绍兴市瑞丰银行大楼基坑围护方案优化

陈永杰

(绍兴市越城区建筑工程质量安全监督站，浙江 绍兴 312000)

0 引言

随着我国城市化进程的快速推进和城市地下空间的进一步开发，基坑工程也随之得到快速的发展.基坑工程虽然大多数情况下是作为临时结构设计使用的，但对前期安全施工以及后续建筑施工都有重要的影响.在基坑围护设计中既要考虑工程的安全性又要从经济角度出发.而且基坑工程场地往往周围环境较为复杂，既要涉及城市管线，又要考虑周围房屋住宅.所以在基坑围护设计过程中，我们要严格遵守地区规范要求并参考区域内的设计方案.专家明确指出基坑的区域性特点很强，区域经验和场地个别工况对支护方式的选择起到重要影响.针对同一工程往往当地针对性的设计会产生经济有效的方案[1].

本文以绍兴市一建筑项目基坑工程的设计方案为核心，并参与勘察中土层参数获取和后期基坑监测数据统计分析，结合土层设计参数和基坑围护监测结果来更加准确地评估围护方案.

1 工程概况

拟建工程位于浙江省绍兴市镜湖新区金融聚集区，解放大道东侧，洋江西路南侧，如图1所示.总用地面积为12 362.06 m2，总建筑面积77 982.73 m2，地下室建筑面积为16 398.11 m2.

新建的绍兴市瑞丰银行工程场地的北侧是洋江西路，场地基坑的开挖面边线距离用地红线约为20.0 m； 其余三侧现为菜地，这三侧的基坑开挖边线距离城市规划的用地红线约8.0 m；基坑周围环境如图1所示.经调查基坑北侧离红线3.0 m、5.0 m、6.0 m分别有一根雨水管、天然气管及污水管.本场地地面较为平坦，并且后期还进行了场地的进一步平整.场地基坑开挖影响深度内的地层划分如下：

图1 基坑周围环境

场地的1号层为素填土，在整个施工场地中均有分布，填土以灰黄色为主并且整体结构松散.碎块石的直径范围大致在5 cm～20 cm之间.素填土的下部主要是混黏性土，并且素填土中夹带有部分的建筑垃圾.整个素填土土层的土质较为不均匀.

土层2号层的粉质黏土在整个施工场地中均有分布，该层土为灰黄色，本地场中的粉质黏土可塑性较好，并有局部软塑的特征.这部分的粉质黏土在场地内呈厚层状分布.土层的干强度和韧性均表现为中等.土质中含铁锰质氧化斑点，土体没有摇震反应.该土质具有中等偏高的压缩特性.

3号粉质黏土夹粉土在整个施工场地中均有分布，场地内的该层土层部分发生了相变，转变成了黏质粉土.在场地内土层的顶部区域内有含腐殖质团块和有机质.

4号淤泥质黏土在整个施工场地中均有分布，灰色的土层还表现出流塑性，并且该土层的干强度和韧性都特别高，并且该土层没有摇震反应出现.土体中部分分布有腐殖质和贝壳碎屑.5号黏质粉土在整个施工场地中均有分布，土层为灰绿和青灰色，该土层干强度和韧性均比较低，且该土层对摇震较为敏感.该土层的压缩性表现为中等偏低.6号粉质黏土只在场地的南部有分布.土层为灰黄色和灰褐色，并且土层中夹有粉土薄层，土层中还含有铁锰质氧化斑.该土层干强度和韧性均表现为中等.7号粉质黏土在整个施工场地均有分布，土层为灰色，土层为厚层状，在场地中均匀分布，并且该土层在场地内局部相变为黏土，其土层的干强度和韧性均表现为中等，该土层对摇震的反应较为缓慢.

地下水类型属潜水，场地地基土中2号、3号、4号、5号层均为含水层.场地区域内的地下水主要由大气降水、地表径流补给，由河流、自然蒸发和侧向径流排泄.基坑支护设计参数说明，根据勘察单位提供的该场地的报告，选取各土层的固结快剪指标作为基坑支护设计计算参数，按照朗肯土压力计算理论作为土侧向压力设计的计算依据.基坑的设计参数如表1所示，场地3号粉质黏土夹粉土，该土层物理力学性质较差，具有中等偏高压缩性，在整个工程场地均有分布.场地范围内还分布有较厚且具流塑状态的4号层淤泥质黏土，该层土土性较差，开挖过程易对该土体产生扰动，易产生变形.因此，围护设计应当考虑周围管线条件和土质分布及特点，采取合理的设计参数，以提高基坑整体安全储备值.

