软土地区紧邻既有建筑物地库深大基坑支护设计与分析

2020-04-22尤波

岩土工程技术 2020年2期

尤波

(上海地矿工程勘察有限公司，上海 200072)

0 引言

上海属于长三角地区典型的软土分布区。上海地区软土主要为③层淤泥质粉质黏土和④层淤泥质黏土。淤泥质黏土具有高含水率、高压缩性、高流变性、低抗剪强度等特性[1-2]。软土地区基坑变形控制难度大，基坑开挖对周边环境影响较大[3-4]。随着长三角地区城市群的快速发展，临近建筑物的基坑越来越多，本文以上海某深基坑工程为案例，介绍了临近既有建筑地库深大基坑的实施过程，对基坑工程的设计及施工重点、难点及实施效果进行研究分析，具有重要的参考价值。

1 项目概况

1.1 基坑情况

项目位于上海市嘉定区，基坑总面积约为7200 m2，总延长米约为370 m，基坑呈规则矩形。基坑普遍开挖深度为10 m，局部深坑区域挖深达13.2 m。根据上海市《基坑工程技术标准》(DG/TJ 08—61—2018)，基坑安全和环境保护等级均为二级。

1.2 环境情况

本工程位于城市核心区，两边临已建市政道路，两边紧靠小区内部建筑物，场地施工空间狭小。

基坑西侧和北侧分别为已建市政道路永盛路和宝塔路，西侧基坑边线距离道路边线约20 m。西侧市政道路上主要分布有天然气管、给水管、电力管、雨水管等，天然气管和电力管距离基坑约12～14 m，电力管、雨水管距离基坑约24～26.6 m。北侧基坑边线距离道路边线约6 m。北侧分布有电力管、燃气管，其中电力管距离北侧基坑约7.1 m，燃气管距离基坑约10.52 m。

基坑东侧为已建成的二期住宅楼，基坑边线距离二期住宅地库约26.5 m。南侧为已建成的三期住宅楼，基坑距离南侧住宅地库约3.5 m。二期和三期住宅地库基坑挖深分别为8.0 m和7.2 m。基坑与周边环境关系见图1。

图1 环境总图

1.3 水文地质概况

拟建场地地基属第四纪松散沉积物。地基土主要由粉质黏土、淤泥质粉质黏土和粉砂等组成。

工程场地浅层地下水主要为孔隙潜水，场地内静止地下水埋深0.8～1.2 m。本场区赋存于⑦层、⑧2-3层及第⑨层地基土中的地下水属承压水，对本工程有影响的承压水为第⑦层中承压水，经验算，基坑开挖至普遍区域及集水井区域抗承压水稳定性均不满足要求，承压水会发生突涌，基坑开挖时需采取降压封底等措施进行处理。

拟建场地北部有暗浜分布，暗浜呈北东—南西向斜穿场地，暗浜宽约14～17 m，浜底深3.5～3.7 m，暗浜分布处缺失②层地基土；拟建场地内杂填土层普遍稍偏厚，层厚在1.2～2.8 m。场地内暗浜及厚填土均属于不良地质条件。

场地土层主要物理力学性质参数见表1。

表1 土层主要物理力学性质参数表

2 基坑重难点分析

(1)地基土：本基坑地基土属于上海地区典型软土区。软土层为灰色淤泥质黏土，厚度约7.0 m。软土层位于基坑开挖面，基坑施工及土方开挖难度大。

(2)地下水：本基坑⑦层承压水对基坑影响较大，经验算，基坑开挖至基底、承台底及集水坑底时，均不满足抗突涌稳定要求，需采取止水帷幕隔断承压水措施处理。考虑到⑧1-1层灰色粉质黏土夹砂质粉土土层透水性较大，并没有达到隔断的效果，故需要配合坑底集水井封底加固，结合减压井控制基坑内承压水。本工程基坑面积较大，最大挖深达13.2 m，土层渗水性好，基坑渗水风险较高，基坑止水帷幕及降水施工应严格把控，保证施工质量和效果。

