软土地区某深基坑支护设计分析

丁如花

（余姚市城乡建筑设计院，浙江 宁波315400）

1 概述

近年来，随着我国的经济发展和城市用地的限制，城市建筑基坑逐渐向更深、更具风险的趋势发展。基坑深度越大、周边环境越复杂，将导致设计和施工的难度也越来越大。本文根据深基坑实际的项目案例，对软土地区具有地质条件差、周边环境复杂等特点的深基坑进行了系统性的计算与分析。

2 工程概况

2.1 项目位置

本工程位于上海市黄浦区王家码头路、王家嘴角街北角（见图1）。基坑由3层地下车库与南侧地下联通道两部分组成。北侧地库基坑开挖面积约3 200 m2，基坑开挖深约15.30 m（承台底），集水井等落深区深度为1.4 m（自底板算起）；南侧地下联通路基坑开挖面积约560 m2,基坑开挖深约15.30 m～7.85 m；基坑总周长约为255 m。

2.2 基坑周边环境

本基坑场地现状为临近工程的临设用地。由图1可知，基坑北侧边线距用地红线最近处约3.5 m；红线外为泛海国际公寓高层建筑，其地下室距基坑边线约9.6 m。基坑东侧边线距用地红线约2 m，红线外为宽20 m的王家嘴角街，路东侧为1幢18层建筑。基坑南侧边线距用地红线约2.7 m；红线外为宽11 m王家码头路，路南侧为2～7层民房。基坑西侧边线距用地红线约3 m，红线外为泛海国际公寓高层建筑，其3层地下室距基坑边线约8.0 m。另外，周边2条道路下分布有数量众多的重要地下管线（给水管道，污水管道，雨水管道）。因此，本基坑周边环境很复杂（见图2），增加了设计难度。

图1 项目地理位置图

图2 基坑周边环境

2.3 工程地质和水文地质概况

2.3.1 工程地质

拟建场地勘察揭露的地基土均属第四纪松散沉积物。按其结构特征、时代成因和物理力学性质划分为4大层及所属亚层。土层分类及其主要土层参数见图3。

图3 土层地质剖面参数图

2.3.2 水文地质条件

潜水：拟建场地浅部地下水属潜水类型，主要补给来源为大气降水和地表水。设计时地下潜水位按上海市平均水位0.5 m考虑。

承压水：第一承压水含水层为第⑦1层砂质粉土，承压水位低于潜水位，承压水水位按最不利情况埋深3.0 m计算。

3 围护设计方案选择

3.1 设计难点

1）基坑开挖深度大

本基坑工程地库和南侧通道基坑最大开挖深度达15.3 m且开挖面小。为此，确保基坑的安全施工是本次围护设计的首要任务。

2）基坑周边环境复杂

基坑紧邻的现状道路下分布着数量众多的地下管线，且周边的建筑均为高层结构，地下层深。为此，环境对基坑变形的要求高。

3）施工场地狭小

基地内空间有限，地库边距离用地红线最小仅为2 m，围护设计须为施工创造条件，解决施工用地和施工道路问题。

4）流砂及管涌的影响

上海地区以软土为主，须确保基坑围护隔水效果，避免在动水压力作用下易发生流砂和管涌事故，设计应确保围护体系具有良好的止水性能。

5）其他

本次基坑由地下车库和南侧地下联通道两部分组成，基底存在高差，联通道深度沿纵向渐变，设计时应考虑两部分同时施工的相互影响及换撑的有效实施，以确保基坑安全实施。

3.2 围护方案的选择

围护结构设计方案的选择，不仅关系基坑开挖和周边环境的安全，还直接影响土方开挖和地下结构的施工成本。基坑围护是个系统工程，要求受力合理、施工方便、工期短。

根据上海市工程建筑规范《基坑工程技术标准》DG/TJ 08—61—2018，本项目的基坑安全等级为一级，环境保护等级为二级。

通过上述的难点分析，结合项目主体结构的要求和场地的特点，经比选后采用了地下连续墙的围护形式。地下连续墙抗侧刚度大，并具有挡土和止水功能，可有效的保护周边环境，适用于基坑开挖深度较深（一般超过12 m）及周边环境保护要求高的基坑工程，经济性较好。本次考虑基坑开挖深度较深，设置三道钢筋混凝土水平支撑以满足基坑安全和变形的控制要求。

4 围护结构设计

本文以项目中不利的地库部分基坑（开挖深度15.3 m）设计为研究对象，对其进行合理结构布置，对结构进行计算验证及设计必要的辅助措施。

4.1 结构布置

围护结构采用800 mm厚地下连续墙,地下连续墙深度共34.3 m，其中基坑深度为15.3 m,嵌固深度为19 m。基坑共设置三道钢筋混凝土支撑，间距6 m左右，第一道支撑设置了施工中挖、运土用的栈桥，方便施工，降低了施工技术措施费，截面尺寸见表1。

表1 支撑截面参数表mm

基坑支撑腋角尺寸均为500 mm×500 mm，栈桥板厚300 mm。墙缝采用圆形锁口管接头。立柱采用490 mm×490 mm钢格构立柱，新增立柱桩均为Φ850 mm钻孔灌注桩,利用工程桩的立柱桩均需将工程桩顶部4 m范围扩径至Φ850 mm钻孔灌注桩。基坑支撑体系见图4，剖面图见图5。

