高层建筑深基坑支护设计探究

周开永

江西省赣西土木工程勘测设计院

1 工程概况

1.1 项目概况

南昌市某城市棚户区改造安置房建设项目位于南昌市罗家西路以东、南钢铁路专用线以南、罗家中路以西、广州路以北。拟建项目建筑物由八栋高层建筑和一栋商业楼组成，设置一层整体地下室，框剪结构。地下室占地面积约30700m2，基坑周长约1000m，地面整平标高19.5m，基坑承台底标高13.00m，基坑开挖深度为6.5m，基坑安全等级为二级。

1.2 周边环境

根据本项目工程周边地下管线资料，拟建场地东侧及南侧有较多市政给排水、电力以及电信管线等分布，基坑西侧罗家西路道路下埋设各种给排水及雨污水管线，周边管线较多，为避免基坑开挖过程因出现过大变形而对管线造成不良影响，须合理选择基坑开挖支护方案，以有效确保基坑周边管线的安全。

1.3 地质水文

拟建场地位于江西省南昌市青山湖区，根据场地实际地质勘察结果分析，拟建场地地层结构主要分为第四系人工填土（Q4ml）、第四系上更新统冲积层（Q4al、Q3al）及第三系新余群（Exn）组成。按岩性及其工程特性，自上而下依次划分为：①杂填土→②-1粉质黏土→②-2细砂→③淤泥质粉质黏土→④粉质黏土→⑤粗砂→⑥砾砂→⑦圆砾→⑧-1强风化风化泥质粉砂岩→⑧-2中风化泥质粉砂岩组成。③淤泥质粉质黏土呈高压缩性，高含水率、土质软弱等不良地质特点，物理力学性质相对较差，尤其在外荷载下土体强度极易降低，开挖中应尽量避免土体扰动。

场地内地下水主要为松散岩类孔隙水，主要赋存于第四系沙砾层中，②-1粉质黏土、③淤泥质粉质黏土及④层粉质黏土为其相对隔水顶板，下伏基岩为相对隔水层底板。勘察期间属丰水期，实测该层地下水稳定水位高程为9.94m～14.47m，平均稳定水位高程为12.70m，水位年变幅1.5m～3.0m。考虑水位变幅影响，设计地下水位标高取15.00m。基坑支护设计岩土参数建议值如表1所示（表中带“*”为经验值）、

表1 基坑支护设计岩土参数

③④⑤⑥⑦淤泥质粉黏土粉质黏土粗砂砾砂圆砾17.9 18.9 19.5 20.0 20.4 8.4 17.0 0 0 0 6.4 15.2*34*38*42*2E-05*3E-05*2.0E-02*8.6E-02*1.4E-01

2 高层建筑深基坑支护设计

2.1 设计原则

深基坑支护设计，不仅关系基坑开挖、周边环境的安全，而且还直接影响土方开挖、地下结构的成本，其支护类型多种多样，主要分为土钉墙、排桩（灌注桩、搅拌桩、旋喷桩等）、地下连续墙与锚杆组合等，因此，在深基坑支护设计时必须综合考量多方面影响支护稳定性、可行性、经济性等多方面因素，并遵循如下设计原则：（1）深基坑支护结构安全等级为二级，深基坑重要性系数为1.0，地面超载值为20kPa。（2）深基坑支护结构平面布置应结合建筑地下室边墙的外界尺寸，并根据相关规范运行的结构受力、变形情况以及施工误差等予以合理放线施工，同时，还要能够满足建筑地下室对于净空的要求。（3）深基坑支护计算采用同济启明星基坑计算分析软件，施工阶段控制支护结构的最大变形量中，侧向位移不得超过允许的变形值40mm，地表沉降不得超过允许沉降量30mm，周边邻近管线沉陷量控制不得超过10mm。

2.2 方案比选

基坑支护是个系统工程，不仅需要受力合理，同时要方便施工，工期可控，因此，在方案的选取时应综合不同地质条件、水文条件、周边环境等多方面因素予以合理选取。该项目基坑开挖深度不大，周边环境不复杂，但土质较差，地下水位高。如果开挖过程中控制不当，极有可能导致邻近道路、管线失稳，因此，本基坑支护设计的关键点，是采取合理的支护体和止水措施，以保证基坑开挖的快捷安全。

（1）支护形式。根据基坑地质水文条件、周边环境特点，结合类似工程经验，该工程建议采用顺作法、整体开挖施工方案。根据南昌类似工程成功经验，基坑工程的支护结构一般有灌注桩、土钉墙等可供选择，而这两种支护形式又各有优劣（见表2），就本项目而言，其适用性为：①灌注桩施工工艺简单，灌注桩布置形式灵活，造价低，适用基坑开挖深度不大且周边环境比较空旷的场地，本项目基坑符合该条件；②因场地有限不能提供足够的空间放坡，因此土钉墙支护形式对本基坑不适用。