(3)不良地质：拟建场地北部有暗浜分布，拟建场地内杂填土层普遍稍偏厚，厚填土及暗浜对围护结构施工的质量影响较大，施工前应对暗浜等不良地质进行换填处理。

(4)环境保护：基坑西侧和北侧为已建市政道路，市政道路上分布有大量市政管线，其中中压和高压天燃气管距离基坑约10～12 m，在一倍坑深处。西侧给水管距离基坑约13.8 m。基坑东侧和南侧为已建成二期和三期地库及高层住宅，其中东侧二期地库距离东侧基坑边线约26.5 m，二期地库挖深约8 m。基坑南侧为已建成的三期地库及高层住宅，三期地库边线距离南侧基坑边线约3.2 m，三期基坑挖深约7.2 m。基坑周边管线，尤其给水管和燃气管保护要求较高。西侧和南侧已建地库及住宅，尤其三期地库和高层距离基坑非常近，保护要求高。

(5)施工空间：本工程基坑场地空间狭小，基坑南侧紧临三期已建建筑，最近距离仅3 m左右，西侧和北侧为场地围墙，基坑距离西侧和北侧围墙较近，分别为2 m和4 m。基坑东侧为已建二期建筑，二期和本基坑中间为场地公用道路，基坑距离公用道路约8 m。基本没有施工堆场及搭建临设空间，施工空间非常狭小。围护设计需考虑设置栈桥，栈桥除保证基坑土方开挖的便利性外，还要兼顾施工材料堆场、汽车转运等功能，且场地仅有北侧一个车辆出入口。

(6)土方工程：本工程基坑面积较大，相应土方量也较大，约73000万方。基坑场地空间狭小，且仅有一个场地出入口，土方车在场地内部难以形成环路，只能借助栈桥形成环路。考虑到栈桥需兼顾土方及堆场需要，栈桥面积占比较大，栈桥下土方的掏挖施工难度也较大。

3 方案设计

3.1 方案选型

本工程属于深大基坑工程。周边管线及已建建筑需重点保护。在控制基坑本身变形的同时，需降低基坑开挖对周边管线及建筑物的影响。

综上因素，结合本工程实际情况，基坑考虑选择围护桩结合内支撑的板式支护体系进行支护。根据本工程基坑挖深以及该地区基坑设计、施工经验，综合经济性、环保性因素，围护结构采用SMW工法桩形式，其中三轴搅拌桩作为止水帷幕，内插型钢作为受力构件[5-6]。

考虑到基坑项目属于上海地区，基坑挖深超过8 m，必须设置两道支撑，且第一道支撑需为混凝土支撑，故本工程基坑支撑体系采用两道钢筋混凝土支撑。

钢筋混凝土支撑布置形式分为圆环撑和角对撑结合边桁架两种形式。两种形式的支撑平面布置见图2。

图2 圆环撑和角对撑布置示意图

采用启明星BSC4.1软件进行支撑平面整体计算。由计算结果对比可知：第一道支撑变形，其中圆环撑布置形式支撑杆件最大变形为11.7 mm，最大变形部位在上部圆环的左侧中间部位，角对撑布置形式支撑最大变形为7.5 mm，最大变形部位在左下侧角撑位置。角对撑形式支撑变形比圆环撑形式减小约35%。

根据以上计算对比可知，角对撑布置形式受力简单明确，基坑变形控制比圆环撑效果好，支撑施工难度相对圆环撑小，且角对撑形式布置栈桥能兼顾材料堆载等因素，故本基坑考虑采用角对撑结合边桁架的形式。

3.2 围护体系

围护体系采用φ850@600三轴水泥土搅拌桩内插H700×300×13×24型钢。普遍侧型钢采用“插二跳一”的布置形式，机械车库区域采用“密插”的布置形式，型钢有效长度20 m。基坑典型剖面见图3。

3.3 支撑体系

本工程基坑采用钢筋混凝土支撑，支撑布置采用角、对撑结合边桁架的形式。由于本工程拟建场地只有北侧一个出入口，周边无环通道路，考虑到工期因素，为本工程基坑开挖、材料堆场、转运等创造条件，将第一道支撑两跨对撑位置作为栈桥，两跨对撑与边桁架连通形成环路，既满足基坑土方车回转，也能兼顾施工过程建材堆放的平台，缓解施工场地紧张的问题。支撑、栈桥布置见图4。支撑截面信息见表2。

