复杂环境下深基坑刚柔支护体系应用探讨

2019-06-14黄清祥陈云彬

福建建筑 2019年5期

黄清祥陈云彬

(中国京冶工程技术有限公司厦门分公司福建厦门 361009)

0 引言

随着社会经济发展，对城市地下空间的开发越来越多。在复杂环境条件下地下空间的开发，其基坑支护形式需要考虑工程地质、水文地质、基坑周边环境、开挖深度以及面积等条件[1-2]。采用桩+内支撑这种支护刚度较大的支护体系和采用桩+锚索这种支护刚度相对较柔的支护体系[3]，在工程实践中都有广泛应用。

本文以厦门某深基坑项目为背景，探讨在地形起伏较大、基坑周边存在以天然地基为基础的民宅、支护空间狭小、深厚残积砂质粘性土层中如何合理地选择基坑支护类型，以期为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

1.1 项目概况

厦门某基坑项目，建设用地面积8961.39m2，建筑面积39 291.74m2。其中，地上拟建1#～4#楼为2～17层，高度9.45m～53.85m，地下拟建3层地下室。基坑开挖面积约7553m2，基坑周长约380m，开挖深度约12.9m～18.3m。建筑基础形式采用预应力管桩和抗浮锚杆。基坑总平面布置如图1所示。

图1 基坑总平面图

1.2 周边环境

拟建地下室四周边线5m为红线，其中，北侧红线外1m～2m为已建1～3层民宅(采用天然地基，无地下室，基础埋深约1.5m，下同)；东侧红线外为已建宽约24m的巷南路；东南角红线外约1m为已建2层民宅；西南侧红线外为已建宽约12m的民安路，紧临民安路有3～5层的民宅；西侧红线外为已建宽约4m的马巷街，外侧为教堂及民宅。

1.3 场地地质、水文条件

场地原始地貌属坡残积台地地貌单元，为旧房拆除地块，地势总体呈南高北低状，最大高差约4.34m。

基坑开挖深度影响范围内场地土层自上而下主要分布有：①杂填土、②粉质粘土、③残积砂质粘性土、④全风化花岗岩、⑤强风化花岗岩。岩土层的主要设计参数如表1所示。

表1 岩土层的主要设计参数

场地地下水主要为赋存并运移于③残积砂质粘性土、④全风化花岗岩、⑤强风化花岗岩的孔隙～网状裂隙中的弱承压水，局部地段水位处于③层之内为潜水。其中，①杂填土层渗透性与填料成分及密实度相关，总体属强透水层，其层内无地下水；②粉质粘土属微透水含水层，属相对隔水层；③～⑤层呈渐变关系，渗透性具有自上向下增强的趋势，但总体均属弱透水含水层，水量不大。

2 基坑围护结构设计

该工程建筑±0.000=35.10m，场地现状黄海标高约33.60m～39.00m，基坑计算底标高约19.4m/20.7m(黄海)，开挖深度约12.9m～18.3m。基坑的主要特点：①基坑开挖深度大；②基坑周边环境复杂，且对变形要求严格，可利用的支护空间很小；③基坑形状不规则；④现场场地标高起伏较大，呈南高北低状。

2.1 基坑围护结构选型讨论

由于基坑支护深度大，支护空间有限，且基坑潜在滑动面内有重要建筑物(如教堂等)，采用放坡、土钉墙和复合土钉墙支护形式，基坑的变形、稳定性和周边构(建)筑物的变形控制均不能满足工程要求。悬臂桩、双排桩支护对基坑以及周边构(建)筑物变形控制和场地条件均不能满足工程要求。

该基坑的主要选型方案有桩+内支撑；桩+锚索；桩+内支撑+锚索的组合形式。

(1)由于基坑形状不规则且现场场地标高起伏较大，若全场地采用内支撑布置，在平面和竖向方向上都难以协调，且对后期土方开挖造成不利影响，施工工期变长。

(2)由于基坑西北角、南侧阳角处民宅紧贴用地红线，且采用浅基础形式，若全场地采用桩+锚索支护形式，如图2所示。锚索注浆施工对民宅基础产生不利影响；基坑南侧阳角处，锚索施工会互相干扰，施工不便。

图2 桩+锚索支护平面图

(3)采用桩+内支撑+锚索的刚柔组合体系形式，有两种形式，一种是平面布置上的刚柔体系；另一种是竖向布置上的刚柔体系。

对该工程而言，基坑西北角和南侧阳角处民宅紧贴用地红线，若采用全锚索形式，会影响周边构建筑物天然基础，且基坑阳角处锚索施工会相互干扰。若考虑全场地内支撑布置，由于场地地形南高北低高差大，难以统一协调，且主楼在基坑中间位置，全内支撑布置很难避开主楼，影响基坑整体土方开挖及主楼管桩施工，增加施工工期和造价。

基于以上考虑，该工程采用平面布置上的刚柔组合体系，平面布置如图3所示，A-A/B-B剖面为互相独立的内支撑角撑，C-C剖面为锚索，解决了基坑周边存在构建筑物天然基础、基坑阳角等问题，较好地协调场地高低差，大面积避开主楼位置，方便基坑和管桩施工，减少施工工期和造价，如图4～图5所示。

