地下公共車行通道基坑支護的設計與施工

邵韋弦

（廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510610）

0 引言

伴隨著社會經濟的飛躍發展，土地資源的日益緊缺制約了城市的發展空間。為了推動大城市的持久穩定發展，需對城市地下空間的合理化綜合開發以及有效利用進行探索。地下公共車行系統現已成為緩解大城市中核心區內地面交通過度擁堵這項難題的可靠手段[1-2]。地下車行交通設施實際指的是針對新區中的各大地塊內部預留空間車行通道的有力規劃與控制，對于地塊間車行連接通道的有效建設與規劃，達成新區統籌化的地下公共空間車行通道[3-5]。本文對橫琴新區國際居住區地下公共車行通道基坑支護設計及施工工藝進行了分析，對相近的工程項目給以可靠的借鑒與參考意見。

1 工程概況

橫琴新區國際居住區是橫琴新區“三片、十區”中重要的組成部分，按要求需基于智能服務以及低碳的綠色生活理念來展開建設，為島上的居民們提供真正的、國際一流的精致生活環境。該居住區的組成部分為S1至S4這4個片區的用地，其用地在小橫琴山的實際分隔下變成了南北區域，北至琴海北路，東至千福道、西至桂風道，南至小橫琴山的山體邊緣線。以地塊功能的布局結合支路網的微循環系統實施加密，為區域交通可通達性提升給出保障。本區計劃建設地下公共車行通道43座，如圖1。

圖1 橫琴區域示意圖

在橫琴區地下空間車行通道基坑支護執行中，整個地下車行通道的底板位置中墊底層應當設計為-6.8m，地面的標高為3.0m，基坑的縱深度則大概為11.9m。其中場地標高3.0m，是軟基處理后完成面標高。本次施工中主要應用了兩種基坑支護結構，即SMW工法樁支護與沉井支護。

2 基坑支護設計

2.1 區域地質構造情況

此區域的地質地貌情況為：沖堆積平原地貌，地形比較平坦，高程2.7至4.61m，高差大概1.9m。勘查后依巖土的實際成因及巖性、工程特性與地質年代等諸多的因素，可將它劃定為：人工填土層（第四系）以及殘積層（第四系）、海陸交互沉積層（第四系）以及燕山基層（三期）。該區域地質構造比較復雜，處于珠江三角洲斷陷區，主要分布為北東向蓮花山深斷裂帶西南段，北西向三洲-西樵山大斷裂東南段。斷裂帶處于陸地上的部分的總長約為370km，其寬度20～40km。整個斷裂帶囊括了超強的斷裂束、斷裂動熱變質帶及同前者相伴的復試褶皺帶等。

2.2 基坑平面及剖面

根據設計室外地坪標高，結合目前場地標高，基坑開挖深度16.0m左右，基底位于②2層土之上，且場區地表地勢整體較平坦，水位較高，勘察實測穩定水位埋深0.5～0.9m。結合開挖涉及場地地層及周邊環境，采用鉆孔樁支護，設置2～3道內支撐梁，結合深攪樁止水帷幕，坑內采用管井法降低地下水位。該方法的優點包括：工藝成熟，樁徑可靈活調整；剛度較大，變形較小；造價較低；施工期間對周邊環境影響較小；與主體結構關系較小，施工速度較快；結合三軸深層攪拌樁止水帷幕止水效果較好。場地砂土層厚度大，止水樁的止水效果難以保證，施工不當易漏水，坑外產生變形，影響周邊環境的安全。基坑支護平面見圖2，支護結構剖面見圖3。

圖2 項目基坑平面布置圖

圖3 項目塊基坑剖面圖

2.3 模型內各單元的參數選取

根據《巖土工程勘察規范》中的相關規定，對場地內涉及的土層進行了相應的室內試驗以及原位試驗，得到了各土層的物理力學性質。場地內各巖土層物理力學參數見表1。

表1 土體物理力學參數表

用MIDAS/GTS軟件對本工程深基坑進行建模時，以大于開挖深度2倍的范圍建立邊界，建立長355m×寬285m×深75m的有限元三維模型。模型建立完成后共有115707個網格，采用六面體的單元，共有60828個節點。在模型邊界處，設定初始的邊界條件，如圖4。