表2 支撑信息表 mm

3.4 支护结构计算

根据本工程基坑剖面及支撑布置，采用同济启明星软件计算，普遍侧围护桩最大水平位移约为27.7 mm，计算结果见图5。

3.5 基坑降水

本工程基坑采用真空疏干井进行降水，根据经验，上海地区以淤泥质黏土、粉质黏土为主的潜水含水层中，真空疏干管井单井有效疏干面积取250 m2。基坑总面积约7200 m2，基坑内实际布置真空管井33口即可满足要求。

图3 基坑典型剖面示意图(单位：m、mm)

图4 支撑、栈桥布置图

图5 普遍侧围护结构剖面计算结果

基坑内承压水不满足抗突涌稳定性要求，采取加长止水帷幕的形式隔断⑦层承压水，但本场区⑧1-1层渗透性均比较大，止水帷幕仅能隔断承压含水层，无法隔断承压水层下方渗透性较大的⑧1-1层，可以认为相对隔断[7]。故基坑需要采取减压措施，减压井采取“按需减压”的原则，按照基坑开挖工况，动态控制承压水水头标高，综合考虑在基坑内部设置8口降压井，并对基坑内落深坑采取高压旋喷桩加固封底。

4 土方开挖

根据时空效应原理，本工程基坑开挖按照“分层、分块、对称、平衡、限时”的原则[8]，对基坑进行分区开挖。第二、三皮土方分区开挖图见图6、图7。第二皮土方与第二道支撑形成工况见图8。

(1)基坑平面分区

基坑第二皮土方按照指定的分区线分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区，基坑第二皮土方开挖过程中，基坑内土方按照指定开挖分界线进行分区、分段、盆式开挖。具体土方开挖顺序如下：Ⅱ、Ⅲ区→Ⅰ、Ⅳ区。即首先开挖Ⅱ、Ⅲ区土体至第二道支撑底标高，及时形成两区范围内对撑，待支撑形成并达到设计强度后，方可开挖Ⅰ、Ⅳ区土方，并及时形式两区范围内角、对撑。第二皮土方开挖剖面示意图见图9。

图6 第二皮土方分区图

图7 第三皮土方分区图

图8 第二皮土方与第二道支撑形成工况图

基坑第三皮土方按照后浇带进行分区，分为A、B、C、D区共四区，基坑第三皮土方开挖过程中，按照由南向北的顺序退挖，开挖顺序：D区→C区→B区→A区，最后从北侧出口收尾。每开挖一个区块应及时浇筑该区块垫层并绑扎底板钢筋，待垫层、底板浇筑完成后，方可开挖下一区块土方。第三皮土方开挖剖面示意图见图10。

图9 第二皮土方开挖剖面示意图(单位：m、mm)

图10 第三皮土方开挖剖面示意图(单位：m、mm)

(2)基坑竖向分层

基坑竖向首先卸掉首层土，即第一皮土方开挖至第一道支撑底标高，挖方厚度约为1.5 m，挖方标高为-2.500 m。基坑竖向第二皮土方开挖至第二道支撑底标高，挖方厚度约5.3 m，土方量共计约为38160方。第二皮土方分两层开挖，第一层厚度为2.5 m，第二层土方厚度约为2.8 m，分层开挖采用放坡的形式，一、二层土方坡比均为1∶2.0，设置5.0 m的卸土平台。基坑竖向第三皮土方开挖至基底标高，挖方厚度约3.05 m，土方量共计约为22000方。第三皮土方分两层开挖，第一层厚度为2.75 m，基底以上300 mm采用人工清除。分层开挖采用放坡的形式，坡比均为1∶2.0，设置5.0 m的卸土平台。第三皮土方采取分区退挖的形式，开挖一个区块应及时浇筑该区块垫层并绑扎底板钢筋，待垫层、底板浇筑完成后，方可退挖下一区块土方。

