武漢市某深基坑項目的支護降水方案優選與應用研究

文／劉強 武漢聯投置業有限公司 湖北武漢 430212

引言：

隨著城市化進程的不斷推進，復雜環境下的深基坑工程越來越多，在復雜的環境條件下，對深基坑的支護方案的選擇也相應提出了更高的技術和經濟要求，基坑支護不僅要滿足施工地下結構時的技術可行性和安全性問題，同時要具備一定得經濟性要求。

自20 世紀40 年代國外學者開始研究基坑工程中的土體穩定和荷載大小開始，國內外有大量的學者對深基坑工程開展了一系列的研究，大量的研究主要集中于對深基坑支護的設計、施工、監控等方面的研究，具體主要著重于以下幾個方面：

（1）深基坑支護的設計方面主要針對支護結構的內力進行分析研究，主要是通過對比分析來研究某一種具體支護方案各個參數的確定及其適用性、安全性；

（2）深基坑支護的施工方面主要分析研究深基坑施工的安全技術方案和施工要點；

（3）深基坑支護的監控方面主要分析研究深基坑支護的監控結果及其變形的控制，以及分析深基坑臨近敏感建筑物、地下管線等情況下通過對沉降量等數據的監測分析其對周圍環境的影響；

（4）深基坑支護結構的風險分析。

本文以武漢某深基坑為背景，探索針對具體的水文地質情況，進行深基坑支護方案的確定及實施的系統完整分析，并結合現場監測信息的反饋，評價本文支護方案的有效性，以期為類似工程的支護方案的選擇與實施提供指導。

1.工程概況

本項目擬建建筑物設計概況如表1 所示。

圖1 建筑剖面圖

表1 擬建物結構特征及參數

1.1 場地周邊環境

擬建場區施工區周邊環境如下：場地整平標高-1.800，基坑處自然地面標高-4.100；基坑北側：臨近施工道路施工生活區，根據施工現場布置，支護距離道路最近約0.5m，距生活區最近約13.0m；基坑東側：鄰近某20 層住宅樓，與支護距離最近約8.7m；基坑南側：鄰近兩棟5 層磚混建筑，與支護邊線距離最近約8.1m,其自然地面比場區內地面低約1.0m；基坑西側：鄰近某市政道路及地鐵線路，支護距離道路中線最近約33.1m，距離軌道交通控制線2.05m。

1.2 場地巖土工程地質條件

擬建場區位于長江Ⅲ級階地古河道地段，微地貌單元為沖積平原區。根據勘探成果，結合室內土工試驗成果報告，各土層分布情況分述如下：

（1）雜填土：該層廣泛分布于整個擬建場地，成分以新近堆填建筑生活垃圾為主，結構紊亂，松散，局部混夾少量粘土，工程力學性質差，不能作為基礎持力層。

（2）粘土：主要位于原湖塘地段，少量分布，呈灰黑色，多為軟塑狀態，工程性能較差。

（3）粘土：該層為硬塑狀態的老粘性土，場地均有分布，厚度一般為20m 左右，底部約2～3m 呈褐紅色，并夾少量碎石。該層承載力高、壓縮性低，工程性能良好。

（4）粘質砂性土：該層為古河道地層，以粉細砂為主的混合土，承載力一般、壓縮性中等，有一定厚度，可考慮作為純地下室部分基礎持力層。

（5）含卵礫石粘質砂性土：該層亦為為古河道地層，場地均有分布，厚度較大，主要以可塑狀粘性土、細中砂混少量卵礫石為主，部分鉆孔揭示該層底部夾有石英質滾石。其工程性能相對較好，可考慮作為純地下室部分的樁基礎持力層。

與基坑支護設計相關地層的巖土設計參數如表2 所示。

表2 基坑支護設計參數表

1.3 水文地質條件

場地地下水主要分為三種，一是賦存于雜填土中的上層滯水；二是古河道中含粉細砂、卵礫石土層中的承壓水；三是下部基巖中基巖裂隙水和巖溶水。上層滯水主要由地表水源、大氣降水和生活用水補給，因場區地勢相對處在較低洼地段，上層滯水水量受環境因素影響較大；古河道中含粉細砂、卵礫石土層中的承壓水及基巖中基巖裂隙水和巖溶水均具有承壓性，存在一定補給關系，承壓含水層靜止水位絕對標高15.460m（坑底絕對標高13.100 m～14.300m），其滲透系數為1.35m/d。

1.4 本基坑工程特點

（1）基坑開挖深度較深：開挖深度為整平后自然地面下12.90m～16.40m，基坑深度較深。

（2）基坑周邊環境復雜。基坑貼近四周均貼近既有建筑物，場區內存在既有地下人防，其對支護施工、基坑及環境安全均構成潛在不力影響，環境保護要求高。

（3）基坑周邊存在煤氣管線，基坑西側有一煤氣管線分布，距離支護最近約1.82m，二期基坑進入地鐵影響范圍線，距離軌道交通控制線最近約2.05m，對基坑控制變形要求非常高。

（4）本基坑施工場地狹小，施工場地安排較為困難，需將整個基坑分期設計施工，利用后施工區域作為先施工區域的施工場地，如圖2 所示。

圖2 基坑分區示意圖

（5）場地內土質良好，有利于基坑支護。

2.基坑支護方案選擇

（1）本深基坑工程位于市區，基坑開挖深、周邊環境復雜。必須確保支護結構萬無一失，確保支護結構能夠承受開挖后最大限度的主動區土體和周邊一切動、靜載荷所產生的土壓力。