圖4 邊界條件

2.4 基坑的支護方案確定

2.4.1 樁基參數及持力層選擇

根據現有施工經驗及實際地層特征，結合單體荷載特點及沉樁可能性對周邊環境的影響。本工程采用鉆孔灌注樁基礎。以④2層中風化巖作為樁基礎持力層，無上部結構地下室抗拔樁建議采用鉆孔灌注樁。鉆孔灌注樁沉樁較易實現，但基礎造價高、施工周期長，易產生沉渣、易坍塌、易縮徑，施工時應控制泥漿稠度。

2.4.2 單樁承載力估算

單樁豎向承載力特征值設計參數見表2，實際單樁承載力應進行荷載試驗檢驗確定，工程樁施工前應進行試樁和靜載試驗，以進一步確定位于該深度時沉樁的可能性及實際成樁后的單樁豎向承載值，為工程樁提供樁長、成樁可能性、單樁承載力等依據。

表2 單樁豎向承載力特征值估算表

采用鉆孔灌注樁時，因砂性土易擾動，需采取泥漿護壁，防止坍孔影響成孔和灌注質量，同時粘性土層厚度較大，需注意泥漿稠度，以防軟土縮徑及泥皮影響樁側阻力，應保證鉆孔的垂直度和完整性，減小孔底沉渣厚度，以保證樁身質量及單樁承載力。由于③層含卵礫中粗砂層礫徑較大，鉆孔樁施工時鉆進比較困難。

2.4.3 基坑開挖及支護

根據設計室外地坪標高，結合目前場地標高，基坑開挖深度16.04m左右，基底位于②2層土之上，且場區地表地勢整體較平坦，水位較高，勘察實測穩定水位埋深0.52～0.92m。結合開挖涉及場地地層及周邊環境，采用鉆孔樁支護，設置2～3道內支撐梁，結合深攪樁止水帷幕，坑內采用管井法降低地下水位。

2.5 基坑的支護結構的參數選取

本次支護在豎向方向上采用鉆孔灌注樁的形式。整個支護結構除了IJKA、CD段采用Φ1255@1455鉆孔灌注樁+三層鋼筋混凝土外，其余結構段均采用Φ1205@1405鉆孔灌注樁+三層鋼筋混凝土支撐作為支護結構。支護樁應在三軸深層攪拌樁的施工完成后施工，并且隔樁施工，在混凝土灌注終凝后才可以進行相鄰樁成孔施工。當鉆孔灌注樁在軟土和砂性土層中應采用改善泥漿性能的有效措施確保成樁質量。其中支護樁保護層厚度為50.04mm，圈梁及鋼筋混凝土支撐梁保護層厚度為35.02mm，其主要參數如表3所示。

表3 鉆孔灌注樁參數

基坑在止水和排水方面，統一在支護樁外側采用Φ655@905的三軸深攪樁作為止水帷幕，支護樁間采用Φ600單重管高壓旋噴樁防止樁間軟土擠出。同時，基坑內采用減壓井降低坑內承壓水頭，同時在坑內布設適量疏干井，確保基坑順利開挖。對于

三軸深層攪拌樁，使用42.5級普通硅酸鹽水泥。作為止水帷幕時，采用套接一孔法施工，初步確定其設計滲入量為20.05%，準確滲入量需通過試樁確定，作為坑內加固時，縱橫搭接200.05mm，基坑面以上水泥滲入量為15.02%，基坑面以下水泥滲入量為20.05%，水灰比為1.21～1.52。同時，由于基坑面積較大，需在基坑開挖過程中設置承受支撐體系的立柱樁。在立柱的底板范圍內設置止水片，格構柱邊長應與主支承軸線方向平行或正交，立柱的鋼筋保護層厚度為50.05mm，混凝土設計強度等級為水下C30，其主要參數如表4所示。

