武汉长江一级阶地基坑的设计分析与实践

2024-03-19王瑞芳

水利规划与设计 2024年3期

王瑞芳，李闯

(武汉科技大学城市建设学院土木系，湖北武汉 430065)

0 引言

近20多年来，随着土木工程的大量发展，高层建筑及市政交通项目大量涌现，地下空间进一步开发利用。基坑开挖深度也随之增加，周围环境越来越复杂，如紧邻高架、地铁、地下管线等；有的基坑地质水文条件差，如软土深厚、地下水位高等。为了使基坑既安全又经济合理，多种支护方案的比较与选用在基坑设计和施工中运用越来越广泛。

杨光华[1]针对基坑工程施工和结构的动态特点，提出了一套系统的计算方法，包括考虑施工过程的增量计算法、合理确定支护结构入土深度的计算法，较好地解决了基坑支护结构中的一系列设计计算难题。关于基坑变形的研究很多，很多学者和工程人员从基坑变形机理、减小变形的措施做了相关研究[2-6]，王瑞芳[7]以武汉某轨道交通隧道临近基坑开挖为背景，用MIDAS GTS NX进行数值分析，得出在基坑开挖期间的左右区间隧道的横向、竖向位移均在城市轨道交通的安全控制范围内，不影响地铁正常运行的结论。萧以苏[8]以南京某在建的地铁车站深基坑为背景，对围护结构的各项变形进行监测。同时结合有限元模型，模拟基坑开挖全过程，所得结果与监测数据进行对比分析，说明钻孔灌注桩联合内支撑及立柱的支护形式在地铁深基坑的设计和施工中安全、可行；赵兵兵[9]以河汇项目，结合地质条件，采用地下连续墙/钻孔灌注桩结合2—3道内支撑支护，方案证明具有良好的可行性；杨烨勋[10]等基于FRWS对各工况下的桩基承载力进行分析，分析深基坑桩基承载特性的影响因素，得出桩直径对桩身水平位移和开挖面以下桩身弯矩有较大影响。

以上研究从不同角度来分析减小基坑的变形措施，本文以靠近汉江的高地下水位基坑支护设计进行分析、探讨减小基坑变形的措施，为类似基坑的设计提供一定参考。

1 工程概况

1.1 基坑概况

金地悦江时代K1项目二期位于武汉市硚口区古田二路与古田路交汇处西南侧，项目包括3栋高层办公楼及一期地下室二标段。场地地貌单元属长江Ⅰ级阶地，基坑平面接近为矩形，面积大，分为Ⅰ期和Ⅱ期，Ⅰ期已经施工完成。

该基坑周围环境为：地下室北侧边线距红线约5.8～50.0m，地下室东侧边线距红线约6.5m，红线外为古田二路及江汉六桥(为高架桥)；地下室西侧边线距红线约5.6m，红线外为未移交的市政路；地下室南侧边线距红线约6.0～48.0m，场地西侧、北侧道路有管线分布。

1.2 工程地质和水文地质

本场地在勘探深度97.3m范围内所分布的地层除表层分布有(1a)层杂填土、(1)层素填土外，其下为第四系全新统冲积成因的粘性土及砂土，下伏基岩为志留系泥岩，基坑土层分布较均匀，主要土层物理力学参数见表1。

表1 主要土层物理力学指标

本场地地下水主要包括赋存于(1a)杂填土、(1)素填土层中的上层滞水及下部互层土及砂土层中的承压水。上层滞水水位、水量随季节变化，主要受大气降水、生活排放水渗透补给，勘察期间测得部分钻孔稳定水位埋深0.9～3.2m。

根据抽水试验测得本场地承压水位埋深为9.8m，承压水水头高度年变幅为3.0～4.0m。因被(2)、(3)层阻隔与上层滞水无水力联系。抽水试验测得场内承压含水层的渗透系数为17.0m/d，影响半径为260m。

2 基坑特点及支护方案选择

2.1 基坑特点

根据基坑本身和周围环境情况，基坑特点为：①本基坑普设两层地下室，基坑开挖深度10.25m，坑中坑深度约2.45～5.15m，属深基坑，基坑安全等级为一级；②地质条件差，基坑开挖深度范围内分布有深厚软弱土层，地下水文地质条件复杂；③该基坑为长江一级阶地，地下水位高，在降水设计中需考虑合理降水井和回灌井，基坑侧壁需设置截水帷幕，从截水效果和经济性考虑，帷幕长度应合理设置；④周边环境条件复杂，尤其是东侧有江汉六桥高架，对变形要求严格，需合理设计及加强监测。

2.2 基坑支护形式

由于周围环境复杂，基坑紧靠汉江，地下水位高；结合不同支护方案的特点，该基坑采用支护桩+内支撑和双排桩方案，即：基坑角部采用放坡+单排桩(钻孔灌注桩，局部加桩垛)+一道钢砼角撑；基坑东侧采用放坡+双排桩，桩为钻孔灌注桩。考虑到挖土、出土的方便性，II期机械车库出土部位设在基坑东侧，出土宽度为8m，坡度为1∶7.5。满载渣土车活荷载大，设置直径609mm×16mm的钢管钢斜撑，支承在桩基础的承台上。由于桩间土及栈桥土坡基坑底为软土，采用水泥搅拌桩进行桩间土和基坑底被动区加固。

