人防基坑工程支护设计关键性问题及方案

余敦猛

(武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北 武汉 430023)

新的基础设施建设将大大推动基坑工程的建设。一方面，基坑工程项目的深度和范围日益增加；另一方面，目前在城市建造的大量高层建筑物也使得基坑工程项目的建设非常困难。在某些与复杂地质层建造有关的复杂土壤中，土壤的特征，深入挖掘，邻近建筑物的建设范围，尤其是附近的邻近建筑物等，这些因素对基坑的变形很敏感，这就导致了在支护过程中的复杂性较大，同时支护施工周期长、工序复杂，造价较高，为了避免可能出现的不确定性问题。因此，有必要针对基坑工程的支护设计及施工进行重点关注，做好支护方案的设计和施工技法的优化。

1 工程概况

1.1 场地位置

本工程位于武汉市武昌区，健康路南侧，和平大道西侧。该工程为地下二层建筑，本工程±0.000相当于1985国家高程基准系统标高35.500m，场平标高约37.000m。基坑设计使用年限不超过12个月。本工程±0.000相当于1985国家高程基准系统标高23.32m，场地标高约24.20～26.08m，基坑施工前整平到25.12m。

两层地下室，采用桩基础。基坑面积约12413m，基坑深度13.0m，基坑周长约528m，东西长约200m，南北宽度约34～85m。

拟建健康路西段公用人防工程位于武汉市武昌区，西部与临江大道相接，东部与和平大道相接，北面为江南明珠园，南面为万达公馆。现状地面下市政管线复杂，涉及水务、煤气、电信、电力等多种市政管线，地面标高在23.25～26.08m之间（以孔口标高计），地势略有起伏。场地地貌形态属长江冲洪积一级阶地，根据场区原始地形条件及地层的水理性质、赋水性能及地下水的埋藏条件等分析判断，在勘探深度范围内拟建场地地下水类型可分为上层滞水、孔隙水及基岩裂隙水。项目区位图如图1所示。

1.2 基坑周边环境状况

1.2.1 基坑周边环境状况

东侧：为和平大道和规划5号线，支护桩边线距离道路边线最近距离为7.9m，距离5号线控制线最近距离为7.2m。地下室先施工，5号线后施工。

南侧：为万达公馆，支护桩边线距离万达公馆建筑物最近距离为11.3m。

西侧：万达售楼部（基坑施工前迁移），支护桩边线距离售楼部外墙最近距离为2.1m，支护桩边线距离堤防控制线最近距离为54.1m，距离堤脚线最近距离为98.0m。

北侧：规划新河街，支护桩边线距离现状道路围墙边线最近距离为1.8m。

图1 项目区位图

1.2.2 地下管线分布状况

根据业主提供资料，基坑东南角用地红线范围内分布着电力管线和高压电缆管线，基坑施工前应迁移。

东侧：和平大道分布着电信、电力、给水、雨水、污水等多条管线，距离最近的为电信管线，距离支护桩边线最近距离为10.3m。

南侧：分布着供水、污水、雨水和燃气管线，距离支护桩边线最近距离分别为4.1m、5.0m、6.5m、17.2m。

西侧：沿江大道分布着多条市政管线，距离基坑最近的为电力管线，距离为49.9m。

北侧：分布着给水、排水管线和电力管线，给水管线距离了支护桩边线最近距离了为4.5m，排水管线距离支护桩边线最近距离为7.1m，电力管线距离支护桩边线最近距离为9.3m。

1.3 工程地质和水位地质概况

1.3.1 工程地质概况

根据场地岩土工程勘察报告，场地属于长江冲洪积一级阶地。基坑开挖深度影响范围内土层自上而下为：1）杂填土和（1-2）素填土：场地较普遍分布，厚度较大，结构松散，密实度不均匀，工程性质差。作为坑壁土层，自稳性差；2）粉质黏土夹粉土、粉砂：粉质黏土呈可塑状态，局部软塑，粉土呈中密状态，粉砂呈松散状态，该层土具中等承载力、中压缩性。（2a）粉砂：呈松散状态，该层土具中等承载力、中压缩性。（3-1）粉质黏土：呈可塑状态，局部为软塑，该层土具中等承载力，中压缩性。（3-1a）淤泥质粉质黏土：呈流塑状态，该层土具有低承载力、高压缩性的特点，工程性质差。 （3-1b）粉质黏土：呈软塑状态，该层土承载力较低、中偏高压缩性。（3-2）粉质黏土夹粉土、粉砂：粉质黏土呈软塑状态，粉土呈中密状态，粉砂呈稍密状态，该层土具中等承载力、中压缩性。（3-2a）黏土：呈软塑状态，该层土具低承载力、中偏高压缩性，工程性质差。 （3-2b）淤泥质黏土：呈流塑状态，该层土具有低承载力、高压缩性的特点，工程性质差。（4-1）粉细砂、（4-2）细砂，呈稍密-中密-密实状态，该层土具中等承载力。