表4 立柱樁參數

3 深基坑支護方案理正深基坑數值模擬

根據基坑內支撐結構的中軸線并考慮實際情況，在理正深基坑軟件中，進行網線布置，網線布置圖如圖5所示。

圖5 基坑網線布置圖

在理正深基坑界面，進入支護布置界面，選擇定義分區數據，該基坑選擇排樁支護，在排樁支護界面分別填入基坑的深度、樁頂標高、樁材料類型、樁截面形狀、樁直徑、樁間距、土層等信息。本文中，基坑深度為17.74m，樁頂標高-2.19m，樁材料類型為鋼筋混凝土，樁截面形狀為圓形，樁直徑選擇1205mm與1255mm，樁間距選擇1405mm。

3.1 數值模型的建立以及施工方案的設定

3.1.1 模型中土層的本構模型選取

MIDAS/GTS軟件中提供了14種常用的土體的本構模型，包括摩爾庫倫（Mohr-Coulomb）模型、修正的摩爾庫倫（ModifiedMohr-Coulomb）模型、劍橋模型等。根據之前學者的研究發現，采用修正的摩爾庫倫模型對深基坑進行施工開挖的數值模擬時，所得計算結果，能夠與施工過程中的監測數據很好的吻合在一起，因此，利用MIDAS/GTS軟件對工程深基坑的開挖過程進行有限元數值模擬時，對于所涉及的土層采用修正的摩爾庫倫模型進行計算。

3.1.2 施工過程的確定

工程的施工過程共分為一下6步：步驟1是進行初始狀態的分析，計算初始地應力，使得初始位移為零；步驟2是基坑開挖，當基坑開挖到2.19m時，基坑周圍的鉆孔灌注樁開始施工，向模型中添加鉆孔樁模型，該步驟定為開挖0；步驟3是當基坑開挖到2.19m時，進行第一道鋼筋混凝土支撐體系，該步驟定為開挖1；步驟4是當基坑開挖到7.98m，該步驟定為開挖2；步驟5是當基坑開挖到7.98m，進行第二道鋼筋混凝土支撐，該步驟定為開挖3；步驟6是當基坑開挖到13.39m，該步驟定為開挖4；步驟7是當基坑開挖到13.39m時，進行第三道鋼筋混凝土支撐，該步驟定為開挖5；步驟8是當基坑開挖到17.74m時，對基坑底部進行加固處理，整個基坑開挖完畢，該步驟定為開挖6。模型的支護結構圖如6所示。

圖6 基坑模型支護結構圖

3.2 計算結果分析

3.2.1 數值模擬基坑位移分析

MIDAS/GTS軟件按照設定的施工順序計算完成之后，可以得到每個施工階段的一系列位移圖與土應力變化的云圖，該基坑開挖各階段的X方向的位移云圖如圖7所示，各階段的Z方向上的位移云圖如圖8所示。

圖7 各步驟X方向位移云圖

圖8 各步驟Z方向位移云圖

從基坑位移計算結果可以看出，從步驟2開始，隨著基坑的開挖，土體產生了明顯的變形。當基坑開挖至2.19m時，開挖出露的基坑壁朝著臨空面方向發生了顯著的位移，其位移最大值可達12.02mm，該階段變形主要發生在水平方向上，此時基坑底部還未出現明顯的隆起現象。到步驟3，進行了第一道鋼筋混凝土支撐體系的支護后，基坑的水平位移顯著減小，基坑壁水平最大位移值驟減到2.48mm。步驟4基坑開挖到7.9m時，基坑的水平最大變形量又顯著增加，增加至8.8mm，且隨著時間發展不斷增大。這一階段的水平變形主要發生在開挖的基坑段，其上段已進行水平支撐的部分未發生明顯的變形。在此階段基坑底部發生了明顯的隆起現象，最大值約為47.8mm。步驟5進行了第二道的鋼筋混凝土支撐后，其水平變形速率大大減小，水平變形量僅增至11.89mm，但此時基坑底部隆起現象加著，隆起量達到110.05mm。步驟6基坑開挖至13.38m后，基坑水平變形略有增大，至14.98mm，且變形部位主要發生在深層的基坑壁上，該階段基坑隆起量并沒有顯著增加。步驟7進行第三道鋼筋混凝土支撐后，基坑整體的水平變形量顯著減小。步驟8，基坑開挖至17.74m并對基坑底部進行了加固措施后，基坑整體水平變形量減小，低至5.02mm以下，基坑變形量得到了顯著的控制。可以看出，伴隨著基坑的的不斷開挖，基坑壁及周邊土體會朝著臨空面發生持續而顯著的變形，同時基坑底部也會出現明顯的隆起現象，而鉆孔樁及內支撐的支護形式可以顯著地降低基坑在水平方向的變形，能夠起到良好的支護作用，保證基坑工程的順利進行。

