复杂环境下深基坑围护设计研究

赵兵兵

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

2002年，河畔的钱江新城开建，为了解决新城的排涝问题，这条农灌渠被重新开挖、延伸。现在的新塘河，起于姚江路钱塘江，在三堡船闸处入运河，河道宽10多米，全长约6km。新塘河江干段，北起京杭大运河，南至清江路段，宛如一条碧带，坑围护是为了深基坑土方开挖及其他地下结构施工拥有安全作业空间，减少深基坑施工对周围建筑结构的不良影响，防止深基坑变形而采取的保护措施。深基坑施工具有风险性大、区域性强、时间效应强、系统性强等特点，而且受到环境条件影响比较大，处于复杂环境地区的深基坑工程必须要采取合理有效的围护措施，在基坑设计时需要考虑基坑变形控制问题，因为复杂的环境下深基坑工程很容易发生变形[1]。基坑变形分为水平位移和垂直下沉变形两种，如果基坑变形超出一定限值，并且不加以有效防范，很可能会降低基坑周边建筑物的使用寿命，并且影响到基坑周边建筑的正常使用，并且还会加速深基坑工程的失稳破坏[2]。近年来，城市建筑规模和数量不断增加，城市复杂环境下的深基坑变形问题更为严重，为此提出新塘河排水箱涵复杂环境下深基坑围护设计方案，此次以新塘河为例，其地质条件比较复杂，新塘河排涝泵站明渠尾端接排水箱涵直通钱塘江，对钱塘江的影响较大，该地区深基坑施工面临最大的问题是复杂的排涝泵站排水结构，设计围护方案降低深基坑施工对新塘河排水箱涵影响。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

河汇项目位于杭州市上城区钱江新城核心地段，本项目为杭州重点工程，未来杭州市新地标项目。地位于杭州季青街道，北临新塘河，西靠三新路，东依京杭运河，南至运河之江隧道，西南角为在建钱塘江博物馆。三面临水特征复杂，总建筑面积约137474.5m2，基坑周边场地整平后绝对标高为7.00～10.00m，(其中新塘河驳坎侧场地绝对标高为7.00～10.00m，东北角、新塘河泵站排水箱涵侧场地绝对标高为10.00m)，根据地势起伏(西低东高)。江河汇项目基坑大致呈矩形，面积约为32850m2，周长约为770m，长约260m，宽约135m，基坑工程开挖深度见表1。

表1 基坑工程开挖深度

现状场地较为起伏，整体呈西地东高，地下三层底板厚取800mm。综合考虑基底土质条件、坑边承台分布和垫层厚度，设计坑底标高为-8.20m(局部为-9.20m)。北侧为已建新塘河驳坎及新塘河排涝泵站，东侧为已建新塘河排水箱涵。基坑内边线与北侧新塘河驳坎水平间距约13.2m，与东北角新塘河排涝泵站水平间距约9.2m，与东侧新塘河泵站排水箱涵水平间距约7.7m。

1.2 地质条件

在勘探深度范围内可分为12个工程地质层，其物理力学特征见表2。

表2 深基坑工程土层物理力学参数指标汇总表

根据地勘报告，场地内填土厚度普遍较大，一般为3.0～8.0m左右，回填土多含碎石、建筑垃圾及生活垃圾等，尤其是1层杂填土，局部粗骨粒含量高达30%～60%，粒径一般2～8cm，最大粒径大于20cm。据现场地质调查，本场区地势平坦，受后期人类活动影响，地势稍有起伏。

2 基坑围护设计方案

2.1 基坑围护设计要求

根据的特点，基坑围护设计需重点考虑以下因素：周边环境复杂、保护要求高，南侧为已建运河之江隧道，东侧为已建排水箱涵，西侧为市政道路，北侧为新塘河驳坎，东北角为新塘河排涝泵站，西南角为在建钱塘江博物馆，同时西侧及西北角周边市政管线较多，基坑对变形均较为敏感，特别是东侧已建排水涵管、北侧新塘河驳坎以及东北角新塘河排涝泵站，位移控制要求高，需特别加强保护；开挖范围内为粉砂土，且紧邻钱塘江、京杭运河及新塘河，水源补给充沛，需做好降排水措施，避免基坑渗漏；同时淤泥质粘土位于坑底以下，且土层较薄，桩底容易进入土质较好的粘土层。基坑平面面积大，开挖深度深，空间效应较差；距离用地红线近，约3～4m，场地条件紧张；场地标高起伏大，西低东高，基坑受不均衡周边荷载作用，需合理考虑。

