复杂环境下软土基坑支护设计实践与分析

2022-04-11王海成刘秀珍

岩土工程技术 2022年2期

王海成刘秀珍张龙

（中机三勘岩土工程有限公司，湖北武汉 430074）

0 引言

随着我国城市建设和地下空间开发的快速发展，基坑工程所面临的问题也越来越复杂，无论环境条件：临近建（构）筑物、地铁、隧道、高架桥等，还是地质条件：深厚淤泥、溶洞、地下水等，均给基坑工程带来新的挑战。众多专家学者针对上述问题开展了相关研究工作[1-11]。刘合寨等[12]结合上海某基坑实例，阐述了大面积不规则软土深基坑支护的重点和难点，提出应用“时空效应”原理分区、分块开挖土方对控制变形的重要性。这种通过优化基坑支护轮廓使得支护体系受力更加合理，避免出现应力集中现象的方法是有效的。何世达等[13]结合具体的工程实例,介绍了船式支护的侧壁及底板的设计方法，基于该方法支护方式既可避免支护桩嵌固深度过长,又利于软土的土方开挖及工程桩的保护，是安全可靠的，其研究成果在基坑面积不大或条形的基坑中，具有明显的成本优势。李夕林等[14]借助上海某软土基坑案例，提出在环境保护要求较高的条件下采用地下连续墙加多道内支撑等设计、施工措施来控制基坑变形是有效的。文中指出的基坑周边对变形较敏感的建构筑物，通过设置隔离桩的方式，来达到变形控制的目的，其方法值得借鉴。周赞良等[15]针对填海软土地区深基坑采用的排桩加上部内支撑、下部预应力锚索复合支护结构进行了分析，得出上撑下锚复合支护结构在软土地区施工具有造价优越性。借助其数值模拟及监测数据得出该支护方案是安全的，且为后续主体结构施工提供了最大便利。

以上研究从不同角度分析了复杂条件下软土基坑设计的特点。以武汉市江岸区某深厚软土深基坑工程为例，分析该项目的重点、难点并提出应对措施，通过方案对比最终选择排桩+内支撑的支护方式，采用天汉软件进行模拟计算并结合监测数据进一步印证了支护方案的合理性，可为类似工程提供参考。

1 工程概况

该项目位于武汉市江岸区，设置两层地下停车场。基坑形状呈矩形，开口面积约6500 m2，周长约240 m。该项目正负零标高20.60 m，地面标高20.80 m，基坑开挖深度约12.4 m。

基坑周边环境情况复杂，紧邻市政道路、已建小区（该小区设置一层地下室，灌注桩基础），基坑东侧距离已建成的姑嫂树高架桥约18～23 m（见表1、图1）。

表1 基坑周边环境情况说明

图1 基坑支护范围及周边环境图

2 工程地质与水文地质条件

场地位于武汉市江岸区姑嫂树路以西、常青五路北侧。地势比较平坦，地面高程为20.4～21.9 m，地貌上属长江Ⅰ级阶地后缘。场地在勘探深度范围内所分布的地层为：表层分布有厚度不等的填土，其下为第四系全新统冲积成因一般黏性土、软土及第四系上更新统冲洪积成因砂土层。各土层空间分布及主要特性见表2。

表2 土层参数一览表

本场地地下水类型可分为上下两层：上层为赋存于(1)杂填土的上层滞水，一般受大气降水及人工排水补给，水位水量随季节而变化，测得上层滞水稳定水位埋深1.2～1.9 m，对应标高为18.8～20.4 m；下层水为赋存于下部⑤-⑥层中的承压水，与长江有密切的水力联系，其水位受长江水位变化影响，水量丰富（见图2）。

图2 典型地层剖面及地下水示意图（单位：m）

3 基坑重点、难点分析及应对措施

武汉地区软土具有低强度、低渗透性、高灵敏度、流变性及不均匀性等特征，因此软土基坑开挖极易导致周边环境出现开裂、沉降等现象。解决上述问题是基坑工程的关键。

3.1 基坑重点

（1）保护周边环境，严格控制支护体系变形。尤其是保护东侧的高架桥、基坑周边道路及对变形较敏感管线等。

对策：选择刚度较大的支护体系，以利控制变形。同时严格把控基坑侧壁止水帷幕的施工质量，以免桩间水土流失进而引发地面沉降。

（2）基坑降水会导致周边土体有效应力增大，进而引发地面沉降。

对策：最大限度地减少地下水抽排，按需降水。根据实时水位动态调整降水井的开启或关闭，满足坑底干作业即可，以达到减少抽水的目的。

3.2 基坑难点

（1）场地空间紧张，无法形成环形施工道路，导致土方开挖受限，出土效率低下。

对策：基坑南侧设置下坑栈桥，且同时满足两辆土方车辆行驶，提高效率。

（2）基坑侧壁及基底为流塑软土，土方开挖难点大，极易造成坑内隆起，应对工程桩加强保护。

对策：由于基坑土质条件较差，土方开挖应严格按照分层对称开挖的原则，每层开挖深度不得大于1.5 m，严禁超挖，以免局部超挖导致工程桩受力不均变形过大。

4 支护方案

本基坑工程周边环境条件复杂，尤其是东侧紧邻现有姑嫂树高架桥，应严格控制基坑的变形。根据武汉市类似工程经验，一般采用排桩或地连墙+内支撑+止水的方案。综合考虑工期、造价等因素，最终选择灌注桩+两层钢筋混凝土内支撑+三轴搅拌桩侧壁止水止淤+降水井减压降水的支护方案。