3.2.2 數值模擬與監測數據水平位移對比

為了方便對數值模擬，且對監測數據結果做出比較，本文以CX5測斜孔為例，選取三次較深的開挖，即二層土方開挖，（開挖至7.9m，步驟4），三層土方開挖，（開挖至13.38m，步驟6），四層土方開挖，（開挖至17.74m步驟8）的數據進行比較，其中數模1、監測1對應開挖至7.98m的位移曲線，數模2、監測2對應開挖至13.48m的位移曲線，數模3、監測3對應開挖至17.74m的位移曲線，其位移值如圖9所示。

圖9 不同開挖步驟下土體水平位移的檢測值與模擬值對比

由圖9可知，土體水平位移的監測值和模擬值相差不大，兩者較為吻合。可以看出當土體開挖后，土體變形主要是朝開挖后的臨空面方向運動。當開挖深度較小時，土體變形量較小，且近似線性。基坑的不斷開挖導致土體朝著臨空面方向的變形也不斷增大，并逐漸呈現出中間變形大，兩頭變形小的“紡錘狀”，其變形量最大的部位，靠近基坑底部，這與內支撐結構土體的變形特征是一致的。另外，土體的最大水平位移約為14.98mm，遠遠小于最大允許值39.52mm，說明支護后的基坑處于一個安全穩定的狀態。

4 基坑支護施工關鍵施工工藝

4.1 施工工藝

4.1.1 SMW工法的樁施工工藝

SMW工法的樁施工過程中，水泥土攪拌樁選擇了普通的42.5級硅酸鹽水泥，且水灰比為1.2～1.5，摻入水泥約占20%。在施工過程中，樁身選定了一次攪拌的工藝，水泥以及原狀土必需均勻拌和，噴漿攪拌下沉以及提升，鉆機的鉆進速度控制在0.6～0.8m/min，提升攪拌速度為1.2m/min。在樁施工的過程中，不準許沖水下沉，且鄰近的2樁施工的間隔絕不超出18h。樁位的偏差不高于±20mm，其標高誤差約為±100mm，垂直度偏差絕對不高于0.5%。在型鋼施工的過程中應始終維持平直，假若存在焊接接頭，則接頭位置應保障焊接牢靠，型鋼務確保在攪拌樁施工結束后的3h就插入其中，施工方需給出可靠的措施以確保型鋼有足夠的插入深度。

4.1.2 坑底攪拌樁的施工工藝

攪拌樁的施工工藝具體選的是四噴四攪的施工工藝，水泥的強度等級選擇32.5R。水泥摻入比不小于18%，水泥Φ800用量保持160kg/m，水泥漿的水灰比范圍在0.6～0.8之間。攪拌樁水泥土28d齡期的單軸無側限抗壓強度設計值不小于0.6MPa。在施工過程中，必須確保樁和樁之間的實際搭接質量，搭接時間小于或等于24h。在攪拌樁正式施工前，應明示地下管線。若處于使用過程中的管線必須得移位的話，則需清除不在使用之中的管線。另外，需對地下空間障礙物予以清除，如建筑舊基礎等。

4.1.3 冠梁與支撐施工工藝技術

在冠梁與腰梁的施工過程中，樁頂需鑿至見到新鮮的混凝土面即可，而出露的鋼筋必須夠平直，且應同設計要求所明確的出露長度達成一致，在對樁頂冠梁與腰梁的澆注過程中，需逐一清除里頭的積水以及浮土、殘渣等，與此同時，冠梁及腰梁需牢固地和支護樁相連，不能使連接位置生成相應的薄弱面。鋼筋混凝土支撐以及圈梁需要同時澆筑，混凝土支撐的澆筑過程中不能夠留縫，圈梁和鋼筋混凝土上其支撐梁所設的保護層的厚度需達3.5cm。

