深厚软土地区地下立体车库深基坑设计与变形分析

蔡丰锡，张振凯，郑亚宁

(浙江嘉华建筑设计研究院有限公司，浙江 瑞安 325200)

0 引 言

随着我国城市化进程的不断推进，大量人口向城市中心流入和集聚，城市中心交通拥堵和停车位短缺问题日益严峻，为了解决这些问题与矛盾，一些城市利用城市形象提升的契机在市中心绿地、老小区空地或休闲广场修建地下立体车库。伴随着地下立体车库的快速发展，其深基坑工程也向着更深更复杂方向发展，给深基坑设计和施工带来更大的难度和挑战，尤其是在深厚软土地区。本文结合实际工程案例，对深厚软土地区类似工程的设计方案选型、施工措施以及变形控制进行了详细的阐述，积累了宝贵的工程经验，为地下立体车库的发展提供支撑。

1 工程概况

此次研究对象为拟建的瑞安市安阳路地下立体车库，工程位于瑞安市安阳路和塘河北路交叉口。地上建筑为2层，地下停车层数为4层，框架结构，工程桩采用钻孔灌注桩，基坑开挖深度为11.15～11.45 m，电梯井坑等深坑开挖深度为12.85 m。

基坑开挖深度范围内，浅层为素填土和黏土硬壳层，两者合计厚度1.7～3.4 m，下部为2-1淤泥和2-2淤泥，两者合计厚度为21.2～25.0 m，淤泥层往下为厚度在25.0～32.0 m黏土层。开挖影响深度范围内所取原状土样做水平、垂直渗透试验和剪切试验，土的黏聚力с、内摩擦角Φ通过固结快剪试验得到，经数理统计后得到以下基坑支护计算所需地基土参数指标(表1)。

表1 基坑支护地基土设计参数表

本基坑工程周边环境非常复杂，东侧为杨家桥河，基坑与河道之间距离为1.55～7.45 m，河道水面较地面低约1.2 m，水深约2.5 m，该河道驳坎为浆砌驳坎，修建于20多年前；南侧为塘河北路，基坑与道路之间距离约为10.5 m，道路下埋设有给水管、煤气管和电力；西侧为已建安阳路，道路宽度约为20 m，基坑与道路红线之间最小距离为1.94 m，安阳路下埋设有雨水管、电力、给水管、污水管和煤气管；北侧为公园绿地，属于本次绿地改造提升范围。基坑总平面图如图1所示。

图1 基坑总平面图

2 基坑方案选型

2.1 工程特点

从基坑的形状、开挖深度、地质条件以及周边环境来分析，该基坑工程具有以下4个特点：

(1) 本基坑开挖深度为11.15～12.85 m，开挖深度范围内影响土层自上而下依次为杂填土层、黏土层、淤泥层和黏土层，其中淤泥层厚度为21～25 m，含水量高达65.1%，呈流塑状，抗剪强度极差、承载力极低，易出现坑底土体隆起现象，基坑设计中需充分考虑场地地质条件的不利影响。

(2) 场地西侧为已建安阳路，安阳路作为瑞安市南北交通主干道，平时交通流量大且道路刚完成提升改造，同时道路下有较多地下管线(包括给水管、燃气管等压力管线)分布，在基坑开挖期间需予以重点保护，要求本基坑设计需充分控制围护体的侧向变形和稳定，确保基坑开挖和地下室施工期间道路的正常使用。

(3) 基坑东侧为河道，围护设计需对基坑采取有效的防渗漏措施，防止强降雨期间河水涨幅对基坑施工的不利影响。同时，由于河床埋深与地面高差较大，而西侧主干道平时车流量较大，导致东、西两侧主动土压力不平衡，需考虑采取适当措施消除其不利影响。

(4) 基坑与周边用地红线之间距离极小，且基坑地处瑞安市中心地段，场地狭长，给基坑施工和出土带来很大不便，将大大增加施工工期和基坑暴露时间，给基坑安全带来不确定因素。

2.2 基坑围护方案选型

综合考虑本基坑开挖深度、周边环境和地质情况，可考虑的围护方案有：

(1) 方案一：地下连续墙加两道钢筋混凝土内支撑方案；

(2) 方案二：排桩加两道钢筋混凝土内支撑方案；

(3) 方案三：排桩加三道钢筋混凝土内支撑方案；

(4) 方案四：排桩加一道钢筋混凝土+两道预应力组合型钢内支撑方案。

典型设计剖面如图2所示。

2.2.1 方案一

即地下连续墙加两道钢筋混凝土内支撑方案。该方案围护结构刚度大，对周边环境变形控制相对比较有利，但施工技术要求较高，工程造价也高，为确保地下室外墙不渗水，常需设置衬墙，这样既增加了费用，也减小了地下室空间。