开挖时，在水的动态效应下，基坑的底部3-2将层产生流土流砂现象，直接影响基坑的稳定性，因此地下水对基坑施工产生了很大的影响。而基岩裂隙水主要存在于低基岩石中，主要接收上层水层中的渗漏的地下水。基岩裂隙水和压力之间存在关联，对基坑工程的影响较小。

1.3.2 水文地质概况

基坑开挖影响深度范围内地下水主要为地下水类型可分为上层滞水、孔隙承压水及基岩裂隙水。

1）上层滞水：主要赋存于①层人工填土层中，受大气降水及周边湖塘渗透补给，无统一自由水面，水位及水量随大气降水的大小而波动。

2）孔隙承压水：孔隙承压水主要赋存于④层中，其上覆③层黏性土可视为相对隔水顶板，下卧⑤层泥岩和石灰岩可视为隔水底板。承压水受季节性影响且与长江水有一定水力联系，主要受侧向径流补给与排泄，枯水季节水位较低，丰水雨季则较高，对工程影响较大；承压水测压水位标高为18.55～19.00m。随着长江水位的升降，承压水位根据区域水文地质资料年变化幅度为3～4m，预估历年最高承压水测压水位标高20.0m左右。

3）基岩裂隙水：主要赋存于下部基岩中，主要接受其上部含水层中地下水的下渗及侧向渗流补给。基岩裂隙水与承压水呈连通关系，对基坑工程施工影响较小。典型地质纵断面如图2所示。

1.4 基坑特点分析

根据以上基坑工程概况，可归纳基坑特点如下：1）基坑深、大：基坑深度深度约13.0m，基坑开挖面积12413m；2）工程地质条件较差：基坑位于一级阶地，基坑侧壁和基底土层较差；3）周边环境条件复杂：北侧紧邻健康路，东侧紧邻和平大道，南侧紧邻万达小区；4）地下水：基坑离长江约100m，位于长江500m保护范围内。根据勘察报告地下水量较丰富，对基坑影响较大；5）基坑形状不规则：基坑形状成不规则的三角形。

图2 典型地质纵断面图

2 基坑支护设计

2.1 设计标准及基本条件

根据基坑开挖深度、场地工程地质条件与水文地质条件及周边环境状况，按照湖北省地方标准《基坑工程技术规程》（DB 42/159—2012）判定基坑工程重要性等级为一级，基坑设计等级为甲级。基坑施工期间，地面荷载取20kPa；两道内支撑被动区抗力安全系数：Ktk≥1.05；抗隆起安全系数：K1q≥1.8；支护结构的设计水平位移允许值：δ≤40mm。

2.2 基坑支护结构设计

根据不同支护的段的地质条件概况和周边环境条件，以及基坑的特点，所有支护段均采用排桩+砼内支撑支护。桩间坡面采用C20喷射混凝土护面，挂φ6.5@200x200钢筋网。具体设计如下。

2.2.1 钻孔灌注桩及冠梁设计

所有支护段支护桩桩径1200mm，桩间距1.5m，桩长27～28m。

桩顶设置冠梁连接，冠梁规格为BH=1.4m×1.0m。基坑侧壁采用100mm厚C20喷射混凝土挂φ6.5@200mm×200mm钢筋网护面。

其他说明如下：钢筋采用HPB300钢筋，fy=270N/mm，HRB400钢筋，fy=360N/mm。灌注桩桩身采用钻孔成孔，C30水下混凝土浇筑，钢筋保护层厚度70mm。冠梁混凝土强度等级为C30，钢筋保护层厚度40mm。

2.2.2 内支撑设计

内支撑采用钢筋砼角撑方式，第一层内支撑角撑采用BH=1.0m×1.0m钢筋砼内支撑，连杆采用BH=0.8m×0.8m钢筋砼内支撑，内支撑中心标高24.62，内支撑支撑在冠梁上。第二层内支撑角撑采用BH=1.0m×1.2m钢筋砼内支撑，连杆采用BH=1.0m×1.0m钢筋砼内支撑，内支撑中心标高23.32，内支撑支撑在冠梁上。

钢筋砼支撑均采用C30混凝土现浇。钢筋砼支撑钢筋保护层厚度为40mm。施工时钢筋砼支撑下设置100mm厚C15素混凝土垫层。内支撑与相交冠梁、围檩、同一节点支撑结构应同时浇筑。

2.2.3 立柱设计

支撑下设置型钢格构柱、格构柱采用钻孔灌注桩基础。立柱原则上布置在支撑节点上，同时避开梁柱体系。立柱基础采用钻孔灌注桩基础，桩长20m，桩径0.8m，钢立柱采用4根∠160×160×16热轧等边角钢和缀板拼接而成，缀板采用450×200×12钢板，缀板间距0.75m。基坑支护平面示意图如图3所示。

