某软土深基坑设计及监测对比分析

2021-06-09乔丽平李韵迪黄文彬

岩土工程技术 2021年3期

乔丽平李韵迪黄文彬王源

(深圳市龙岗地质勘查局深圳市岩土综合勘察设计有限公司，广东深圳 518172)

0 引言

地铁安全保护区(以下简称“地铁安保区”)是指地下车站与隧道周边外侧50m内，地面和高架车站以及线路轨道外边线外侧30 m内，出入口、通风亭、变电站等建筑物、构筑物外边线外侧10 m内的区域[1]。目前深圳市已完成地铁轨道交通一期、二期和三期工程，地铁轨道沿线的安保区范围内出现了大量的深基坑工程。深圳市在历史上由于城市建设需要曾进行过多次填海工程，因此，不少地铁轨道线路也位于原填海地区。目前宝安中心区基本上位于原填海区，整个区域场地地质条件较差，普遍分布着深厚的流塑状淤泥和强透水砂层，给基坑支护工程带来了一定的难度和风险。目前，随着地铁建设发展，已有部分专家学者针对软土地质条件下地铁安保区内深基坑工程开展研究，许建峰等[2]分析了杭州软土地质条件下基坑开挖对邻近地铁隧道的影响，刘念武等[3]针对软土深开挖对地铁车站基坑及邻近建筑变形特性展开了研究。徐中华等[4]对邻近地铁隧道的软土深基坑变形实测进行了分析。殷一弘等[5]详细介绍了深厚软土地层紧临地铁深大基坑分区设计思路。本研究以宝安中心区某软土深基坑工程为例，针对地铁安保区内的软土深基坑设计过程作了全面介绍，并与实际监测结果进行了对比分析，可供类似工程参考。

1 工程概况

1.1 项目概况

该项目位于深圳市宝安中心区，新湖路与甲岸路交汇处北侧，场地东北侧及西北侧为空地，场地东南侧紧邻甲岸路，西南侧与新湖路相距约30 m(新湖路下有正在运营的地铁1号线)。

项目总占地面积19359.5 m2，拟建工程地下三层，基坑呈不规则四边形，开挖深度约14.1 m，周长约525.0 m，面积约15000 m2。

1.2 地质条件

场地内地层为杂填土(Qml)、第四系全新统海漫滩相沉积层(Qm(b))、第四系冲洪积层(Qal+pl)、残积层(Qel)、下伏基岩为燕山第三期花岗岩(γ53(1))，其典型地质剖面见图1。

图1 典型地质剖面图

基坑所在场地主要岩土层的物理、力学指标见表1。基坑坑底以上主要为杂填土和淤泥层，坑底以下为粗砂、砾质黏性土，局部为全—强风化花岗岩。开挖范围内岩土体力学性质较差，给基坑支护带来的挑战较大。

表1 各土层物理、力学指标

1.3 水文地质条件

场地地下水主要有两种类型：一是孔隙潜水，赋存于第四系粗砂层③2中，其透水性较强，为区内主要含水层；二是花岗岩中的风化裂隙水，主要赋存于强、中等风化岩风化裂隙中，其透水性及富水性受裂隙发育程度控制，总体上属于弱透水层，其余各土层属弱透水层。勘察期间测得稳定地下水位埋深1.0～1.8 m。地下水主要由大气降水渗入及邻近地下水的侧向渗入补给。地下水位主要受大气降水的影响，水位随季节变化较大。

2 基坑支护难点分析

(1)工程地质条件复杂：场地内原填海填筑体基本为软弱土层(素填土、淤泥)，厚度达6.0～12.1 m，基本上在基坑开挖深度范围内均有分布，且在基坑底部附近分布有厚度3.3～11.2 m的强透水层(粗砂层)，地质条件极为复杂，给支护设计和止水帷幕设计都带来了一定的困难。

(2)基坑规模大、受力模式复杂：基坑周长约525 m，开挖面积约15000 m2，基坑深度14.1 m，属于超深基坑，如何选择合理的受力模式和计算模型将是一个难题，直接关系到基坑工程的安全性和经济性。

(3)基坑位于地铁安保区内：基坑东侧紧邻正在运营的深圳地铁1号线区间隧道，该侧地下室外墙距地铁隧道净间距约45.0 m，且该侧基坑走向基本与隧道走向平行，地铁区间隧道埋深比基坑深度略深。在距离地铁隧道如此近且地质条件非常差的情况下进行超深基坑的开挖，如何确保邻近地铁隧道的变形控制在地铁安保要求的允许范围内是一个极其有挑战性的难题，无论是经济影响还是社会影响都是十分巨大的。

(4)场地周边地下管线复杂：西南侧新湖路和南侧甲岸路下均分布有雨污水、燃气等重要地下管线，基坑开挖若引起周边地下管线变形超限(尤其是燃气管线)，造成的社会影响非常大。

3 基坑支护设计、计算

3.1 基坑支护设计

基坑整体采用排桩+二道钢筋砼支撑，排桩采用直径D1200咬合桩，咬合桩间距1.0 m(咬合搭接0.2 m)，桩长根据各侧地质情况而不同，第一道钢筋砼支撑截面为1.0 m×1.0 m(宽×高)，第二道钢筋砼支撑截面为1.0 m×1.2 m(宽×高)，基坑四个角局部采用300 mm厚钢筋砼板封闭。基坑北侧局部为规划幼儿园待建用地，现状较为空旷，基坑顶无对变形敏感的建(构)筑物，该侧拟采用咬合桩+预应力锚索支护，从上至下设置四道预应力锚索，锚索长度为25～30 m。

