某临河砂卵石地层基坑支护设计研究

2021-03-26钟俊辉宋书志王丽君

水电站设计 2021年1期

钟俊辉，李姝，宋书志，王丽君

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 611731；2.四川水利职业技术学院，四川成都 611231)

0 前言

于丽等人[1]调研53个位于成都的砂卵石地层条件的地铁明挖法车站基坑，对不同深度基坑的围护结构形式进行统计和分析，“基坑深度为6～11 m时多采用土钉墙，深度为11～16 m时多采用锚桩支护，当深度大于16 m时，多采用桩+内支撑的形式”[1]。成都平原地区主要以砂卵石地层为主，基坑支护型式多样，对于临河邻建筑的基坑，地下水补充来源丰富，渗流系数大，围护结构受变形、降排水、周边环境等限制，对于基坑支护和止水提出更高要求。咬合桩作为一种同时兼具的围护结构，对于砂卵石地层具有很好的经济性。

1999年的深圳地铁会展中心站—购物公园站区间的围护结构体系是在我国第一个采用咬合桩的工程实例[2]，此后该工法在广州、南京、杭州、上海等地的地铁工程中得到进一步推广应用，且都取得了成功[3-4]。

1 工程概况

1.1 工程背景

本项目为停车场地下一层，框架结构尺寸为137.0 m×40.5 m(长×宽)，拟采用独立基础，基坑埋置深度约6.1 m，拟建场地地形较平坦开阔，拟建场地现状为广场，周边为商业建筑，距离较近；地面高程介于426.40～426.70 m，相对高差0.3 m。地貌单元属于岷江水系三级阶地。

基坑支护设计的重难点：

(1)地下水处理。临近岷江，地层主要为卵石，渗透性大，且与岷江水力联通。岷江通航后地下水位高，地下水位离地仅0.5 m，因此地下水处理措施至关重要。

(2)围护结构选取和降水措施。工程周边建筑物密集，基坑距其最近只有2.6 m，基坑围护结构变形要求高，且坑外降水容易引起周边建筑物的沉降。

因此，基坑围护结构选型和地下水位处理，成了本项目的关键点。

1.2 地质水文条件

拟建场地地层从上到下主要分布为：素填土①、粉砂②1、细砂②2、卵石③和粉砂质泥岩④。土层具体物理力学参数见表1。

表1 土层物理力学参数

场地内地下水的类型主要存在三种类型的地下水，分别为：赋存于第四系素填土层中的上层滞水；赋存于第四系粉砂、细砂和砂卵石层中的孔隙潜水；基岩裂隙水主要赋存于岩体风化裂隙及节理裂隙中。

地下水主要赋存于砂卵石中，粉砂为中等透水层，细砂和砂卵石层为强透水层，岷江水系渗透进入下伏砂卵石层内，地下水主要受岷江水系水位的影响较大，场地地下水位最高水位建议值为426.00 m。

2 地下水处理方案

本项目基坑支护设计的选取必须考虑地下水处理和周边环境的要求。

2.1 地下水处理方案

地下水处理方案目前主要有以下三种。

(1)方案1：坑外降水。基坑距周边建筑很近，最近仅2.6 m，对地表沉降控制严格，另外基坑与岷江水力联通，地下水来源丰富，故方案1实施可行性小，风险性大，不作推荐。

(2)方案2：基坑围护结构外设置止水帷幕(如搅拌桩、旋喷桩、注浆止水帷幕)，坑内实施降水。

(3)方案3：基坑围护结构自身可兼作止水帷幕，坑内实施降水。

基坑开挖和支护范围主要为砂卵石地层，粒径大、厚度深(约10 m)，地下水丰富且渗流流速快，采用搅拌桩、旋喷桩、注浆等止水帷幕时，施工效果不好控制，需要现场试验确定，且容易引起周边建筑变形。孔秋平[5]在某临河高水位卵石层基坑的旋喷桩成桩试验效果不好，开挖后多处漏水。另外，本项目施工场地狭窄，止水帷幕施工空间受限。

综上考虑，本项目采用自带止水效果的围护结构，进行坑内降水，从安全性和施工可行性看，均为最优方案。

2.2 基坑降水设计

基坑尺寸约为138.6 m×37.8 m(长×宽)，地下水位埋深1.5～3.0 m，含水层为粉、细砂和卵石层，含水层厚度不小于10 m，属强透水层。该场地地下水渗透系数K取30～40 m/d。依据场地工程地质和水文地质条件，并结合场地基础开挖实际情况，进行降水井设计，计算过程如下。