2.2.2 方案二

即排桩加两道钢筋混凝土内支撑方案。该方案属传统的基坑围护方式，技术工艺成熟，施工质量有保障，但由于本工程开挖深度较深，设置两道钢筋混凝土内支撑，第一道支撑与第二道支撑、第二道支撑与开挖面之间的距离均超过5 m，围护桩桩径取为1 000 mm和1 100 mm，并结合被动区加固的情况下，经计算，围护结构深层土体变形达51.8～59.50 mm，桩身弯矩达1 700～1 987 kN·m，对周边环境控制比较不利，且桩身配筋过大不经济。

2.2.3 方案三

即排桩加三道钢筋混凝土内支撑方案。该方案属于方案二的优化版本，通过设置三道钢筋混凝土内支撑，减小第一道支撑与第二道支撑、第二道支撑与第三道支撑、第三道支撑与开挖面之间的距离，尤其是第三者，通过对支撑在竖向上的合理布置，可使土体变形得到有效控制，同时桩身弯矩又比较小，从而达到安全性和经济性的最佳平衡，围护桩桩径取900 mm和1 000 mm，仅在关键部位设置被动区加固，被动区加固仅作为安全储备考虑。经计算，围护结构深层土体变形为50.0～59.8 mm，桩身弯矩为1 368～1 910 kN·m，变形控制和桩身配筋较方案二均有优势。

图2 典型设计剖面图

2.2.4 方案四

即排桩加一道钢筋混凝土+两道组合型钢内支撑方案。该方案属于方案三的优化版本，将下面两道内支撑调整为预应力组合型钢内支撑，通过在钢支撑上设置预应力或设置轴力伺服系统能更好地控制围护结构变形[1]。但由于施工机械不能碰压钢支撑系统，同时本工程体型狭长的特征无法满足盆式开挖的条件，只能采用先撑后挖的挖土方式。本工程基坑开挖深度范围内基本均为流塑性淤泥，这将给基坑土方开挖带来很大的难度，且本地区无该工艺成熟的施工队伍。

综合考虑施工便利、周边环境、工程造价和工程进度等各方面因素，本工程确定采用方案三，即排桩加三道混凝土内支撑的支护形式。

2.3 基坑设计控制要点

2.3.1 止水帷幕

本工程基坑开挖深度较深，单轴水泥搅拌桩自身工艺限制无法满足施工质量要求，因此本工程止水帷幕可采用三轴水泥搅拌桩或高压旋喷桩。考虑本工程紧邻已建道路和河道，河道驳坎修建年代久远工程质量难以保障，同时，三轴水泥搅拌桩施工需占用的空间较大，对场地承载力的要求也较高，临近河道施工时存在安全隐患，故本工程采取高压旋喷桩作为止水帷幕。但是高压旋喷桩施工对周边环境存在一定的影响[2]，且围护结构与河岸距离过小，高压旋喷桩施工存在浆液渗漏污染环境问题，因此在道路侧与河道侧高压旋喷桩平面采取嵌桩的方式布置，施工工艺则采用定向摆喷的方式，以减小高压旋喷桩施工对周边环境的不利影响，布置方式如图3所示。

图3 高压止水帷幕平面布置图

另外，本工程基坑开挖面以下尚有10～15 m淤泥层，淤泥土层灵敏度高，相关工程案例表明坑底流塑性土体在机械开挖扰动后会在围护桩间流动[3]，因此需对止水幕墙的入土深度提出一定的要求，本基坑设计采用绕止水帷幕底抗隆起稳定安全系数大于1.0的设计方法，以避免或减小坑外土体由围护桩间向坑内隆起的可能性。

2.3.2 基坑漂移

本工程基坑东侧为河道且河床埋深较大，而基坑西侧安阳路平时车流量大、交通荷载大，造成东西两侧主动土压力非常不平衡，如不采取有效的工程措施将导致基坑整体向东侧漂移。本基坑设计采用在基坑东侧河道处堆填沙包以增加该侧主动土压力，同时，在基坑西侧道路侧增设被动区加固以增加该侧被动区土体抗力[4]，尽量减少基坑东西两侧主动土压力的差异。另外，在基坑应急措施中明确围护结构如发生反向变形时应及时在主动区增加沙包或土包进行反压，确保基坑两侧压力的平衡和变形的可控。

2.3.3 浅层变形控制

本工程基坑距离西侧安阳路最小距离仅1.94 m，开槽施工围护桩和施工冠梁与第一道支撑时，需充分考虑开槽施工可能造成的浅层地表变形，本基坑设计将第一道支撑顶标高与现状地表做平，尽量减少开槽施工的深度以控制浅层变形。