图3 桩+内支撑+锚索支护平面图

图4 B-B剖面图

图5 C-C剖面图

据我司已施工的厦门裕景中心基坑工程，采用了竖向布置上的刚柔体系，该工程基坑开挖深度18m～22m，第一、二道设置内支撑，以下几道支护设置锚索的形式，如图6所示。上部两道采用内支撑，一是为了避免锚索注浆施工对紧临基坑周边天然地基构建筑物及相邻海域护岸的影响；二是遇到基坑上部为软弱土层，浅层锚索抗拔力不足的问题[4]；三是该工程基坑岩面起伏较大，局部桩底埋深不够，甚至存在吊脚桩的情况，内支撑在竖向一个标高位置上又很难布置的情况下，采用锚索形式代替能较好地解决桩的踢脚问题。

综上，基坑围护结构选型应根据场地条件、地质条件等因素综合考虑。

2.2 基坑局部阴角位置刚柔支护形式比较

当基坑存在局部阴角，角度大小是锐角、直角，或者比较小的钝角，且基坑开挖深度较大时，其平面布置可选择桩+角撑、桩+锚索。现取图3基坑东北角(阴角直角部位)，其刚、柔支护形式如图7～图10所示。

图7 桩+角撑平面图图8 桩+锚索平面图

图9 桩+角撑剖面图

分别对以上两种刚、柔支护形式进行单元计算，结果如图11～图12以及表2～表3所示。

图11 桩+角撑支护单元计算结果

图12 桩+锚索支护单元计算结果

支护形式桩变形最大值S/mm桩弯矩最大值M/kN·m支撑轴力标准Nk/kN桩+撑10.37619.18第一道:785.57kN第二道:2431.16kN

桩+角撑(刚性)支护形式沿基坑每延米的支护造价约1.74万元(含立柱桩)。

表3 桩+锚索支护形式计算结果表

桩+锚索(柔性)支护形式沿基坑每延米的支护造价约2.12万元(锚索间距1.5 m)。

由以上图表及计算结果可知，在局部区域内，采用桩+角撑和桩+锚索二者的形式支护，从受力和变形上看均能满足工程要求；在局部范围内由于支撑的跨度不大，需要设置的立柱数量不多，对施工空间影响有限。经对比计算，采用桩+角撑的支护方式比桩+锚索的支护方式经济性更好。

2.3 地下水控制

根据地勘资料，该工程基坑开挖深度影响范围，主要是残积砂质粘性土层，渗透系数K=6.0×10-5cm/s。经降水沉降计算(采用变形模量)分析，降水引起的地面及建筑物的沉降满足规范要求，因此，基坑周边未设置止水帷幕，只在基坑内部设置21口疏干井，其余坡顶和坑内的积水采用集水明排的方式处理。在勘察期间基坑稳定水位埋深3.25m～5.50m，土方开挖至设计标高后，据基坑监测数据显示，水位降深5.3m～9.7m，坡顶的水平位移和竖向沉降约25mm～28mm，而相邻建筑物的沉降量0～10mm，说明该基坑工程不设止水帷幕是可行的，经济效益显著。在现场施工过程中也发现，残积砂质粘性土遇水容易软化，在未设置止水帷幕情况下，基坑土方开挖后若桩间土支护措施未及时施工，容易造成桩间流泥，可能引发工程安全隐患。

根据以上工程实践，在类似工程中基坑周边可以不设置止水帷幕措施，但应及时在施工桩间土挂网喷砼支护，不可暴露很长时间，以避免造成工程安全隐患。

3 监测情况分析

基坑工程按“动态设计、信息化施工”原则。该工程的基坑监测内容包括：坡顶水平和竖直位移、锚索应力、桩身应力、地下水位、土体深层水平位移以及周边构(建)筑物的变形。基坑监测点的平面布置如图13所示。

图13 基坑监测点的平面图

该次监测从2018年3月16日开始(基坑开挖前)，目前基坑已开挖到底，坑底垫层已全部封闭，抗浮锚杆、局部承台已施工完成，各监测变形数据基本趋于稳定。基坑坡顶水平位移较大的地方在4～8号点，变化范围25mm～28mm；竖直沉降较大的地方在4～8号点，变化范围25mm～27mm；立柱沉降最大点是LZ2=8mm；周边建构筑物沉降值最大点是ZJ28=10mm；锚索内力较大的是MS2和MS3，内力变化累计值分别为188.5kN、181.4kN；水位变化约5.3m～9.7m。土体深层测斜位点CX1、CX6～CX8最大位移的位置在地面以下7.5m～9.0m范围，最大位移为10.72mm～13.12mm；而测斜位点CX3～CX5的位移最大的位置在地面以下10.0m～11.0m范围，最大位移为20.25mm～38.65mm。

通过现场监测数据可以看出，基坑及周边民宅的变形均未达到设计预警值，基坑工程处于稳定状态，说明该工程采用平面布置上的刚柔支护体系应用是可行的。

将图3局部角撑位置处土体深层位移监测点CX1和CX8的监测数据与理正深基坑7.0软件单元计算结果进行比较，如图14所示。

通过以上监测数据及计算结果比较可知，二者的变形随深度变化曲线的规律较一致；最大值位置不一样，但最大值大小接近，说明在类似工程中采用理正深基坑7.0软件单元计算结果分析是适用的。