多工艺联合支护在复杂深基坑中的应用研究

2020-12-30刘海林

河南城建学院学报 2020年5期

刘海林，符晓，崔猛

(1.中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330031；2.南昌工程学院土木与建筑工程学院，江西南昌 330099)

随着城市建设发展加快，高层、超高层建筑逐渐成为发展的必然趋势，在基坑规模不断扩大的同时，异形基坑、施工场地空间受限、周围环境复杂等问题使基坑支护设计面临严峻挑战。多工艺联合支护体系正被广泛应用于深基坑结构设计中，与单一的支护结构形式相比，联合支护体系可发挥不同支护结构的优点，以满足复杂工程条件的要求，其结构稳定、施工简便、占地空间较小，在设计方案比选中具有显著优势。

目前，不少学者针对联合支护展开了一系列研究，并取得丰富的成果：巫秋生[1]针对某工程与邻近场地存在高差问题，综合考虑采用联合支护缩短工期、节约造价，变形计算及监测结果表明该方案效果良好；王建华[2]以重庆某大桥连接隧道为工程背景，介绍悬臂桩板挡墙、排桩式锚杆挡墙两种联合支护技术在复杂深基坑中的应用，可为同类基坑工程设计提供参考；蔡明清[3]以双排桩结合深层搅拌桩联合支护在基坑工程成功应用为例，运用数值模拟软件对该支护形式进行模拟实验，分析联合支护结构的变形特征和受力机理，并对结构的位置关系进行探讨；邢振华[4]针对沈阳某项目采用了U型挡土槽与旋喷桩联合支护形式的施工方法，解决了狭小空间内相邻工程基坑容易产生的问题；利用联合支护体系[5-8]针对复杂地质条件进行方案设计，用软件分析稳定性并获得满意的支护效果，以某实际工程为背景采用桩锚与土钉墙[9-10]联合的支护形式，并对该工程实施信息化监测，结果显示支护结构满足要求；刘科[11]为保证某深基坑在施工过程中的安全，采用数值模拟的方法分析了该基坑一侧桩锚联合支护结构在施工过程中的变形情况，对其进行稳定性分析表明该桩锚联合支护结构具有较好的稳定性，且能够有效控制基坑在开挖过程中的变形；胡仲春[12]针对劲性水泥土桩嵌合钻孔桩支护系统这种悬臂排桩软土基坑联合支护模式，利用 ANSYS进行塑性区分析和应力分析，表明嵌合钻孔桩密度越大该联合支护系统支护效果越好；冯申铎[13]研发的桩(墙)撑锚联合支护结构具有综合优越性，既可有效地控制基坑周边变形，又可为土方和地下结构施工创造方便条件，该支护结构在3个深基坑工程中成功应用，取得良好效果；吴才德[14]结合宁波地区软土特性提出适用于超大基坑工程的双排桩门架加锚杆复合支护结构，可避免设置内支撑，方便挖土施工，缩短工期并有效控制支护结构变形，在实际工程中得到应用；黄涛[15]以北京地铁某工程为背景，研究分段开挖、桩撑支护与桩锚支护相结合的支护方法，该方法保证了基坑及周边环境的安全，可为类似工程提供借鉴。

论文以实际基坑工程案例为基础，结合工程概况及地质水文条件，提出了以排桩+内支撑、排桩+预应力锚索、双轮铣深层搅拌墙(CSM)止水的多工艺联合支护方案，并利用有限元软件对两个关键断面进行数值计算。

1 工程概况

项目为1栋45层酒店及商业综合体、3栋高层住宅以及部分商业裙楼，采用框架、框筒结构，桩基础，总用地面积约25 000 m2，总建筑面积约224 000 m2，设三层整体地下室。基坑规模大、平面形态复杂，基坑长15.0～17.0 m，宽65～120 m，周长580 m，面积18 600 m2，开挖深度17.00 m，基坑支护结构安全等级为一级。