表1 基坑设计参数

2 基坑支护方案比选与优化

拟建项目上部建筑大楼分南、北两座塔楼，北塔楼21F，南塔楼15F，整个场地下还设置二层地下室.本工程设计±0.00相当于黄海高程6.99 m，现自然地面按5.39 m考虑，即现状地面相对标高为-1.60 m，地下一层结构板面相对标高是-6.70 m，地下二层基础板面相对标高分别为-10.90 m、-12.65 m，板厚800 mm、900 mm，垫层为150 mm厚C15垫层、300 mm厚块石垫层，南、北塔楼为筏板基础，北侧塔楼筏板厚2.5 m、南侧筏板厚2.0 m，基坑开挖深度是依据板垫层底计算的，本工程的设计计算开挖深度分别为10.55 m、12.40 m，坑内二次开挖深度最高达6.15 m.

根据基坑周围环境和开挖要求，考虑如下方案：

1)桩加内支撑；

2)排桩加锚杆；

3)复合土钉墙.

对上述可能的方案进行可行性优化分析如下：

1)排桩加内支撑围护方案的结构受力合理，变形会比较小，安全度高，但造价相对其他方案可能会较高.主要适合在开挖深度较大，安全等级为一级，控制变形较严格，坑底土性差的情况.本基坑最大开挖深度12.40 m，属于超挖深基坑，坑底为淤泥质土层，且北侧有洋江西路及管线须保护，故该基坑采用桩加内支撑形式围护是一种较安全、经济合理的支护方式.

2)排桩加锚杆围护方案的受力特点类似单排桩加内支撑围护，且属于开放式围护，工程造价相对排桩加内支撑的围护方式较经济，但由于该形式对软土层锚拉体系并不可靠，无法有效控制周边土体的变形，且该体系在绍兴地区应用挖深超过10.0 m的基坑还无成功经验，故本工程不适合采用此形式进行支护.

3)复合土钉墙围护方案是充分利用土体的自稳能力，通过水泥搅拌桩加固土体及土钉加筋从而增加土体的自稳能力，具有工程造价低，变形较大，安全度相对较低等特点，适应于基坑开挖深度较浅且安全等级为二三级基坑.显然这种支护形式不可能在本工程被采用.整体稳定性，抗倾覆验算和抗隆起验算均不符合规范.

4)地下连续墙围护方案是占地少，可以充分利用建筑红线以内有限的施工空间，并且适于在城市施工.地下连续墙的防渗性能较好，很适合于逆做法施工.可承受较大的土压力.但是工程影响范围较大，并对场地周围环境有较高的要求，相比于以上围护方案，其工程造价属于较高类型.

基坑整体围护边长按照750 m进行计算(包含坑中坑)，对各个围护方式的造价和围护稳定性进行估算.其中基坑稳定性利用理正深基坑软件进行核算，将按照市场行情对各个围护方案进行统计对比，如表2所示.

根据以上的分析与比较，再结合本工程的结构特点、工程地质条件、环境条件和规范参考[2-4]，本工程的围护形式应采用桩加内支撑.

表2 围护方案对比分析表

结合本工程结构设计图纸，本基坑围护工程主体采用直径1 100 mm的钻孔灌注桩排桩，结合外侧直径650 mm三轴水泥土搅拌桩止水帷幕的围护方式.考虑到4号层淤泥质黏土在场地内分布较广并且厚度较大，坑内利用多排三轴水泥搅拌桩进行加固.基坑的围护结构典型剖面如图2所示.

图2 基坑剖面图

基坑支撑平面布置图如图3所示，基坑主要采用钻孔灌注桩加两道砼支撑的支护形式.为了增强稳定性新增立柱桩75个，其中包括12个利用工程桩.