4.1 支护体系

支护桩采用钻孔灌注桩φ1200@1500 mm 和φ1400@1700 mm，有效桩长30.1 m，冠梁顶与现状地面标高持平。支护桩后侧设置三轴搅拌桩止水、止淤(φ850@1200 mm)套打施工。局部空间紧张无法施工三轴搅拌桩区域，改为支护桩间设置高压旋喷桩进行桩间止水、止淤。

由于场地条件紧张，无法设置环形施工道路，且需借助内支撑体系作为材料堆场以利后续施工，综合考虑以上因素及现场出土口的布设，最终确定第一层内支撑的顶标高与现状地面相平，局部内支撑顶部设置钢筋混凝土板带作为施工过程中的材料堆放平台，同时独立设置出土栈桥，提高出土的效率。典型支护剖面、内支撑布置见图3、图4。

图3 典型基坑支护剖面图（单位：mm）

图4 内支撑平面布置图

4.2 基坑东侧高架桥部位变形控制措施

基坑东侧紧邻现有姑嫂树路高架桥，属于该项目的重点保护区域，根据武汉市相关审查要求，该区支护桩最大水平位移应控制在20 mm 以内，为此，从以下几方面进行位移控制：

（1）采用较大直径的支护桩，该部位支护桩参数φ1400@1700 mm，其余部位支护桩直径为1200 mm。

（2）设置台阶状的被动区加固措施。加固体采用三轴搅拌桩工艺，咬合100 mm。三轴搅拌桩应先于支护桩施工，后续的支护桩切削加固体，实现加固体与支护桩密贴，以利控制变形（见图5）。

图5 被动区加固示意图（单位：mm）

（3）坡顶超载不得超过30 kPa。

（4）降水井应按需降水，实时动态监测地下水位，满足坑底干作业条件即可，不得超降。以免桩后土体有效应力增加过大，进而引发较大的地面沉降。

（5）根据地下室结构面标高与内支撑标高的相对关系确定拆撑时机。经复核第一层内支撑底标高与负一层结构顶板面标高之间的净高约700 mm。现场施工时选择待负一层的结构顶板施工完成且肥槽回填后，再拆除第一层内支撑，以利控制变形。

（6）土方分层对称开挖，每层开挖深度不得大于1.5 m，软土区域每层的开挖深度不得大于1.0 m。

（7）高架桥桥墩及邻近道路设置位移监测点，出现异常应及时通知相关单位进行处理。

4.3 支护结构计算

根据该项目的基坑支护方案，采用 “天汉”桩墙撑锚设计软件（V2005.1）进行计算。结果显示：基坑南侧、西侧及北侧的最大水平位移分别为26.2 mm、25.3 mm 及27.4 mm，基坑东侧采取位移控制措施后最大水平变形为19.8 mm，且最大位移均处在基坑的中间偏下部位（见图6）。

图6 基坑典型剖面计算结果

5 基坑监测数据分析

根据现场基坑变形监测报告，支护桩深层水平位移的变化趋势与计算结果基本一致。基坑南侧、西侧及北侧支护桩的最大水平位移约13.67 mm，由于基坑东侧采取了针对性的变形控制措施，支护桩最大水平位移约9.95 mm，相较于其它三侧变形量减小约27.2%。基坑周边建筑物最大沉降约8.5 mm，最大倾斜0.03%；由于基坑施工位于非汛期，降水井开启数量较少，地下水位最大降深值约3.0 m，因此由于降水引起的基坑周边沉降量较小；基坑东侧的高架桥桩属于嵌岩桩，桥墩部位最大沉降约1.8 mm；基坑周边地下管线最大沉降约12.3 mm；变形监测数据均在一级基坑监测变形的限值内，达到了预期目的（见图7）。

图7 基坑典型剖面水平位移图

圆环支撑距离支护桩边线较近的区域，支护桩水平变形量大于其它部位，是圆环内支撑水平刚度分布的差异性导致，可采用增设板带等措施进行局部刚度加强，以利控制内支撑体系的协调变形。监测数据比计算结果偏小，主要是由于现场施工时，内支撑体系局部增设了板带作为临时材料堆场，增大了内支撑的水平刚度，同时坡顶严格控制超载远小于设计取值，这些有利措施增加了基坑的安全储备。

综上，基坑支护体系实际的水平位移监测数据与软件计算结果变化趋势是基本一致的，基坑东侧采用的针对性变形控制措施是有效的，满足了设计要求。