图4 基坑支撑体系布置图（mm）

图5 基坑剖面图（m）

4.2 计算分析

本项目采用同济启明星深基坑支挡结构设计计算软件（FRWS 9.0版）及支撑结构分析计算软件（BSC4.0版）进行有限元分析。在确定围护结构的入土深度时，可根据坑底土层的工程力学指标进行墙体的抗倾覆和整体稳定性及墙前基底土体的抗隆起和抗管涌稳定性验算；坑外土体土压力则按朗肯土压力模式计算，水土分算，C，φ值取图3中的固结快剪峰值指标；地面附加荷载取20 kPa；地下水位按地表下0.5 m计。

4.2.1 计算工况

为施工方便、节约工期、控制成本，基坑施工采用明挖顺筑法施工，具体工况为：沿基坑深度方向从上至下挖土至对应标高的支撑顶部，然后及时浇筑混凝土支撑，直至挖至坑底做素混凝土垫层并浇筑混凝土底板；待底板达到设计强度后拆除第三道支撑；待下二层板达到设计强度后拆除第二道支撑；待下一层板达到强度拆除第一道支撑；最后浇筑顶板，外墙防水施工，完成后进行坑壁回填，割除钢格构柱。

4.2.2 地连墙结构内力及位移验算

实际模拟整个施工工况，分析在各工况下的内力并对其进行包络设计，对应进行了配筋计算；连续墙的设计厚度最终取800 mm，可以满足承载力极限状态要求，结构位移为12.9 mm，小于0.3%H（H为基坑深度），设计满足安全性要求，见图6。

图6 剖面变形内力包络图

4.2.3 整体稳定性验算

本基坑的整体稳定性采用瑞典条分法计算，得到的整体稳定性系数2.61＞1.25。一般来讲，考虑内支撑作用时，通常不会发生整体稳定破坏。因此，对于只设一道支撑的支护结构，需验算整体滑动，对设多道内支撑时可不作验算[1]。

4.2.4 抗倾覆稳定性验算

由于本围护有三道内支撑，不存在绕支护底端的倾覆稳定问题，只需验算以最下一道支撑支点的倾覆，经计算，抗倾覆系数为2.36＞1.2，满足规范要求。

4.2.5 抗隆起稳定性验算

本工程坑底土体强度较低，为防止因地下连续墙嵌固深度过小而引起土体向基坑内隆起挤出，故须对深基坑进行抗隆起破坏验算。抗隆起稳定性的计算方法采用圆弧滑动法，经计算，抗隆起安全系数为3.27＞2.2，满足规范要求。

4.2.6 支撑验算

本次支撑体系与围护墙进行联合分析。计算结果见表2，支撑和承载力均满足要求。

表2 支撑体系验算表

4.3 基坑辅助设计措施

1）地下连续墙槽壁加固

基坑工程的环境保护等级为一级或基坑开挖深度范围的土层中粉性土或砂土较厚时，宜采用槽壁预加固的措施[2]。本基坑环境保护等级为二级，且基坑开挖深度范围内有较厚的粉土，为保证地下连续墙成槽过程的施工质量，故在槽壁顶两侧同时采用了Φ850 mm三轴搅拌桩加固的措施。同时考虑到节约造价，槽壁顶外侧加固采用套打、内侧采用搭接的形式，使得剖面设计更为完善。

2）基坑降水设计

因周边环境复杂、建筑物距基坑距离较近，且基底位于③2砂质粉土中，可采用地下连续墙兼作竖直隔水帷幕+坑内管井井点的降水方案，对基坑坑内进行疏干降水。降水井按降水面积约200 m2进行交错布置，降水须将基坑内水位降低到基底以下1.0 m。

另外，基坑承压水含水层为⑦1层砂质粉土。根据规范要求，承压水作用下的坑底突涌稳定性安全系数不应小于1.1[3]。本次基坑一般区域开挖深度达15.3 m，承压水水头埋深在3.0 m～12 m，设计须按最不利承压水头3 m进行计算，根据基坑各边地质钻孔展开剖面图，复核了抗突涌稳定性验算结果见表3。

表3 抗突涌稳定性验算表

根据验算结果，正常基坑开挖深度情况下仅有东北区域G1孔、C1孔、G2孔抗突涌稳定系数不满足要求，基坑须在东北侧区域布置3口降压备用井，均布置局部深坑附近，基坑开挖期间根据承压水头监测情况按需降压。

5 结论

以上海市区某深基坑工程设计为背景，通过介绍深基坑的工程地质及复杂的周边环境条件，重点分析了深基坑围护结构体的剖面设计和三道混凝土支撑的结构设计，并同时运用同济启明星深基坑计算软件进行了有限元计算复核的设计流程。最终结果表明：设计采用地下连续墙加三道内支撑支护在软土地区开挖深度15.0 m左右、周边环境保护要求严格、施工用地比较紧张、防渗透性能要求高的深基坑是合理的设计。另外，为了更好的控制基坑的变形、保护周边环境，设计时采用了对地下连续墙两侧土体进行了加固的辅助设计措施，并采用了竖直隔水帷幕+坑内管井降潜水和按需降承压水的降水方案，使基坑围护设计更加完善。