（2）基坑周邊分布有建筑。這些建（構）筑物均對過大的沉降和差異沉降敏感。因此，支護設計必須嚴格控制支護結構的水平變位，控制地下水治理措施對周邊環境造成的固結沉降或地層損失所引起的地面變形，基坑支護必須保證周邊建（構）筑物的安全。

（3）在滿足安全可靠的前提下，優化支護設計方案，努力做到施工便捷、經濟合理。

結合各方面要求和本基坑特點綜合考慮，本基坑重要性等級為一級，按強樁強撐的原則，采用鉆孔灌注樁+兩道鋼筋混凝土撐的支護方案，內支撐構件主要采用角撐梁、梁邊桁架形成平面支撐桁架，立柱為鋼格構立柱，在各鋼立柱與鋼筋混凝土底板的連接處要設止水鋼板，如圖3 所示：

3.地下水控制

3.1 上層滯水處理

在基坑四周距坡頂1.0m 處修筑一條排水溝，混凝土澆筑，按3%坡率流入集水井中，統一排入市政排水系統；基坑底部內沿坑底四周設置一條排水溝，采用磚砌，并布置一定數量的集水井，以抽排坑內之水。

3.2 下部承壓水處理

取承壓水頭高度18.46m（絕對標高）進行基坑突涌驗算，高出含水層頂板標高8.69m，場地范圍內基坑底至承壓含水層頂板最小距離D 為3.33m，根據《基坑工程技術規程》（DB42/T159-2012）6.2.15 條抗突涌驗算:

因此本項目承壓水處理采用井點降水，降低承壓水水頭。

目前雖然關于土體抗剪強度對抗突涌能力的貢獻的機理尚無定論，然而考慮土體抗剪強度計算所得的抗突涌安全系數都得到大幅度的提高。因此本工程假定突涌破壞體為一個直徑5m 的圓柱體，按如下公式計算抗突涌安全系數：

式中，

帶入各參數計算所得本項目抗突涌安全系數為2.33，系數提高程度十分可觀。有鑒于此，本基坑降水井的布置除滿足規范要求的考慮外，另一個方面也是為防止下部承壓水通過場區的勘察孔、立柱樁或工程樁側壁與土體的間隙等通道涌入基坑而設置的。

3.3 基坑內真空管井設置

真空管井設置：一期還建樓基坑5 口，二期寫字樓基坑4 口，三期連通道基坑2 口；觀測井兼做備用降水井（管井）設置：一期還建樓基坑2 口，二期寫字樓基坑2 口；

濾管設置在④粘質砂性土層中，井深35m，以使承壓水頭降低至可滿足基坑底板的抗突涌穩定性、防止承壓水沿場區既有勘察孔等通道涌入基坑。

擬建場地降水范圍內土層為老粘土（即超固結土），降水后的土體的有效應力小于老粘土的先期固結壓力，降水不會引起地面沉降。

（1）管井設計

深井降水管井為承壓水降水管井，成井直徑600mm，井出水量為30m3/h。井管采用φ300，壁厚大于等于4mm 鋼管，井管底部為沉淀管，長度1.0m。井管外填濾層宜選用磨圓度較好、粒徑均勻的硬質礫砂和礫石，填礫粒徑為6～12 倍含水層土體的平均粒徑。承壓水降水井管的頂部應設置止水封閉層，在填濾層上方5m 高度內要求采用優質粘土球封堵。

（2）排水管網系統設計

深井降水運營期抽排的地下水采用承壓管道沿基坑周邊鋪設集中排水至市政下水道，根據其匯水狀況宜采用直徑為325～425mm 鋼管，管道鋪設向出水口傾斜3‰。

4.主要施工流程

本基坑工程包括鉆孔灌注樁施工、冠梁施工、內支撐梁施工、土方開挖、降水井及觀測井施工等主要施工項目，其施工流程圖如圖4 所示。

圖4 施工流程圖

5.基坑監測

在監測過程中，采用工程測量、工程測試及目測三種手段相結合的方法進行監測，并對相關數據進行綜合分析，排除外界因素和監測系統的偶發性誤差，從而提供精確的、可靠的、科學的監測數據。從基坑邊緣以外1～3 倍基坑開挖深度范圍內需要保護的周邊環境應作為監測對象。

各監測項目的監測頻率根據其施工工況，如表3 所示，并滿足設計要求，當監測數據變化較大或者速率加快，監測值達到或接近報警值、遇不良天氣狀況，存在勘察未發現的不良地層，或出現其他影響基坑及周邊環境安全的異常情況，應適當加密。每次觀測完畢后及時向建設方和監理方口頭通報觀測成果，并及時提交觀測成果報告。分析基坑開挖施工時，邊坡的安全可靠性及對周邊環境的影響程度，及時提出建議、報警和應急措施，現場檢測人員應及時分析各種監測資料，捕捉險情發生前的種種前兆信息，實現險情預報，為信息化施工提供依據。

表3 監測頻率設置

結語：

經過支護結構的可靠設計、合理的降水方案和對現場施工的嚴格監督和控制，將本項目基坑工程的風險降低到最小，保證了項目的順利完成。