2.3 Ⅰ、Ⅱ期分区基坑设计

基坑平面接近为矩形，面积大，分为Ⅰ期和Ⅱ期，Ⅰ期已经施工完成。Ⅰ、Ⅱ期分区设在基坑内部，场地较宽，考虑到经济性，采用分阶放坡+工字钢支护与重力式挡墙支护，工字钢起加强分阶放坡稳定性的作用。

2.4 降水设计

基坑地下水与汉江水位相通，地下水位高。截水帷幕若设在基坑底下的基岩，截水效果好，但坑底到下面基岩顶有15～20m深，造价高。综合考虑，采用悬挂式节水帷幕，帷幕底部进入粉细砂(5-1层)。

采用疏干降水方式，降低后的水位位于基坑底1m以下。此外，为减少由于抽水引起的基坑及周围环境的变形，采用管井降水的同时，在基坑外侧设置一定数量的回灌井(兼观测井)、基坑四周设置三轴水泥土搅拌桩悬挂式止水帷幕；采用80T/h的管井降水，基坑内设置47口深井、22口中深井，及7口观测井兼作备用降水井、10口回灌井。

深井主要布置在基坑周边，深度为33m；中深井主要布置在塔楼处，每栋塔楼地下室各布置2个中深井，深度为25m，为真空井，主要抽取互层土中的地下水。考虑到基坑的重要性，Ⅱ期基坑回灌井布置在基坑东侧外一定距离，兼起观测井作用，回灌井与降水井水平距离不得小于6m。在降水期间，若基坑变形超过预警值，就开启一定数量的回灌井将水注入坑内，来控制基坑变形。

3 支护结构计算

基坑东侧为江汉六桥，为变形重点控制部位。在基坑东侧EF、GH段，支护桩采用桩径为1000mm、间距1400mm的支护桩+角撑，FG段(土坡栈桥处)前后排采用桩径为1000mm、间距1400mm的双排桩。采用天汉软件(2016版)计算支护桩、内支撑及双排桩的内力及变形，如图1所示，图1(a)、(b)纵坐标为深度，单位m。

根据武汉市基坑审查要求，东侧高架桥支护桩最大水平位移应控制在20mm以内。图1(a)—(b)中，EF、GH段粧侧位移最大值为18.3mm和16.7mm，基坑的最大位移处于基坑中部偏下部，均未超出高架桥的最大变形要求。计算支护桩变形如图1(c)所示。其中FG段前排桩、后排桩侧移均为25mm。

为减小FG段侧移，在后排桩设置直径609mm×16mm的钢管钢斜撑，支承在桩基础的承台上。

4 基坑监测

结合基坑的安全等级和周围环境布置监测元件，分别对冠梁、周围道路和管线及周边桥梁布置监测点，如图2所示。Ⅱ期基坑从2020年12月21日开始监测，到2021年9月29日为止。分别取基坑北侧、南侧及东侧取代表性的监测点，其中包括5个冠梁累计变形监测点(GL25，GL28—GL30，GL39)、5个周围管线沉降监测点(GX9—GX14)、5个周围道路沉降监测点(D24，D29—D31，D33)以及基坑东侧支护桩深层侧向位移监测点CX19。此外，针对江汉六桥，每个横断面对称布置了两个监测点，靠近基坑一侧的监测点变形大于另一侧，因而选择靠近基坑一侧的监测点G5，G7，G11—G19进行分析。

支护桩顶冠梁变形情况如图3所示。由图3可知，支护桩顶冠梁的水平位移和竖向沉降在2020年12月21日—2021年5月30日期间变形速度较快，在2021年5月30日—2021年9月29日期间冠梁变形趋于平稳，变形呈现出“先快后慢”的规律。

图3 支护桩顶冠梁变形

进一步分析图3(a)—(b)曲线可知，GL39位于基坑南侧，其水平和竖向位移和其它监测点比较变化均较剧烈；GL28位于基坑东北侧，其水平和竖向位移均较小；冠梁GL30位于靠近江汉六桥的东侧，变形最大，其中水平向侧移最大值为15.7mm，竖向沉降最大值为6.8mm，说明在基坑东侧FG段土栈桥的后排桩设置直径609mm×16mm的钢管钢斜撑能有效减小基坑变形，基坑东侧角部与中部变形均未超出武汉基坑图审的控制值。

高架桥累计沉降曲线和周围管线沉降曲线如图4—5所示。从图4—5可以看出，高架桥和周围管线的变形速度呈现先快后慢的规律。图4中监测点G11沉降相对较小，累计沉降为0.58mm；监测点G13沉降相对较大，累计沉降为0.63mm，符合市政高架桥的变形允许要求。图5中管线GX9位于基坑的北侧，变形相对较小，累计变形为1.53mm。管线GX10位于基坑的东北侧，变形相对较大，累计变形为2.38mm，均未超出GB 50497—2009《建筑基坑工程监测技术规范》和《城市轨道交通结构变形监测技术规范》一书的要求。

图4 高架桥累计沉降

图5 周围管线沉降

CX19位于基坑东侧，从图6可以看出在基坑的施工早期(监测时间为2020年12月21日和2021年1月21日)，基坑开挖深度不大，作用在支护桩体上的土压力较小、桩体侧移不大，最大值为2.63mm；随着时间的增长、开挖深度的增加，作用在支护桩体上的土压力增大，部分基坑底部位于淤泥质黏土层，坑底有隆起的现象，桩体侧移逐渐增加，CX19的最大水平侧移位于支护桩顶以下1.0m处，最大水平侧移为9.26mm；随着桩体深度的增加，水平侧移逐渐下降，最大值未超过基坑规范的容许值。