2.2 基坑围护方案

本着“确保安全、加快进度、节省造价、方便施工”的原则，经多方案分析比较，针对本工程实际情况、周边环境和邻近建构筑物的保护要求，最终确定采用如下方案：地下连续墙/钻孔灌注桩结合2～3道内支撑支护，其中新塘河排涝泵站、驳坎及排水箱涵侧采用φ1200和φ1400mm钻孔灌注桩结合3道水平支撑支护，围护结构平面布置图如图1所示。

图1 围护结构平面布置图

如图1所示，南侧紧邻运河之江隧道侧为1000mm厚地下连续墙，槽壁加固为φ850mm三轴水泥搅拌桩；东侧近运河侧(地势较高)为φ1200mm和φ1400mm钻孔灌注桩结合700mm厚TRD止水帷幕；其余范围φ1100mm和φ1300mm钻孔灌注桩结合700mm厚TRD止水帷幕。

2.2.1支撑体系

整体设置二道钢筋混凝土水平内支撑，南侧及东北角设置三道钢筋混凝土水平内支撑，东侧中部设置一道钢筋混凝土斜撑+二道钢筋混凝土水平内支撑，斜撑位置第二道支撑增设混凝土板带。各道支撑标高分别为9.00、3.75及-3.400m。

2.2.2降排水措施

TRD/三轴水泥搅拌桩均穿透粉砂土层进入下部不透水层，基坑外为控制性降水至地表下5m；运河之江隧道侧坑外为应急井，正常情况下不得开启，仅作为在发生渗漏险情的情况下方可开启使用(启用时降深应控制在5m以内)，使用前应征得设计单位同意[3]。根据相关设计规范，对承压水突涌复核计算：

γm(t+Δt)/Pw≥1.1

(1)

式中，γm—透水层以上土的饱和重度，kg/m3；t+Δt—透水层顶面距基坑底面的深度，m；Pw—含水层水压力，N。

经验算，土方开挖至基坑底标高时，抗突涌稳定性系数为1.22～1.45，大于规范要求的1.1，因此承压水对基坑开挖影响不大，无需采取专项处理措施。但仍应注意以下方面：确保所有地质勘察钻孔施工结束后均进行有效封孔；钻孔灌注桩施工时应控制泥浆的重度、黏度等指标，孔壁泥皮不宜过厚[4]。避免沿勘察钻孔或桩基侧壁形成承压水通道，影响基坑安全施工。坑中坑采用高压旋喷桩重力式挡墙结合坑内满堂加固，大门设置于西侧，土方车辆经栈桥至三新路出土，待施工单位确定后另行深化。

2.3 基坑施工顺序

2.3.1平面施工顺序

基坑应采取分区分块开挖，具体要求如下：(1)基坑应分层分块开挖，分层厚度不超过1.5m，沿基坑边20m作为一个施工段，各施工段之间应跳挖施工。(2)基坑按设计总说明中的要求分层分块施工至于支撑梁底标高后，剩余土方根据图纸中的分块，分成8个施工分块，按分块顺序开挖下层土方，前一分块底板施工完毕后，方可开挖下一分块支撑梁底标高以下的土方[5]。(3)各分块应结合后浇带设置，若分块与后浇带差距较大，应在相应位置增设施工缝或后浇带。

2.3.2斜撑范围施工顺序

三轴搅拌桩、TRD、地连墙、钻孔灌注桩、立柱桩施工；斜撑范围留土开挖至二道撑底，施工留土范围外二道梁及第一道斜向支撑；开挖留土范围土方，施工留土范围内第二道支撑梁；开挖至第三道支撑梁底，施工第三道支撑梁；开挖至坑底，施工底板；施工底板斜换撑，拆除第三道支撑；依次施工B2板、B1板及型钢斜换撑，拆除第一、二道支撑；施工地下室顶板，土方回填，拆除型钢斜换撑。

