4m，豎向間距4.3m，入射角30 度。1、2 道錨索長40m，錨固段30m，第3道錨索長36m，錨固段28m，預加力450kN，采用瑞典條分法，條分寬度0.4m，采用總應力法進行整體圓弧穩定性計算，Ks=1.887；嵌固深度滿足要求。

圖3 內力計算

由于該剖面處外側有售樓部及市政管線，土體變形要求最為嚴格，采取了如下加固措施：外側大直徑攪拌樁中插入22b 型鋼，插入深度7m，同時在該攪拌樁頂部冠梁處布設可回收錨索，采用3×15.2 鋼絞線，水平間距1.2m。該兩項措施作為控制變形的安全儲備，計算中未予以考慮。

2.4 基坑變形分析與應對

基坑開挖后側壁土體的變形特征與支護形式密切相關，當采用剛體支護模型（如懸臂樁支護）時，其變形呈現為基坑頂部位移大、底部位移小的三角形式的位移，基坑頂部土層的豎向位移也呈現為三角形。當采用樁錨結合的組合型支護時，其頂部的水平位移收斂，水平位移的最大值向基坑底部轉移，形成類似弓形的變形特征，同時由于頂部水平位移的減小，基坑周邊的豎向位移也得到了控制。詳見圖4。

圖4

現今基坑支護設計中關于支護樁位移的計算多根據溫科勒的彈性樁的內力計算方法，根據外力樁的撓曲變形微分方程來計算周邊基坑土體的位移，其公式如下：

E 為樁的彈性模量，I 為樁的慣性矩，EI 為樁體剛度，q(x)是土體壓力關于深度x 的函數，bs為該計算單元的寬度（可近似取樁中心距），y 代表水平向撓曲變形。由該微分方程可知，在基坑周邊土體、超載、支護樁間距等條件確定的情況下，樁體剛度越大，樁的水平位移越小，因此增大支護的剛度可以有效減小水平變形。

支護結構外側的土體變形更為復雜。Peck 通過大量的工程數據統計，提出了沉降分布曲線[2]；Mana 和Clough 于1981 年提出了穩定安全系數法，依靠某地區大量的實測數據，結合有限元法，預估外側的變形量[3]。根據國內多位學者的研究，深基坑中，單一的被動懸臂支護體系中，墻后地表變形可近似為三角形，同時支護結構頂點的水平位移較大；采用錨拉+被動支護組合的體系，其變形復雜，多采用指數曲線[4]，錨固點距離基坑頂部越近，頂部的位移越小。

基坑周邊由于建筑物和市政管線較密集，對基坑周邊水平和豎向位移敏感，水平和豎向的允許變形量較小。基與控制變形的考慮，設計方案采取了加大支護體系剛度和增加端部錨索的方法，采用雙排三軸大直徑攪拌樁對上部填土與淤泥土層加固，改良了土體，起到穩定周邊地基持力層的作用；另一方面作為止水帷幕有效地控制了地下水，保證了坑底的滲流穩定性；雙排攪拌樁+內插型鋼的設計，極大加強了支護結構整體的剛度，和內部大直徑樁的組合，對控制變形起到了關鍵的作用。該處頂部冠梁的錨索設計，作為一種安全儲備，雖對于整體穩定性貢獻甚微，但對位移控制起到了相當作用。

基坑監測表明，其頂部水平位移均控制在20mm以內，達到了本基坑的設計要求。詳見圖5。

圖5 支護結構頂水平位移累計曲線圖

3 總結

南方地區軟土層較厚，工程性質較差，深基坑的支護方案選擇尤為重要。在保證安全可靠的前提下，經濟效益、施工難度和工期成為方案比對的重點。本方案采用樁錨支護加攪拌樁的方案，經濟效益較好，施工質量能夠保證，工期與內支撐方案相比也較短。隨著城市發展，建筑工程周邊紅線控制越來越嚴。佛山地區對于錨索越界的審查較嚴，綜合考慮后，本工程使用了可回收錨索，解決了地下空間的侵占問題，施工獲得了成功。深基坑設計是巖土工程的難點課題，穩定性的驗算取得了很大的進步，但是土體的變形方面，由于本構模型尚不能完全模擬現實中的實際情況，有限元等計算和實際監測的數值還是有不少偏差，尚需要地方經驗和工程實踐去彌補。通過對該基坑支護方案的對比分析和基于位移控制考慮的幾點應對措施，希望能對類似地層條件的深基坑支護設計起到一定的參考作用。