3 基坑监测结果与变形分析

为确保基坑的安全和保护基坑周边环境，在整个施工过程中对基坑进行了全过程监测，实行动态管理和信息化施工并为优化设计提供依据。本工程共设置：9个深层土体水平位移监测孔，每层布置6个轴力监测点，4个立柱沉降观测点，12个坑外地表沉降及水平位移监测点，12个围护桩桩顶位移监测点，周边地下管线、驳坎等布置19个监测点。监测工作从基坑土方开挖开始到地下室施工完成肥槽回填完成而结束，累计测量次数为132次。

根据设计计算要求，土体深层位移报警值为60 mm。根据现场监测结果显示，开挖至底板垫层底时基坑周边布置的9个测斜孔CX1～CX9的最大水平位移值分别为50.11 mm、52.43 mm、52.30 mm、47.95 mm、59.72 mm、61.50 mm、62.92 mm、56.65 mm，水平位移累计值基本在深层位移报警值之下或稍稍超出报警值一点，与设计计算结果基本吻合。以河边测斜孔CX3和道路侧测斜孔CX7为例，实测值与计算值对比如图4所示，根据实测结果可知，河边侧各孔实测位移均小于计算值，道路侧各孔实测位移基本与计算值持平，笔者分析其原因主要为河边实际超载小于设计计算采用的15 kPa。

图4 测斜孔CX3/CX7计算值与实测结果对比

地下室结构完成时测斜孔CX1～CX9的最大水平位移值分别为70.25 mm、57.29 mm、64.09 mm、57.34 mm、85.87 mm、86.86 mm、83.22 mm、83.35 mm、85.92 mm，除河道侧以外，其余各侧测斜孔水平位移累计值均超出规范规定的变形允许值0.5%h[5]、深层位移报警值和理论计算值较多，笔者分析出现这种情况的主要原因有以下几点：

(1) 基坑东侧距离河道很近，最小距离仅1.55 m，而且河道驳坎修建年代久远现状质量较差，基坑东西两侧土压力存在较大不平衡，基坑存在整体漂移的情况，根据河道侧测斜孔CX2～CX4实测结果(图5)可以发现，围护桩桩顶变形均有向基坑外发展的情况。因此，被动区加固等措施无法从根本上解决基坑受力不平衡的问题，此消彼长，道路侧变形发展大大超出预期，由于西侧安阳路刚完成改造提升，基础整体性较好，在安阳路西侧路缘石处发现约10 mm裂缝。

(2) 大量深厚软土地区的深基坑工程实践表明[6，7]，软土存在流变性，基坑围护结构变形随着开挖暴露时间的延长而增加，同时，在附加交通动载的作用下，软土流变效应尤为明显。根据本工程施工日志可知，本基坑开挖期间由于中高考、渣土消纳后场紧缺以及台风天气等客观因素，在基坑开挖后出现累计约1个月的停工情况，大大增加了基坑暴露时间，道路侧实际累计变形均超计算值约30%。

(3) 基坑西侧安阳路为瑞安市南北向交通主干道，车流密集，设计考虑的25 kPa超载偏小，这些交通动载对流塑性土体的作用主要分为两个部分，一方面造成土体的压缩变形，另一方面对高灵敏度土体的扰动，随着基坑实际暴露时间的增加，土体变形发展进一步加剧。

(4) 本基坑场地原为城市街头绿地，地表杂填土最大厚度达3.2 m且含粒径较大块石，导致本工程围护结构成桩质量和垂直度难以得到保障，根据现场开挖出来的情况可以发现，个别围护桩露筋情况明显，个别围护桩垂直度远超规范要求，致使被动区加固桩与围护桩无法贴合且围护桩之间净间距过大存在桩间流土的情况，加大了坑外土体变形量。

图5 测斜孔CX2～CX4实测结果

4 结束语

瑞安市安阳路地下立体车库工程开挖深度深、土质条件差和周边环境复杂，围护设计采用钻孔灌注桩加三道内支撑的支护体系是合理可行的，采用嵌桩式定向摆喷的高压旋喷桩作为止水帷幕取得了预期效果。采用绕止水帷幕底抗隆起稳定安全系数大于1.0的设计方法，能有效减小坑底隆起风险和隆起量。被动区加固等措施不能从根本上解决基坑两侧土压力不平衡问题，基坑存在整体漂移可能，加剧基坑变形的发展，以后类似工程中需予以重视。深基坑开挖过程中高灵敏度软土的流塑性同样不容忽视，尤其是基坑周边存在附加动载的情况下，本案道路侧深层累计变形超设计计算值约30%。对于深厚软土地区深基坑工程，围护桩施工过程中桩身垂直度控制尤为重要，垂直度控制不力将导致围护桩间净距加大，桩间土拱效应无法抵抗主动土压力引起的桩间流土情况，从而加剧基坑变形的发展和对基坑周边环境的不利影响。