5 有限元分析

5.1 分析模型

本工程基坑重点保护对象为西侧燃气管和供水管、北侧燃气管、东侧和南侧已建二期和三期建筑。本次主要针对距离基坑较近的西侧燃气管、给水管和南侧三期地库进行模拟分析。主要采用PLAXIS有限元软件对保护对象在基坑开挖阶段进行模拟分析[9]。

5.2 模拟结果

(1)南侧三期地库

主要针对南侧三期地库进行模拟分析。由于南侧三期地库跨度较大，考虑按照最不利原则，模型中三期地库截取30 m宽度进行模拟。南侧三期地库典型剖面见图11。

图11 南侧三期地库剖面示意图(单位：m、mm)

南侧地库埋深约7.2 m，三期地库距离南侧基坑边线约为3.2 m。基坑整体变形、围护桩变形和地库变形模拟结果分别见图12—图14。

图12 开挖至基底时基坑变形云图

图13 围护桩变形29.49 mm

图14 三期地库变形18.22 mm

(2)西侧管线

西侧燃气管和供水管埋深约1.6 m和1.4 m，燃气管和供水管距离西侧基坑边线分别约为12 m和14 m。基坑开挖至基底时，燃气管和供水管变形模拟结果：燃气管沉降及倾斜变形约8.56 mm，供水管沉降及倾斜变形约为7.57 mm。

5.3 模拟结果分析

根据模拟结果，基坑开挖至基底时，围护桩变形约27～30 mm，与理论计算基本吻合。按照不利原则，南侧三期地库在六期基坑开挖过程中，地库结构向基坑侧斜下方产生18.22 mm的位移，其中产生的向基坑水平位移约20 mm，产生向下沉降位移约10 mm，考虑到实际三期地库在南北向跨度约120 m，但实际建模只取30 m宽，故模拟结果可不考虑其水平位移，竖向沉降位移10 mm可供参考。说明基坑开挖对南侧三期地库有一定的影响，但位移均在设计控制范围内。西侧燃气管和给水管变形分别约为8.46 mm和7.57 mm，均在可控范围之内。

6 监测数据分析

本工程基坑监测自2017年7月16日测定初始值，至2018年7月2日基本施工至±0.00，历时约12个月，监测总次数为200次。

根据现场监测结果显示，基坑开挖至基底时，围护桩侧向变形为10.8～29.4 mm，最大值基本位于坑底部位，施工至地库顶板完成时，围护桩拆撑后侧向最终变形26.5～39.9 mm，最大值基本在拆撑后的桩顶位置。最大值位于基坑北侧和东侧，比理论计算稍微偏大，该侧基坑北侧为场地出口市政道路，东侧为二期、三期和六期公共道路，材料及土方运输车频繁通行的动荷载引起该侧围护桩侧斜偏大，但均在可控范围内。

基坑边电力管布置13个沉降监测点，各测点累计变化-7.27～-9.67 mm，燃气管设置12个沉降监测点，各测点累计变化-5.98～-10.03 mm，上水管布置8个沉降监测点，各测点累计变化-6.64～-10.11 mm，雨水管布置8个沉降监测点，各测点累计变化-5.76～-8.82 mm。基坑施工期间，各管线均产生了一定的沉降，实际监测结果与数值模拟基本吻合，均在可控范围内，不影响其正常使用。

基坑周边建筑物沉降监测共布置20个点，其中东侧二期地库设置7个监测点，三期地库及高层设置13个监测点，基坑施工期间，二期和三期地库均产生了约11 mm的沉降变形。实际监测与数值模拟基本吻合。

基坑周边共布置20个监测点，基坑施工期间，周边地表沉降约为-5.28～-11.24 mm。基坑坑外共布置8个潜水位监测孔，基坑施工期间，潜水水位累计变化750～850 mm，均在控制范围内。

总体而言，基坑围护结构和周边管线等实际监测结果均与软件计算结果、有限元模拟结果基本吻合。基坑施工历时一年期间，基坑变形控制较为理想，说明该围护方案合理可行，实施效果较好。