基坑周边环境复杂，对变形敏感，环境保护要求高。基坑北侧为市政道路与地铁区间隧道，间距约43 m；南侧为新建市政道路与河流，间距依次约为8.4 m、29.5 m；西侧为市政道路，间距约为14.6 m；东侧北段为3栋6～8层浅基础民宅，间距约5.8 m；东侧南部为废弃仓库，间距约15.9 m。基坑周边地下分布有自来水管、燃气管、污水管等市政管线，其中：北侧分布有1条直径1 000 mm的PVC雨污合流管，埋深2.37 m，距地下结构边线约23.4 m；1条直径400 mm的铸铁饮用水管，埋深1.03 m，距地下结构边线约21.2 m；西侧分布有1条直径300 mm的铸铁煤气管，埋深1.23 m，距地下结构边线约17.1 m；1条直径200 mm的PVC饮用水管，埋深0.80 m，距地下结构边线约28.9 m；1条直径200 mm的铸铁饮用水管，埋深0.41 m，距地下结构边线约30.0 m；1条2.4×2.0 m砖砌雨污合流管，埋深3.2 m，距地下结构边线30.0 m。

2 工程地质和水文地质条件

2.1 工程地质条件

根据地质勘探资料，该基坑拟建场地地貌属赣江高河漫滩，按岩土层的成因类型、岩性结构、工程地质特征等，自上而下可依次划分为：①杂填土，主要由黏性土、建筑垃圾(砖块、混凝土块，最大粒径约10～20 cm)组成，场地内均有分布，层厚2.20～5.50 m，局部钻孔底部夹薄层淤泥；②粉质黏土，稍湿，中等压缩性，无摇振反应，稍有光泽，干强度、韧性均为中等，场地内均有分布，层厚0.90～7.80 m，层顶埋深2.20～5.50 m，部分钻孔内夹砂；③中砂，主要矿物成分为石英、长石等，场地内均有分布，层厚0.60～6.30 m；④砾砂，主要矿物成分为石英、长石等，场地内均有分布，层厚2.10～14.00 m，层顶埋深5.90～14.00 m；⑤圆砾，颗粒呈次圆形，级配良好，粒径10～20 mm石英颗粒含量约10%～15%，场地内局部缺失，层厚0.60～4.90 m，层顶埋深15.00～19.20 m；⑥强风化泥质粉砂岩，风化作用强烈，泥质胶结，场地内均有分布，层厚1.00～2.60 m，层顶埋深20.60～21.80 m；⑦中风化泥质粉砂岩，裂隙一般发育，风化作用中等，泥质胶结，场地内均有分布，该层未钻穿，揭露层厚2.84～12.37 m，层顶埋深20.60～21.80 m，岩面变化不大，呈水平分布，属巨厚层状构造；⑦-1中风化泥岩，裂隙较发育，裂隙面上钙质渲染，风化作用中等，锤击易碎，主要分布于⑦中风化泥质粉砂岩层中上部，多呈透镜体状，层厚0.00～2.60 m，层顶埋深22.50～39.40 m。各土层的主要物理力学性质指标见表1。

表1 各土层的主要物理力学性质指标

2.2 水文地质条件

根据勘探显示该基坑水文地质条件，在人工填土中揭露第一层地下水属上层滞水，水量一般，未形成连续水面，水位及水量受季节性变化影响大，主要受大气降水补给、蒸发排泄。于第四系上更新统冲积砂土层中揭露孔隙性潜水，初见水位埋深5.60～6.90 m，稳定水位埋深5.80～7.00 m，微承压性，水量丰富，该基坑离赣江约1.6 km，与赣江江水水力联系紧密，受赣江侧向补给排泄影响，年变化幅度在2.0～4.0 m。

3 基坑支护方案设计

3.1 设计难点

综合考虑本基坑项目的自身条件，在支护方案设计时具有以下难点：

(1)基坑规模大、平面形态复杂，服务年限长。基坑开挖深度达到15.0～17.0 m、面积达18 600 m2，土方开挖工程量约31.6万m3；基坑南北相距196 m、东西106 m，平面形态复杂且不对称；基坑总体服务年限接近2 a，对基坑围护结构及止水体系的疲劳破坏提出了严格要求。