基坑西侧，考虑到该侧有地铁1号线通过，对基坑的止水及变形要求非常高，该侧在外侧再布设一排高压旋喷桩做止水帷幕。具体支撑布置见图2，典型支护剖面见图3、图4。

图2 基坑围护平面示意图

图3 基坑围护典型剖面图(桩撑型式)(单位：m、mm)

图4 基坑围护典型剖面图(桩锚型式)(单位：m、mm)

3.2 基坑支护计算

采用理正深基坑7.0软件对主要典型围护剖面(桩撑型式)进行了单元计算[6-7]，主要计算结果见表2和图5。

表2 典型剖面主要计算结果

图5 典型剖面计算结果

由单元计算结果可得出结论如下：

(1)基坑开挖至坑底时，支护结构最大水平位移26.77 mm，最大水平位移发生在基坑深约10.0 m处，大致位于基坑2/3深度处。

(2)施工完第二道支撑向下开挖至坑底设计标高时，整个开挖过程中支护结构水平位移发生一次突变，由16.59 mm增大至26.77 mm，增大10.18 mm。

(3)在拆除第二道支撑时，支护结构水平位移略有增大，总体保持稳定状态。

(4)整个基坑工程施工(含拆撑工况)过程中，支护结构最大水平位移未超过30 mm，满足一级基坑变形控制要求。

4 基坑开挖三维模拟分析

采用商业有限元软件Midas/GTS建立了三维有限元模型，模拟基坑开挖的全过程[8-10]。

4.1 三维模型建立

本次模型包括基坑开挖区、地铁隧道区和周边场地。模型南侧(靠地铁隧道侧)以地铁隧道外侧外扩70 m；其余各侧以基坑侧壁外扩60 m。这样确定计算模型平面上为260 m×250 m的矩形。模型的深度取约2.5倍基坑开挖深度(底部为全—强风化花岗岩)，深度为40 m，计算模型见图6。

图6 模型网格图

4.2 计算基本假定

(1)岩土体本构模型采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，单元类型为四面体单元；

(2)结构体均采用线弹性材料，单元类型为板单元和梁单元；

(3)支护桩按照等效刚度法简化为板结构(仅考虑咬合桩中配筋桩的刚度)，锚索腰梁采用梁单元模拟，水泥搅拌桩采用硬质土层模拟，喷射混凝土和隧道衬砌采用板单元模拟；

(4)忽略土体与围护结构之间的相对位移，假定土体和支护桩无相对滑移，结构与土节点位移耦合；

(5)迭代计算方法采用Newton-Raphson法；

(6)收敛标准采用位移收敛标准；

(7)弹塑性材料流动法则为相关联流动法则。

4.3 计算结果及分析

典型计算结果见图7—图9，由图可知：

图7 基坑开挖至坑底后支护结构水平变形

图8 基坑开挖至坑底隧道水平位移

图9 基坑开挖至坑底隧道沉降

(1)随着基坑开挖深度的增加，支护结构最大变形逐步增大，基坑开挖至坑底的过程中支护结构最大水平位移约18.55 mm，整个基坑施工过程中支护结构最大水平位移达到18.75 mm。

(2)由于拆撑时充分利用了结构楼板作为传力体系，整个施工过程中，后期拆除第二道钢筋砼和拆除第一道钢筋砼支撑对基坑支护结构的变形影响不大。

(3)基坑开挖中隧道会发生水平变形和竖向变形，且随着基坑开挖深度逐渐增加，隧道朝基坑方向的水平位移略有增加，增加幅度基本可以忽略不计；拆撑换撑阶段的变形则基本趋于稳定。整个基坑施工过程中隧道水平位移最大约0.5 mm，沉降最大约3.2 mm，均满足深圳地铁结构保护的技术要求。

5 监测数据分析

目前基坑已经施工完毕，图10为基坑工程施工过程中的全貌卫星图片，整个基坑施工过程中，按设计要求进行了第三方监测工作，监测结果表明基坑工程变形满足规范要求。现将各个工况下支护结构最大水平位移累计值的实测结果、有限元计算结果及理正计算结果汇总于图11。

图10 基坑全貌现场照片

图11 支护结构水平位移变化曲线

由图11可知：

(1)采用理正软件单元理论计算的最大水平位移值和三维模拟计算的最大水平位移值均大于实际监测的最大水平位移值(个别工况除外)。分析其原因，一方面由于地勘单位为保险起见根据经验降低了勘察报告中的岩土体力学参数，使得计算理论值会偏大。另外一方面现有的计算模型为了计算的方便大多在假设条件的前提下进行了相应简化，跟支护结构本身的受力形态有一定差异。

(2)三种方式反映的基坑开挖过程中支护结构水平位移的变化趋势基本相同：随着基坑向下开挖，支护结构最大水平位移逐渐增加，但变化幅度有一定的差异。

(3)相比较而言，采用理正软件计算的结果要远大于实测值，尤其是基坑开挖至一半深度以后，理正软件计算的位移值增加幅度较大。而三维模拟计算虽然也大于实测值，但其差值幅度不大，其计算位移值更接近于实测值。

(4)在深厚淤泥层中进行超深基坑工程，采用咬合桩+钢筋砼支撑的支护形式是可行的，其变形控制能力完全可以达到相关规范要求，基坑开挖施工对邻近地铁隧道产生的影响也在地铁保护要求的允许范围内。因此，在地铁安保区内进行软土深基坑工程设计时应优先考虑采用咬合桩+钢筋砼支撑形式。