深基坑坑中坑开挖支护案例分析——以合肥某污水处理厂为例①

裴宝家, 孟 源, 罗 睿

(1. 安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230601；2.中铁四局集团有限公司第一分公司，安徽 合肥 230000)

0 引 言

随着经济的发展，城市的规模越来越大，更多的深基坑工程不断出现。坑中坑是深基坑的重中之重，坑中坑的开挖与支护技术相对于普通深基坑的开挖其情况更为复杂。目前国内学者对于坑中坑的研究相对较少，其中包小华从风险理念出发，运用模糊评判法研究了深基坑安全性的主要影响因素，对深基坑的安全风险进行评估[1]。戴锦程等人利用有限元数值模拟的方法对坑中坑内外坑的桩撑支护和桩锚支护进行了模拟分析和理论计算验证其支护方案的合理性[2]。袁钎 陈畅分别从施工和设计的角度介绍坑中坑的降水方式和支护方案[3～4]。结合前人的研究，从合肥市蜀山区新城污水处理厂的坑中坑案例着手，从设计、施工和基坑监测的角度分析坑中坑的各项受力性能，开挖和支护过程，变形特点。

1 工程概况

1.1 概 述

基坑共分八个工作区，长约270m,宽204m,开挖面积约55080m2，场地周边标高按30.50m～37.50m考虑，基底标高为12.10m～29.20m，基坑普遍挖深1.80m～18.90m。进水泵房位于八区，基低标高为12.10m,为坑中坑支护结构，安全等级为一级，其余部位为二级。基坑现场布置情况见图1。

图1 基坑现场分区图

1.2 工程地质及水文地质条件

1.2.1 工程地质

区域地层岩性主要为粉质泥沙岩、砂岩、粉砂、砾岩等，表面主要为粘性土、粉土、砂土。第四世纪晚更新以来地壳活动比较缓慢，区域内黄色粘性土特别发育。工程地质原位试验结果见表1，地层主要物理力学参数见表2。

表1 地质情况及现场原位试验结果

表2 各土层主要物理力学参数

1.2.2 水文地质

(1)地表水

地表水主要存在于场地内的水坑、水塘及废弃水井内。地势呈东北高西北低，呈缓坡状，暴雨季节地表水总体排泄畅通。

(2)地下水

地下水条件较为复杂。地下水类型为上层滞水及承压水。测得上层滞水静止水位埋深0.60m～1.20m，水位标高29.21m～-39.21m。坑中坑基底标高12.10m。地下水年变化幅度范围约1.0m。②、③层粘土、④层粉质粘土渗系数低，有一定的隔水效果。承压水主要赋存于⑤层强风化砂质泥岩及⑥层中风化砂质泥岩中，其透性和连通性较好，贮水量较少，埋深较深，勘察期间未测得该层承压水的稳定的地下水位。

2 坑中坑支护设计方案及开挖方法

2.1 坑中坑典型断面的支护方式

根据相关规范的相关规定[5～6]，确定本基坑重要性等级进水泵房为一级，其他区段为二级，基坑有效使用期限12个月。西侧标高坡顶标高为31m采用坡比为1:1的一级放坡，并设置土钉。进水泵房采用直径为钻孔灌注桩+上部一道钢筋混凝土内支撑+底部和中部共两道钢管内支撑。在坑中坑支护的设计计算过程中应充分考虑地下水的水压力和基坑开挖到标高为28.05m的位置的土压力，同时考虑施工过程的荷载的影响。具体的坑中坑典型断面如图2。

图2 支护结构剖面图

2.2 坑中坑支护的重难点

坑中坑西侧与南侧为3m宽平台，平台标高28.05m基底标高为12.2m内外坑高差近16m。平台外侧为高度2.95m坡比西侧1：1的放坡。坡顶为临时便道，承受施工过程中所需要的活荷载。要考虑到坑中坑对外坑的变形影响和基坑西侧与南侧的整体稳定性。坑中坑含有软土层和透水层，强风化粉砂质泥岩和中风化粉砂质泥岩的透水性比较强。坑中坑位于此范围内。维护结构要做好防水抗渗措施。横向支撑分三层施工，且第一层与后两层采用的支撑材料不一样，合理布置砼支撑与钢支撑的位置，充分考虑其各自的利弊尤为重要。