(2)环境保护要求高。基坑地处闹市，周围环境复杂，包括3栋多层浅基础民宅、市政道路、河流以及供水、煤气、电信电力等多条市政管线，对变形控制要求高。

(3)用地空间有限。除西北侧地下室边线距用地红线超过1倍基坑开挖深度外，其余各侧向距离仅为3.0～5.9 m，均在0.5倍基坑开挖深度范围内，用地空间有限。

(4)地质条件复杂、水位降深大、降水难度高。场地内人工填土层和第四系上更新统冲积层粉质黏土之下，赋存厚层高富水、强透水性厚层砂砾层，层厚约16 m，渗透系数100 m/d；场地地下水位较高，水位降深约12 m；场地离赣江约1.6 km，侧向补给丰富，降水难度大。

3.2 方案设计

3.2.1 支护结构

考虑到基坑的规模大、平面形态复杂、环境保护要求高等特点，基坑采用分区、分段的支护设计。

基坑北区由于有民宅及地铁，环境保护要求高，采用排桩+内支撑的支护形式。排桩采用C30钢筋混凝土灌注桩，桩径1.0 m，桩间距1.2 m，嵌固深度7.5 m，桩顶标高-2 m，桩顶以上采用11放坡，冠梁高1 m，宽1 m。支撑采用两道钢筋混凝土内支撑，标高分别为-2.5 m与-10.0 m，支撑平面由对撑、角撑结合边桁架构成，四周角撑，减小支撑间距，提高整体刚度，可控制东西两侧坑壁变形，两道支撑的截面尺寸见表2。在支撑节点处按间距不超过15 m设置格构柱，格构柱角钢型号为∠200×200×20，缀板型号为500×300×16，间距1.5 m，格构柱截面尺寸550×550 mm，格构柱进入立柱桩不小于3.0 m，立柱桩采用直径900 mm钻孔灌注桩，桩端进入中风化泥质粉砂岩不少于3 m。

表2 两道支撑的截面尺寸

基坑南区拟建住宅楼，环境保护要求相对较低，采用排桩+锚索的支护形式。排桩采用C30钢筋混凝土灌注桩，桩径1.0 m，桩间距1.5 m，嵌固深度7.5 m，桩顶标高-2 m，桩顶以上采用11放坡，冠梁高1 m，宽1 m。锚索设置于桩间，共四排，水平间距1.5 m，竖向位置为-2.5 m、-6.0 m、-10.0 m、-13.5 m，倾角包括15°和20°两种，长度14～19 m，采用高压喷射扩大头工艺，锚索腰梁尺寸为1.2×1.0 m(宽×高)，索材选用高强低松弛预应力钢绞线，锚孔孔径450 mm，沿锚索长度间距1.5 m设置对中支架，锚孔注浆采用强度等级不低于42.5级的普通硅酸盐水泥。支护结构平面如图1所示。

图1 支护结构平面图

3.2.2 治水措施

基坑地下水位埋深较浅且水量较大，水位降深大，为满足施工作业面与周围环境对降水的要求，采用止水帷幕+坑内疏干井+坑外减压井+地面截排水的综合治水措施，具体如下：

(1)止水帷幕：鉴于本基坑的止水要求较高，坑底处于透水性大的砂砾层，并考虑到常用的三轴搅拌桩对于底部砂砾层和强风化岩层的穿透性较差，形成的止水帷幕底部存在绕流的问题，故综合对比后采用双轮铣深层搅拌墙(CSM)止水帷幕，墙体厚度800 mm，单幅墙长度2 800 mm，搭接300 mm，墙顶与冠梁底平，墙底进入强风化泥质粉砂岩不小于1 000 mm。

(2)疏干降水井：根据地下水位及地层渗透系数，计算得到单井抽水量为700～850 m3，基于该计算结果，在基坑内部以间距20～30 m布置降水井，降水井孔径650 mm，滤管为直径300 mm的无砂混凝土管，井底位于中风化泥质粉砂岩层顶面。