图3 基坑支撑平面布置图

针对坑内高差达到6.15 m以上并离坑边距离较近的位置，拟采用排桩加砼内支撑支护，其中坑内高差较小位置可采用放坡开挖.坑中坑的围护平面图如图4所示.其中坑中坑可以增强基坑支护整体稳定性并增加基坑的安全储备.

图4 坑中坑部分平面布置图

针对坑内高差在6.15 m以上的排桩加砼内支撑剖面进行核算，剖面的整体稳定性计算方法为瑞典条分法，应力状态采用的是有效应力法.获取的剖面的整体稳定安全系数为Ks=2.004.

Mp为在计算公式中代表被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩，Ma为主动土压力对桩底的倾覆弯矩.求取的最小安全系数Ks为1.542，满足规范要求的不小于1.25.

依据每层土层的抗隆起验算：

式中Nq和Nc为地基极限承载力的计算系数，q0为地面载荷；c和φ代表土层的剪切参数，γm2和γml分别代表对应土层的天然重度值，h和ld为计算获取的土层厚度及等效轴长参数.

Ks=2.493>1.800，抗隆起稳定性满足.Ks值坑中坑围护的自身稳定性，其中本计算中使用的淤泥质黏土的土层抗剪强度值经过两次修正，在参与对比不同取土设备和室内试验的方法和参考周围区域的勘察报告后确定了该土层的抗剪强度值.

对土钉墙剖面的稳定性计算依据相关的规程方法[3]，获取整体滑动稳定安全系数为1.300，抗隆起验算获取的Ks=1.777>1.6，抗隆起稳定性满足规范要求.

3 基坑监测数据分析

根据相关的监测要求[5]，本基坑的结构安全等级为“一级”，基坑监测内容主要包括周围环境建筑物的沉降监测，支撑轴力监测以及立柱桩桩顶的监测.依据规范要求对于围护体各剖面处累计的坡顶水平(垂直)位移应不大于30 mm，每天的单日位移量应当小于5 mm，并且基坑连续三天的位移速率应当不大于3 mm/d.对于第一道砼支撑梁轴力达7 500 kN发出报警讯息，第二道砼支撑梁轴力达18 000 kN进行报警.

根据基坑设计方案要求对基坑土体的水平位移和内支撑梁的轴力值进行数据统计.

根据设计要求基坑的水平位移监测孔测量深度为25.0 m，对基坑各个监测点进行汇总分析，对基坑周围土体水平位移进行监测，基坑土体水平深层位移变化值如图5所示.

图5 基坑监测水平位移监测曲线图

根据瑞丰银行1号测斜孔不同时间节点的水平位移随深度变化的统计绘制了A-N的12条曲线，A-N分别记录时间为2017年5月至2017年8月，记录了基坑开挖到监测稳定停测期间的水平位移值的变化.水平位移的累计值随时间变化逐渐累加，并在底板浇筑后进入稳定.

根据支撑轴力变化数据绘制刻画了轴力—时间变化曲线，如图6所示.支撑轴力值随基坑开挖产生不同幅度的变化，并保持在预警值范围内，说明围护结构的整体稳定性应对周围土体产生的土压力，并有一定的安全储备值.

本基坑监测值均在规范警报范围以内，基坑顺利开挖并安全施工，证明了基坑整体设计的安全性.

图6 基坑监测轴力值-日期变化曲线图

4 结论

对本项目基坑支护方案的设计及监测数据的分析，针对绍兴地区软土区域基坑支护提出以下建议：(1)在利用软件设计计算时，应当对土工参数进行校核确认，由于实验方法和试验人员的不同，针对同一工程获取的土层参数往往有较大的差异，在设计过程中应当依据规范要求并与现场勘察试验人员沟通后确定设计参数.(2)对于基坑内的坑中坑应当充分考虑其对基坑稳定性的影响，在基坑设计中应当注意到坑中坑对支护结构中的弯矩影响，重视坑中坑的支护.(3)在场地空间受限，开挖深度又较大，支撑体系需同时承受水平力，采用刚度较大的现浇钢砼围护体系是较为合理的选择，并在类似的场地条件下具有广泛的应用前景.但是在对立柱桩的坑内抗隆起监测中发现了立柱桩在基坑开挖过程中会产生沉降，立柱桩所受到竖向荷载作用力大小与时间的变化曲线的问题仍需要进一步探究和解释.