(1)基坑涌水量采用块状基坑出水量Q公式计算：

(2)单井出水量q按下述管井经验公式计算：

式中，rs为过滤器半径，取0.15 m；l为过滤器进水部分长度，取4.00 m。

(3)降水井数量n的计算公式：

降水井布置原则：①沿基坑长边方向，等间距布置；②每口降水井的降水影响范围要相交，所有降水井的影响范围要涵盖整个基坑。降水井布置详见图1。

图1 基坑支护平面示意

3 基坑围护结构设计方案

3.1 围护结构选型

考虑自带止水帷幕功能的围护结构，目前常用的有：地连墙、SMW工法桩、钢板桩和钻孔咬合桩。下面分别对其特点和适用性进行分析。

3.1.1 地连墙

地连墙围护结构不仅刚度大，而且适用于多种土质情况(淤泥、卵石等)，具有防渗、挡土、截水等功能，在建筑物密集地区特别适用。地连墙作围护结构，既能有效地减少开挖对邻近建筑物、地下管线的影响，又能作为止水帷幕保护基坑施工安全。

地连墙作为一种强支护的挡土挡水结构，也有着自身的一些劣势，如：施工工艺复杂、造价高等，在北京、成都等砂卵石地层区域应用相对较少，一般用作土质差、深度大的基坑。

而基坑深仅6.1 m，地层主要为砂卵石和风化泥岩，自身稳定性很好。在成都砂卵石地层基坑应用地连墙案例很少，于丽等人[1]对成都53个砂卵石地层深基坑支护案例进行统计分析，仅一个深度超过21 m的基坑采用地连墙支护。

3.1.2 SMW工法桩

其以多轴型钻掘搅拌机向地下钻掘，并在钻头端喷出水泥等强化剂，而与土层反复搅拌混合，各单元间重叠搭接，在水泥土硬结前插入钢板或H型钢等作为应力增强材料，待水泥土硬结，形成了一道具有一定刚度、强度、完整、无接缝的地下连续墙体。

但SMW桩以搅拌形式施工，只适用于淤泥、淤泥质土、黏土、粉质黏土、砂砾土等土质较软地层，故大多应用在我国东南沿海地区的软土基坑围护[6]，而在砂卵石地区，存在钢板插入的施工困难，应用很少。

3.1.3 钢板桩

砂卵石内钢板桩打入困难，且施工振动对周围建筑有影响，支护刚度不高，基坑变形大[7]，不适用于本场地。

3.1.4 咬合桩

咬合桩是相邻排桩部分圆形相叠，并在后序次相间施工的排桩内加入钢筋笼，使之形成一面整体连续防水和挡土的围护结构。

咬合桩的围护桩互相交叠，是一种介于常规排桩与地连墙的支护形式，有其独特的优点和适用性，兼具止水和挡土功能，在无法同时设置排桩和止水帷幕的狭窄场地区域，优势明显。

咬合桩为落底式止水帷幕，进入隔水层(中风化岩)不少于1.5 m，桩长为11.6～14.1 m。

深基坑开挖支撑主要有两种形式：锚索和内支撑。锚索支护体系基坑可给开挖提供开敞的施工作业环境，但本项目处于地下水丰富的砂卵石地层，锚索施工和受力可靠性相对较差，导致基坑变形不易控制，另外锚索施工易对周围管线和建筑物产生一定的影响。

综上所述，经过以上的分析比较，基坑支护方案定为咬合桩+内支撑。通过工程类比和计算，围护结构顶部设置一道Φ609钢管支撑。

3.2 基坑支护计算

本站基坑安全等级为一级，咬合桩尺寸为Φ1 200@900 mm(咬合300 mm，如图2所示)，嵌固深度约5～6 m。桩间采用150 mm厚网喷混凝土，钢筋网规格为Φ8@200 mm×200 mm；桩顶设置钢筋混凝土冠梁，基坑沿竖向设置一道钢支撑，采用Φ609 mm、t=16的钢支撑，支撑水平间距约6.0 m，钢支撑设置在冠梁上。基坑内设置临时钢立柱，采用格构柱，基础为Φ1 200 mm钻孔桩基坑支护剖面和基坑支护变形如图3～4所示。

