城區復雜地質條件下深基坑支護方案研究

閆尚德，張鑫

（中國水利水電第三工程局有限公司，西安 710000）

1 引言

城市地下空間開發和大量高層建筑建設促使深基坑工程的規模和深度不斷加大，在城市建筑物密集區的深基坑工程也越來越多。深基坑周圍既有建筑物密集，管線道路錯綜復雜，施工場地狹窄是處在城市建筑密集區深基坑工程的顯著特點。如何優化選擇一種既能保證深基坑開挖施工過程中的安全穩定性，又能取得較好經濟效益的深基坑支護結構方案，一直以來都是基坑工程研究的首要問題。同時，在城市中的深基坑工程開挖要求嚴格控制開挖對周圍環境的影響，因此，綜合考慮安全、經濟和環境評價等各方面因素探索深基坑支護優化設計方法，解決深基坑開挖引起的城市環境地質問題無疑具有重要的理論意義和工程實踐價值。

2 工程背景

牛欄江滇池補水出口（瀑布公園）—七水廠—松華壩連通應急供水工程是構建昆明主城區城市供水及生態環境用水的供水保障網水源連通工程。工程位于昆明市盤龍區龍泉街道，引水流量7.3 m3/s，為Ⅲ等中型工程。工程由取水口、輸水管道、提水泵站、提水管道和高位水池等主要建筑物組成。工程從瀑布公園上池取水，通過輸水管道自流至提水泵站進水池，經泵站提水后通過提水管道引水至高位水池，為昆明市七水廠、一水廠及五水廠供水。

結合昆明市盤龍區總體規劃要求，工程提水泵站采用全地下式泵站。提水泵站基礎主要置于圓礫層中，該層厚度較深，局部夾雜有粉質黏土，力學強度指標小，承載力不能滿足需求。同時，由于泵站長期處于振動狀態，可能會導致局部底層液化從而影響泵站穩定性。提水泵站開挖基坑坑壁主要由雜填土層、黏土層、有機質土層及圓礫層組成。泵站開挖基坑坑壁均位于地下水位以下，基坑存在滲（涌）積等不利工程問題。基坑開挖過程中，坑壁地基土層在開挖擾動及滲（涌）積水浸泡下，基坑坑壁土層易于軟化、泥化，易產生片幫垮塌，基坑坑壁穩定性差[1]。

3 基坑支護方案選擇

牛欄江滇池補水出口（瀑布公園）—七水廠—松華壩連通應急供水工程泵站型式為全地下式，泵站基坑開挖深度較深（14.5 m），按JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》[2]，提水泵站基坑支護結構的安全等級為二級。

泵站基坑支護結構選型時，應綜合考慮下列因素：（1）基坑深度；（2）土的性狀及地下水條件；（3）基坑周邊環境對基坑變形的承受能力及支護結構一旦失效可能產生的后果；（4）主體地下結構及其基礎形式、基坑平面尺寸及形狀；（5）支護結構施工工藝的可行性；（6）施工場地條件及施工季節；（7）經濟指標、環保性能和施工工期。

針對基坑開挖深度大于12 m 的深基坑，基坑支護的方式通常有：（1）灌注樁加支撐；（2）SMW 工法(即水泥土攪拌樁、墻）；（3）地下連續墻；（4）逆作法、半逆作法[3]。

地下連續墻施工主要優點是振動小、噪聲低，墻體剛度大，防滲性能好，對周圍地基無擾動，可以組成具有很大承載力的任意多邊形連續墻代替樁基礎、沉井基礎或沉箱基礎。同時，地下連續墻對土層的適應范圍很廣，在軟弱的沖積層、中硬地層、密實的砂礫層以及巖石的地基中都可施工。綜合考慮本工程泵站基坑深度、地質條件及地下水條件、基坑周邊建筑物分布、基坑平面尺寸及形狀（矩形，55 m×27.5 m×14.5 m）、施工工期緊等因素，選用地下連續墻作為本工程提水泵站基坑的支護結構。