2.2.4 地下水控制设计

根据岩土工程勘察报告，本场区的地下水主要为填土层中的上层滞水和孔隙微承压水。上层滞水水量较少，对基坑影响较小，采用抽排处理；孔隙微承压水采用深井降水。

1）地表水：在基坑周边设置排水沟截排生活污水和地表水；2）上层滞水：坑底设置排水沟+集水井加以潜水泵抽排；3）孔隙承压水：在基坑内部布置6口观测井兼备用井，井深35m。管井钻孔孔径均为550mm，采用冲击钻或回转钻机清水固壁钻进，内置250mm的滤水钢管。

图3 基坑支护平面示意图

2.2.5 设计计算

对于基坑设计，根据地质调查，在基坑的边界上选择一些钻孔以计算支撑结构，本次使用地质勘察的包络设计，选择具有特征的厚土壤的钻孔层进行计算。同时，基于地质和环境，将基坑分为几个部分，选择淤泥质豁土较厚剖面作为计算示例，A-B段，桩身直径1.2m，灌注桩设计弯矩取2968kN.m，剪力设计值取671kN，采用《理正结构工具箱》进行桩身配筋计算。基坑支护计算模型如图4所示。

图4 灌注桩计算简图

采用“天汉深基坑设计软件”计算，本基坑支护计算结果汇总见下表，具体计算结果详见附表2。

表2 基坑支护计算数据汇总表

2.3 基坑抗突涌验算

2.3.1 设计标准

本次基坑面积较大，深度大，基坑抗承压水突涌稳定系数不小于1.2，局部电梯井，面积较小，基坑抗承压水突涌稳定系数不小于1.05。

2.3.2 抗突涌验算

依据湖北省《基坑工程技术规程》（DB42/T159—2012），抗突涌稳定验算公式为：Kty·Hw·γw≤D·γ。

式中，D—坑底至承压含水层顶面的距离，m；γw—水的重度，取10kN/m；γ—D范围内土的平均天然重量kN/m；Hw—承压水位高于含水层顶面的高度，m；Kty—坑底突涌抗力分项系数，取1.20。

按最不利钻孔ZK60号钻孔，进行抗突涌验算如下：

由于：Kty·Hw·γw=12Hw≤D·γ=201.5，得Hw≤16.8

临界承压水位H=16.8+1.4=18.2

电梯井区域，根据地标Kty—坑底突涌抗力分项系数，取1.05。

按电梯井区域最不利钻孔CK22号钻孔，进行抗突涌验算如下：

由于：Kty·Hw·γw=10.5Hw≤D·γ=195.9，得Hw≤18.66

临界承压水位H=18.66+0.1=18.7m

因此，场地承压水位低于18.2m，基坑将不会产生突涌；当承压水位高于18.2m，基坑施工必须进行降水。

2.3.3 基坑涌水量计算

场地丰水期承压水位按24m考虑，根据基坑管井降水工程技术规程（DB42/T 830—2012）公式以及勘察报告提供的水文地质参数，以最不利钻孔CK59为例，进行基坑涌水量估算如下：

式中：k——含水层渗透系数（m/d）；M——含水层厚度（m）；l——过滤器进水部分长度（m）；R——引用影响半径（m）；r——基坑半径（m）；s——基坑地下水位设计降深（m）

根据勘察报告及基坑深度，k=15m/d，M=21m，s=7m，R=200m，r=62.88m，l=7m，计算基坑涌水量为8877m/d。

管井单井涌水量计算：

根据基坑管井降水工程技术规程（DB42/T 830—2012）公式以及勘察报告提供的水文地质参数，管井单井出水能力计算如下：

式中：k——含水层渗透系数（m/d）；q——单井出能力（m/d）；l——过滤器进水部分长度（m）；r——基坑半径（m）；根据勘察报告，k=15m/d，ru=0.275m，l=7m，计算单井涌水量为1788.8m/d。考虑群井干扰等其他条件，管井设计单井出水量为1440 m/d，则基坑需要的降水井数量为：n=1.1×8877/1440=6.8

因此，基坑丰水期需要降水井数量为7口。

在基坑范围内布置7口观测井兼备用井，管井孔径为550mm，管径为250mm，管井长度为35m，降水井设计抽水量50～70t/h。当监测到承压水位高于18.2m时，进行降水，将承压水位应降至18.2m以下即可。在降水实施过程中，应先施工具有代表性的1～2口井进行抽水试验，校核水文地质设计参数后，方可进行其它降水井的施工。如发现水位地质参数与勘察报告和设计取值有差异，及时提交设计方复核。

2.4 监测

根据技术要求，基坑支护项目的监测主要在水平变化，支撑力，水位，孔周围建筑物的崩溃以及周围道路的沉降。基于确定的结果，基坑桩顶水平位移的警报值在30mm或5mm/d的垂直警报下水平变化；表面沉降报警值为25mm或速度为5mm/d；轴力的报警值为70%的设计值；地下水位的报警值为1000mm或500mm/d的下降。

3 结语

基坑设计的过程是一个非常复杂的过程，在对勘察资料、环境，基坑深度深入了解后，选择最符合实际，成本和环境友好，具有安全性的设计方案。基坑设计是一个单元计算，不但需要分析渗透条件、突涌以及完整的监测系统等，还需要考虑相关措施和紧急施工技术。