图2 咬合桩平面示意

图3 基坑支护典型剖面示意(单位：m)

3.2.1 理正计算

选取基坑深度最大的断面，采用理正基坑7.0 PB5软件进行计算，基坑深6.1 m，坑外超载取20 kPa。具体计算如下：

基坑外地面最大沉降为4.2 mm，小于等于0.10H%(6.1 mm)。围护结构最大水平位移为2.37 mm，小于等于0.20H%(12.2 mm)，且不大于30 mm，满足规范要求。

图4 基坑支护变形示意

3.2.2 有限元计算

采用Midas GTS对基坑进行数值模拟，模型尺寸为80 m×40 m(长×高)，基坑两侧超载为20 kPa，基坑支护和地层参数与3.2.1保持一致，模型见图5。

图5 基坑有限元计算示意

模型计算结果：基坑外地面最大沉降为4.5 mm，不大于0.10H%(6.1 mm)。围护结构最大水平位移为3.25 mm不大于0.20H%(12.2 mm)，且不大于30 mm，满足规范要求。

3.3 咬合桩施工

咬合桩的施工布置见图6，采用B桩(素混凝土桩)与A桩(钢筋混凝土桩)交叠布置，以咬合的形式构成连续墙体结构。施工工序采用全套管钻孔机械，沿着基坑开挖的轴线，以套管护壁。先施工B序桩的单桩成孔，灌注超缓混凝土成桩，在B序桩缓凝期间，在相邻的两B序桩间下压钢套管，切割桩身混凝土成孔，并施工A序桩，完成桩体咬合工作。如此逐桩咬合依次进行，筑成了一道连续的钢筋混凝土排桩墙体，可作为防渗、截水、承重、挡土结构[8]。

图6 咬合桩施工布置示意

施工时，需注意以下事项：

(1)宜采用软切割的全套管钻机施工；

(2)砂卵石地层中的全套管咬合桩施工，应根据管涌的不同情况，采取相应的克服管涌的措施，并随时观察孔内水位和穿越地层的情况，依据少取土多压进的原则施工，确保管超前；

(3)套管底应始终保持超前于开挖面不少于2.5 m；当遇套管底无法做到超前时，可向套管内注入水来平衡桩混凝土的压力，防止管涌发生。

4 车库抗浮设计

地下车库结构顶部覆土1.5 m，基坑深度按6.1 m，车库结构横断面宽34.1 m，高4.6 m，底板、顶板、侧墙厚度分别为0.4 m、0.3 m、0.3 m。

选取基坑纵向每延米宽断面作为抗浮计算的标准断面(宽)，抗浮水位位于地面下0.5 m。

4.1 不考虑抗浮措施抗浮安全系数

车库结构断面自重:

G1=25×(34.1×0.3+34.1×0.4+3.9×0.3×2)=655.250 kN/m；

覆土自重G2:

G2=20×0.5×34.1+(20-10)×1.0×34.1=682.00 kN/m；

结构所受浮力：

Ff=10×34.1×4.6×1.0=1 568.60 kN/m；

4.2 考虑抗浮措施抗浮安全系数

在围护结构上设置压顶梁，围护桩兼做抗浮桩，参与抗浮，压顶梁截面b×h=2.0 m/2.4 m×1.0 m，见图7。

图7 围护桩和压顶梁示意

围护桩兼作抗浮桩的工作原理：主体结构将剩余浮力传递给桩顶压顶梁，压顶梁与围护桩通过钢筋连整体，围护桩侧壁摩阻力(抗拔力)可抵消结构剩余上浮力。华昆等人[9]认为围护桩兼做抗浮时，计算基桩抗浮承载力，应按群桩呈整体破坏的模式计算，即按排桩墙式计算侧表面的摩阻力(见图8)，而非按πdL计算侧表面积(d为支护桩直径，L为底板下的支护桩长度。

单桩抗拔承载力为：

Ra=Ul∑λiqsiali+Gp

式中，Ul为桩身抗拔周长，取Ul=0.5πd=1.88 m，如图8所示；λi为抗拔系数，按《建筑桩基技术规范》中表5.4.6-2取值；qsia为桩侧面第i层土的抗压侧阻力特征值；li为地下结构底板以下桩侧面第i层土厚度；Gp为单桩自重，地下水位以下取浮重度。