表2 灌注桩支护与土钉墙支护的优劣对比

（2）降水措施。对地下水的处理，一般采取两种思路，一是降低地下水位至基底，二是周边用三轴搅拌桩或高压旋喷桩，形成止水帷幕隔水。考虑到本基坑周边有施工道路及市政道路，降水对道路影响较大，因此采用第二种方式即止水措施。本基坑水头差为2m、基岩埋深较深、周边环境较简单，但存在较厚的砾砂和圆砾层，且粒径较大，三轴搅拌桩下钻会很困难，因此采用桩间插入高压旋喷桩悬挂式帷幕止水。为满足地下室施工干作业，可设置降水井使基坑地下水位降至基底以下0.5m。

结合本工程的地质水文情况、周边环境因素，综合考虑工程施工的可行性、安全性、经济性以及工期的可控性，基坑支护设计拟定方案为灌注桩悬臂支护，结合桩间插缝高压旋喷桩帷幕止水方案。

2.3 方案设计

根据拟建场地工程地质条件及水文条件，以及周边道路及地下管线情况，采用灌注桩悬臂支护，并结合桩间插缝高压旋喷桩帷幕止水。该高层建筑深基坑设计深6.5m，地下室结构外边线与用地红线最小距离为7.5m，红线以外为施工便道，无管线标注。计算土层结构大致为杂填土2.5m、粉质黏土3.8m、淤泥质黏土1.3m、粉质黏土2.7m、粗砂3.4m、砾砂3.2m以及圆砾9.2m。

（1）灌注桩悬臂支护。基坑采用灌注桩桩径1.1m悬臂支护、间距1.3m、桩长20m，桩间Φ700 插缝高压旋喷桩，嵌固深度为14.4m，桩顶冠梁截面为1.2×0.9m。用该设计计算整体稳定安全系数为2.78，抗倾覆稳定安全系数1.86，桩顶位移36.3mm，地面沉降21mm，均能满足规范要求（基坑支护剖面图如图1）。

（2）高压旋喷桩止水。由于本工程周边市政道路较多，若采取降水则势必会造成周边道路发生沉降，因此，考虑采取止水措施，但本项目由于存在较厚的砾砂和圆砾层，故采取桩间插入高压旋喷桩悬挂式帷幕止水，桩径0.7m，桩长20m。

图1 基坑支护剖面示意

3 高层建筑深基坑支护设计方案分析

3.1 基坑开挖对周边环境的影响

通常而言，基坑开挖对周边环境的影响主要包括以下几个方面：（1）因基坑开挖卸载导致周边建筑地基失稳、沉降、开裂等；（2）软弱土层地质段嵌固深度不足致使坑底隆起；（3）由于开挖过程中地下水控制不当导致管涌、水位下降等；（4）基坑开挖施工中，大型设备所导致的噪声扰民或施工中产生的淤泥外排造成的环境污染等。因此，基坑开挖施工前，在深基坑支护设计阶段，务须全面考量基坑周边的环境因素，并通过合理可靠的支护加固及止水方案，确保基坑开挖过程的安全性与稳定性。

由于建筑深基坑开挖施工的复杂性，使得无法完全模拟基坑开挖的实际过程，本项目深基坑支护设计采用同济启明星基坑开挖环境影响分析软件JK3E 做有限元分析，选取最不利的DA段对基坑开挖环境影响分析。分析中土体采用三角形单元，围护结构、邻近基础、工程桩和隧道采用梁单元，内支撑采用弹簧。考虑围护结构、邻近基础、工程桩和隧道与土体共同作用，在管线相应位置建立节点，来间接反映基坑开挖对地下管线的影响，即不考虑管线自身的刚度影响。围护结构与土之间设接触面单元，周边环境影响分析如下表3所示。

表3 深基坑开挖对周边管线的影响

由上表管线1、管线2 的监测及计算结果发现，本项目中基坑开挖周边管线的水平位移及最大沉降均满足施工规范允许的位移与沉降值中10mm 的要求，因此，均满足基坑开挖施工的相关要求。

3.2 基坑开挖的水平变形分布情况

水平变形分布情况（如图2）。

图2 水平变形等值线（范围：-0.4mm～36.6mm，向坑内为正）

表4 计算结果汇总

表4中理论计算结果表明，围护结构侧移最大值为36.6mm，周边地表沉降最大值为24.2mm，临近管线最大沉降为2.0mm，均满足规范及设计要求。基坑开挖对周边环境的影响在可控范围之内，在实际施工中还需加强施工监测，进行信息化施工。

4 结语

通过对深基坑的支护结构予以科学比选、设计，既可确保建筑基础开挖与结构施工的安全，又可有效确保项目的经济收益与社会效益。而对于深基坑的支护设计应从抗倾覆稳定性与桩基嵌入岩深等多方面予以全面考虑，并以保障质量与安全为根本前提，对支护方案予以合理选取，进而确保支护结构安稳无隐患。本项目通过对基坑所在区域的地质水文情况予以全面分析，从适用性与经济性等多方面对灌注桩支护与土钉墙支护两类基坑支护方案以及诸类常用降水方案做比选分析，最终选定采取灌注桩悬臂支护结合桩间插缝高压旋喷桩帷幕止水方案予以实践应用。经专业软件分析与施工实践验证，该方案很好地达成了既定基坑支护、止水目标，确保了基坑结构安稳，保障了项目施工及周边环境安全，对类似项目具备一定借鉴参考价值。