根據統計的國內外基坑深度與地下連續墻厚度的關系如圖1 所示。

由圖1 可以看出：地下連續墻厚度取值一般取0.5 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.5 m。調研樣本中使用地下連續墻圍護的基坑共38 個。其中，厚度為0.8 m 的地下連續墻應用最多，為22個。厚度為0.5 m 的和1.5 m 的地下連續墻應用最少，均為2 個。厚度1.0 m 的和1.2 m 的地下連續墻應用較少，均為6 個。采用地下連續墻作為圍護結構的基坑，深度分布范圍為12.8～49.8 m。當基坑深度為12.8～30 m 時，地下連續墻的厚度普遍0.8 m，少量采用了0.5 m 和1 m 的厚度；當基坑深度大于30 m時，地下連續墻厚度均在1.0 m 以上，當基坑深度超過40 m時，地下連續墻體厚度可達1.5 m。綜上所述，類比類似工程，本工程提水泵站基坑地下連續墻厚度選擇0.8 m。

圖1 基坑深度與地下連續墻厚度關系

4 基坑支護方案設計

4.1 支護結構設計

泵站地下連續墻沿泵站墻體外圍布置，地下連續墻厚0.8 m，其中主泵房部分69.5 m 范圍內地下連續墻嵌固深度18 m，電氣副廠房部分21.59 m 范圍內地下連續墻嵌固深度12 m。地下連續墻共分40 幅，采用C35 混凝土（抗滲等級W8），地下連續墻開挖之前設導墻，導墻采用C25 混凝土，連續墻頂部設2.3 m×1.5 m 的C35 鋼筋混凝土冠梁。冠梁頂部高程為EL.1 910.30 m，底部高程為EL.1 908.00 m，冠梁底部與地下連續墻頂部齊平。

地下連續墻共設置3 道水平支撐，布置高程自上而下為1 908.90 m、1 904.00 m 及1 900.00 m，其中第一道支撐采用1 800 mm×1 000 mm（主泵房部分）及1 500 mm×800 mm（電氣副廠房部分）的C35 鋼筋混凝土支撐，第一道鋼筋混凝土支撐與泵站主體結構的撐梁采用“永臨結合”的方式布置。第二道支撐采用直徑609 mm，壁厚16 mm 的鋼支撐，其中主泵房部分布置13 根直撐，6 根斜撐，電氣副廠房部分布置2 根直撐，4 根斜撐，鋼支撐與地下連續墻之間采用雙拼Ⅰ45c 的鋼圍檁連接。第三道支撐采用直徑609 mm，壁厚16 mm 的鋼支撐，全部布置于主泵房范圍內，共布置13 根直撐，7 根斜撐。在第一道鋼筋混凝土支撐豎撐與橫撐的交點處設置格構柱，格構柱采用4L160 mm×16 mm 角鋼焊接，尺寸為460 mm×460 mm，共布置21 根。為滿足泵站主體結構沉降要求，泵站基礎設置φ800 mm 的混凝土灌注樁，共布置73 根。

4.2 支護結構計算

4.2.1 計算說明

基坑穩定數值模擬計算過程為邊挖邊撐，挖至基坑底部時澆筑主體混凝土，拆撐之前在主體結構上面換撐之后再拆撐，計算開挖及主體結構澆筑過程中連續墻及支撐結構穩定。

4.2.2 計算原則

1） 圍護結構的安全等級為二級，基坑側壁重要性系數γ0=1.10；變形控制標準如下：地面最大沉降量≤0.2%H（H 為基坑深度）；支護結構最大水平位移≤0.3%H[4，5]。

2）圍護結構應滿足基坑穩定要求，不產生傾覆、滑移和局部失穩，基坑底部不產生管涌、隆起，支撐體系不失穩。圍護結構構件不發生強度破壞。圍護體系應保證周邊建（構）筑物、城市道路、地下各類管網不致位移、應力過大而損壞，必須保證其安全。