2.4 针对新塘河排涝泵站、驳坎及排水箱涵的保护措施

围护设计单位针对新塘河排涝泵站、驳坎及排水箱涵的保护措施如下。

(1)为防止地下水渗漏造成地表沉降并对新塘河排涝泵站、驳坎及排水箱涵产生不利影响，新塘河排涝泵站、驳坎及排水箱涵侧采用700厚TRD止水帷幕，并且TRD穿透淤泥质粉质黏土夹粉土层。

(2)北侧及东侧坑外控制性降水，降水至地表下5m。

(3)出土口设置在基坑西侧，避免出土车辆荷载对隧道的不利影响[6]。

(4)对基坑和新塘河排涝泵站、驳坎及排水箱涵进行全方位和全周期的监测，根据监测数据科学动态施工。

3 深基坑围护设计方案论证分析

结合基坑围护设计方案具体的施工工况要求，对深基坑围护设计方案进行论证分析，论证该设计方案的可行性。利用Plaxis软件对新塘河排水箱涵复杂环境下深基坑围护设计方案进行二维有限元分析，依据分析类型的不同，选取A-A、B-B、C-C 3个断面作为分析对象，分析土方开挖至第三道支撑底、土方开挖至坑底标高、拆除第一道支撑并完成换撑3个工况，基坑主体结构与排水箱涵位移情况，二维有限元计算结果汇总见表3。

表3 二维有限元计算结果汇总

通过二维有限元分析得出以下主要结论：随着旁侧基坑开挖，结构变形主要表现为水平方向开挖侧变形，竖直方向沉降，A-A断面当土方开挖至坑底标高时，围护结构的最大水平变形42.8mm，排水箱涵的最大水平变形25.51mm，最大沉降-21.68mm。B-B断面当土方开挖至坑底标高时，围护结构的最大水平变形42.52mm，驳坎的最大水平变形17.43mm，最大沉降-19.39mm。C-C断面当土方开挖至坑底标高时，围护结构的最大水平变形44.06mm，排涝泵站的最大水平变形8.066mm，最大沉降-7.074mm。

二维有限元计算只能考虑平面应变问题，因此无法完全反映基坑与隧道的真实关系。实际施工时沿隧道一侧基坑应采取分区、分块、分层开挖措施。为反映开挖实际情况，应进一步采用三维有限元分析软件，以进一步精确分析基坑开挖对隧道的影响。三维模型增加了新塘河排涝泵站、驳坎、排水箱涵在基坑围护结构延伸方向的维度。按照力学分析结果，模型横向边界到结构的边界的距离应大于3～5倍的结构尺寸，模型下边界到圆砾层，上部边界为地表。同时考虑到本模型主要考虑邻近基坑开挖对新塘河排涝泵站、驳坎、排水箱涵的影响，因此模型边界到基坑边的距离要大于1.5～2倍的基坑开挖深度。因此，模型的尺寸为420m×400m×60m，三维有限元计算结果汇总见表4。

表4 三维有限元计算结果汇总

通过三维有限元分析得出，上文提出深基坑围护设计方案可以满足GB 261448—2011《建筑地基基础设计规范》规定要求，严格按照设计提出的施工分块、控制施工时间、控制施工荷载等措施，在围护结构(围护桩、止水帷幕等)施工质量可靠的前提下，不会对新塘河排涝泵站、驳坎及排水箱涵结构的安全产生不利影响，变形总体满足控制要求[7]。尽管如此，考虑到基坑施工过程中的风险因素，围护结构的可靠性和实际施工应遵循“分层、限时”的原则，尽可能减少新塘河排涝泵站、驳坎及排水箱涵结构的风险。

4 结语

深基坑围护设计是深基坑施工方案设计中重点部分，设计一套科学合理的深基坑围护方案，对确保深基坑施工安全和质量具有重要作用，尤其是在复杂施工环境下，深基坑围护设计更是重中之重。此次针对新塘河排水箱涵复杂环境下深基坑变形问题，提出了一个围护设计方案，论证了该方案的可行性，结果表明方案切实可行，为临河区域排水箱涵复杂环境下深基坑围护施工提供了可靠的参考依据，为新塘河的发展提供了理论依据。由于基坑维护结果受力分析采用理论数值模拟分析，可能与实际地质情况存在一定偏差，基坑维护施工过着中，应加强施工质量控制，加强地下水位，支护结构位移及周边环境的监测。