4.1.4 沉井支護施工工藝技術

開挖施工前應對沉井周邊、沉井結構、沉井內部、交通條件進行驗收，驗收通過后方可進行開挖下沉作業。沉井下沉的整個施工步驟具體是：第一，將刃腳上加固部分拆除，為的是預防沉井突沉及沉井傾斜，拆除的時候需要分區、分組依次對稱地同時執行，直到加固部分百分百被拆除為止；第二，拆除之后其空隙需一邊拆除，一邊以粗砂填充夯實，同時要觀測其下沉狀態，到底均勻與否；第三，挖土時遵循的順序為，由中央方位朝四周鋪展，刀刃腳的部分則暫不被挖出，用刃腳切土方式施行下沉處置；第四，初沉的階段中入土比較少，不是很穩定，需要隨時做好中心位移以及不均勻沉降的測量工作，基于觀測數據來施行挖土操作；第五，沉井入土大致上穩定了之后，可將挖土速度提高，使下沉加速；第六，沉井同車技標高基本接近后，即可進入終沉階段，應將挖土速度盡力放慢，多加觀測后，使得沉井能緩緩接近設計標高。第七，假若沉井由于自重比摩擦力小，并在臨近于設計標高前就沒有再持續下沉時，則應當以配重加大等方法予以促沉，不管采取的是什么措施，要確保沉井到設計標高。

4.2 基坑監測

本基坑工程等級為二級，因此基坑最大水平位移方向的控制安全值是50mm，其報警值則是45mm。基坑工程的有效監測需在基坑工程及地下工程的完全過程中持續進行，監測期需要在基坑施工前就計起，做好地下工程才算終止。對于特殊要求的基坑周邊環境監測，需按照具體需求延至變形大致穩定后才宣告完畢。針對需測量的項目，在并未出現數據異常狀況或未見事故預兆的基本情形下，開挖后，現場儀器的監測頻率應參照表5來予以執行。

表5 現場儀器監測的監測頻率

監測施工程序如下：

（1）初測：在開挖之前全方位測定，測定的數值充當此后的監測基準。

（2）在正式的開挖過程中每日各個測點均需要測1次，在局部測點的變形比較大、變形速率比較大的情形下，需每日加測1次。

（3）在某一日測點至報警值的情形下，需即刻報警，同時要及時采取相關應對措施，并把測定次數有效加密，當成連續的監測。

（4）現場的監測會以定時觀測結合跟蹤觀察的方法來展開，監測的頻率要按照監測數據的實際變化大小來予以適度調整。

（5）若發現變形速度較快，如每天變形超過5mm時，每天必須觀測2～3次，若連續發生3天，有每一天的變形均處于5mm左右的情況，需及時通報給設計與施工及監理人員，將監測結果如實告知，同時叫停整個開挖工作，將坑內的變形部位反壓荷載，并準備坑外地面具體對應位置的卸載施工。

5 結 論

本文以橫琴新區國際居住區地下公共車行通道為例，采用了巖土理正及MIDAS/GTS軟件，按照基坑實際的支護情況進行了三維建模，根據實際的開挖工況進行了相應的模擬計算。在對數值模擬結果進行分析，并與實際監測數據進行對比驗證后，為鉆孔灌注樁和內支撐支護體系的可靠性提供了驗算和證明，得出如下結論：

（1）當土體開挖后，土體變形主要是朝開挖后的臨空面方向運動。當開挖深度較小時，土體變形量較小。基坑的不斷開挖導致土體朝著臨空面方向的變形不斷增大，并逐漸呈現出中間變形大，靠近基坑底部變形量最大，這與內支撐結構土體的變形特征是一致的。

（2）土體的最大水平位移約為14.98mm，遠遠小于最大允許值39.52mm，說明支護后的基坑處于一個安全穩定的狀態。

（3）通過對基坑設計中的SMW工法支護和沉井支護進行了設計分析，提出了該工程的技術要求和控制指標，然后結合SMW工法樁施工工藝技術、坑底攪拌樁施工工藝技術、冠梁與支撐施工工藝技術以及沉井支護施工工藝技術，進行了基坑支護設計及關鍵施工工藝分析，并對基坑施工中的監測工藝進行了研究，可對類似工程項目提供一定的借鑒意義。