3 基坑现场监测及结果及分析

根据现场维护结构和支撑结构的布置情况，参考相关规范制定监测方案[7]，对基坑各个监测点进行了监测[8]，监测过程中一旦发现监测值接近报警值应立即采取应急措施以确保基坑的整个施工过程的安全。

(1)围护结构主要监测了转孔灌注桩桩顶的水平位移和垂直位移：8区打桩处布设5个，水平位移监测点与垂直位移观测点为同一个点。测点命名为D01-D05。桩顶在开挖工程中水平和垂直位移随日期的变化如图3-4所示。从图3可以看出，在基坑开挖初期，桩顶水平位移变化速度比较快，随着时间的发展，桩顶水平位移的侧向力逐渐趋于平稳。最大水平位移为8mm远低于规范规定的预警值40mm(<0.25%H，H为基坑深度)。分析原因是第一层砼支撑与桩顶接触，将力传递到第一层砼支撑上，把水平侧向力转化成了砼支撑的轴力。图4可以看出部分桩由于地基隆起的原因有轻微上浮，上浮量较小不影响冠梁安全，部分桩桩有轻微沉降，但后期又有回归原位置的趋势，最终所有围护桩都处于轻微上浮的状态，最大上浮量在报警值范围之内，不影响冠梁安全。

图3 桩顶水平位移时间曲线图

图4 桩顶垂直位移时间曲线图

(2)坑中坑围护桩内部设置砼支撑，为保证基坑的稳定性和工程施工安全，实时掌握砼支撑的轴力最不利位置的轴力变化情况尤为重要。将轴力监测点布置在砼支撑沿水平方向的斜撑上，每个斜撑各布置一个点。支撑监测点编号ZC01-1到ZC01-4。轴力变化时间曲线如图5所示。当砼支撑达到设计强度后开始向下开挖，随着时间的推移其轴力不断增大。但当开挖到第一层钢支撑标高时，钢支撑分担了桩对砼支撑的侧向压力，因此产生了V形变化曲线，后期开挖到第三层钢支撑时出现了同样的效果，砼支撑曲线大致呈M形。其最大轴力值小于报警值，也验证了这种支护方式的合理性。轴力曲线在后期有下降的趋势。由于截止到目前为止整个基坑的主体结构施工还未结束，大胆猜测在没有暴雨等其他突发情况下砼支撑的轴力值会逐步趋于平稳。

图5 砼支撑轴力时间图

(3)立柱沉降：布置于立柱下部1/3处，8区坑中坑打桩处共布设4个，按LZ01-LZ04命名。图中正数为下沉，负数为上升。格构柱垂直位沉降时间曲线如图6所示：在基坑开挖的过程中有三根立柱基本处于上浮的趋势，一开始上浮速率比较大，后期逐渐趋于平稳。其最大上浮量不超过4mm,在容许范围之内。分析其上浮的原因主要是基坑水压力比较大，引起基坑底部有隆起。格构柱与土体之间的摩擦力较小使得格构柱与土体之间发生相对位移。分析LZ4下沉的主要原因是四根格构柱上部贯入到砼支撑内部，中间位置与钢支撑使用钢架铰接在一起。受横向钢支撑或砼支撑的共同作用四根格构柱竖向受力不均匀而导致了其下沉。

图6 格构柱垂直位沉降时间曲线图

4 结 语

截止到2019年12月8号合肥新城污水处理厂深基坑坑中坑已经开挖至基底，且外坑部分分区已经开始主体结构的施工，坑中坑部位也已近浇筑垫层。总结其支护支护方式和开挖方式结合现场检测得出以下结论：

(1) 坑中坑开挖过程中要充分考虑到地下水浮力的作用和地基隆起，在施工阶段要持续性降水。设计主体结构时要在结构底板下部设置抗拔桩或者抗浮锚杆。

(2) 工程采用三层支撑，第一层砼支撑有较好的稳定性且能经得住施工设备的撞击，有良好的抗压性和抗拉性能，节点牢靠，支撑体系的稳定性可靠。第二三层采用钢支撑安装时即可形成支撑作用，拆除方便。

(3) 在深基坑工程中坑中坑是在最后阶段进行开挖，单纯的一种支护方案难以满足坑中坑的支护设计，应该结合工程地质条件和水文地质条件合理的选择多种支护形式组合的支护方式。

(4) 坑中坑属于大坑套小坑，为防止内坑开挖引起大肯边坡变形过大，基坑周边应严禁堆载或在设计阶段就考虑到堆载的影响。