3）基坑開挖及內部結構施工全過程必須保證基坑安全和正常使用。

4.2.3 計算參數

1）土層參數：泵站基礎范圍內土層計算參數如表1 所示。

表1 土層計算參數

2）基坑周邊荷載：地面超載取：20 kPa。

3） 基坑圍護結構主要材料：混凝土及導墻：C25；冠梁：C35；地下連續墻及內襯結構：C35（抗滲等級W8）；鋼筋：受力鋼筋及分布鋼筋均采用HRB400， 箍筋及拉筋均采用HPB300。

4.2.4 1-1 剖面（電氣副廠房部分）計算結果

1）1-1 剖面（電氣副廠房部分）計算工況見表2。

表2 1- 1 剖面（電氣副廠房部分）計算工況

2）整體穩定計算：整體穩定安全系數Ks=1.975＞1.30,滿足規范要求。

3）抗隆起驗算：Ks=2.906≥1.900，坑底抗隆起穩定性滿足。

4）流土穩定驗算：安全系數K=3.418≥1.50，滿足規范要求。

5）嵌固深度構造驗算：根據公式:嵌固構造深度= 嵌固構造深度系數×基坑深度=0.3×11=2.7 m；嵌固深度采用值12 m≥3.300 m，滿足構造要求。

6）地表沉降：地表最大沉降量20 mm＜0.2%H=22 mm，滿足變形控制標準要求。

7）結論：電氣副廠房部分基坑開挖及主體結構澆筑過程中地下連續墻及支撐結構均滿足規范要求。

4.2.5 2-2 剖面（電氣副廠房部分）計算結果

（1）2-2 剖面（主泵房部分）計算工況見表3。

表3 2- 2 剖面（主泵房部分）計算工況

2）整體穩定計算：整體穩定安全系數Ks=1.975＞1.30，滿足規范要求。

3）抗隆起驗算：支護底部抗隆起安全值：Ks=8.593≥1.600，抗隆起穩定性滿足；坑底抗隆起安全值：Ks=2.817≥1.900，坑底抗隆起穩定性滿足。

4）流土穩定驗算：K=3.381≥1.50，滿足規范要求。

5）嵌固深度構造驗算。根據公式：嵌固構造深度= 嵌固構造深度系數×基坑深度=0.2×14.5=2.9 m，嵌固深度采用18 m≥2.9 m，滿足構造要求。

6）地表沉降：地表最大沉降量26 mm＜0.2%H=31.4 mm，滿足變形控制標準要求。

7）結論：主泵房部分基坑開挖及主體結構澆筑過程中地下連續墻及支撐結構均滿足規范要求。

5 現場監測數據分析

本工程泵站基坑施工過程中，共布置如下監測點：（1）地表沉降監測點17 個；（2）冠梁豎向位移監測點19 個；（3）冠梁水平位移點16 個；（4） 地下水位孔2 個。本工程泵站基坑施工從2019 年12 月初開始，至2020 年5 月中旬結束，現把2020 年03 月31 日至2020 年05 月3 日時段內的監測數據進行分析，監測成果表如表4 所示，測點數據曲線圖如圖2~ 圖5 所示[6]。

圖2 地表沉降曲線圖

圖5 地下水位曲線圖

表4 監測成果表

該時段內共進行了31 次監測，其中地表沉降累計變化量值9.7 mm，冠梁豎向位移累計變化量值-4.1 mm，冠梁水平位移累計變化量值-4.9 mm，地下水位累計變化量值4.6 mm，各測項監測數據變化量和累積量較小，均遠小于累計控制指標±30 mm 的預警值，監測數據無異常。

圖3 冠梁豎向位移曲線圖

圖4 冠梁水平位移曲線圖

6 結語

本文結合牛欄江滇池補水出口（瀑布公園）—七水廠—松華壩連通應急工程提水泵站基坑工程，詳細研究了以下幾個方面的內容：（1）綜合對比各種基坑支護方案的優缺點及收集國內外基坑工程的相關資料，結合本基坑工程位置及地質條件，合理選擇了適用于本工程深基坑的支護方案；（2）對深基坑支護方案進行了詳細的設計，通過數值模擬手段論證了支護方案的合理性及安全性；（3）實時收集現場監測數據，通過對監測數據的分析，進一步論證了基坑支護方案的可靠性。上述研究成果可為為類似基坑工程設計提供參考。