(3)坑外减压井：在CSM止水帷幕外侧1.0～2.0 m处，间距20～50 m布置减压井，兼做地下水位观测井，减压井主要用于雨季期间因降雨导致基坑外围地下水位上升，超过地下水位变幅要求时进行抽水减压，减压井施工技术要求与降水井一致。

(4)地面截排水：在基坑坡顶外侧1.0 m处，设置截水沟，以拦截地表雨水，直接排入附近排水系统；在坑底设置排水沟，以排泄坡面以及坑内汇集雨水，间距25～30 m设置一个集水井，用于汇聚排水沟内汇水，利用水泵抽排出基坑至坡顶截水沟或者直接排入就近市政排水系统。

3.3 施工顺序

场地平整→止水帷幕施工→灌注桩施工→设置地表排水系统→基坑开挖至第一道内支撑垫层底标高→铺设垫层→施工冠梁、第一道内支撑及第一排锚索→基坑开挖至第二排锚索作业面标高→施工第二排锚索→基坑开挖至第二道内支撑垫层底标高→打设垫层→施工腰梁、第二道内支撑及第三排锚索→基坑分层开挖到第四排锚索作业面标高→施工第四排锚索→基坑开挖至底板垫层底标高→浇筑底板及传力带→拆除第四排锚索→浇筑负二层楼板及传力带→拆除第二道内支撑及第三排锚索→浇筑负一层楼板及传力带→拆除第二排锚索→拆除第一道内支撑及第一排锚索→地下室顶板施工→回填土→上部结构施工。

4 数值模拟

利用有限元软件Plaxis对基坑北区的北侧墙中段(断面1)和基坑南区的西侧墙下段(断面2)进行建模分析，计算单元为三角形6节点单元，分析模型的水平向为X向，竖直向为Y向，水平向尺寸按照基坑实际尺寸并考虑一定的开挖影响范围，对左右边界施加X向位移约束，底边界施加X、Y向位移约束。

4.1 断面1

断面1位于基坑西北侧，基坑外有饮用水管，埋深为1.03 m，距离支护结构边缘为20 m；雨污合流管，埋深为2.37 m，距离支护结构边缘为22.2 m；拟建地铁3#线区间隧道，隧道直径为6 m，隧道中心线距支护结构边缘最近为43.7 m；隧道结构开挖底部与坑底相近。该剖面采用排桩加内支撑的支护方式，基坑开挖深度为17 m，桩顶标高-2 m，桩直径1.0 m，间距1.2 m，嵌固深度为7.5 m，基坑外侧有20 kN/m的车辆荷载，此剖面的计算模型如图2所示。

图2 断面1计算模型简图

计算工况为：地应力场计算→基坑外车辆荷载对基坑位移的影响→基坑维护体对基坑位移的影响→基坑开挖到第一道支撑底标高→基坑施工第一道支撑体系，然后开挖到第二道支撑底标高→基坑施工第二道支撑体系，然后开挖至基底标高→基坑施工基础底板及换撑，然后拆除第二道支撑→换撑，然后拆除第一道支撑。施工完成后的计算云图如图3所示。

图3 施工完成时断面1位移云图

经计算可得：此基坑开挖完成后的基坑最大水平位移为21.46 mm；饮用水管处水平位移为5.08 mm，竖向沉降为3.24 mm；雨污合流管处水平位移为5.89 mm，竖向沉降为2.36 mm；拟建地铁隧道处水平位移为1.12 mm，竖向沉降为1.08 mm。

4.2 断面2

断面2位于基坑南侧，基坑外有饮用水管，埋深为0.8 m，距离支护结构边缘27.7 m；雨污合流管，埋深为3.2 m，距离基坑边缘为28.8 m。基坑剖面采用排桩加预应力锚索的支护方式，基坑开挖深度为17 m，桩顶标高-2 m，桩直径1.0 m，间距1.5 m，嵌固深度为8 m，锚索参数信息如表3所示，基坑外侧有20 kN/m的车辆荷载。

表3 锚索参数信息

断面2的计算模型如图4所示。

图4 断面2计算模型简图

计算工况为：地应力场计算→基坑外车辆荷载对基坑位移的影响→基坑围护体对基坑位移的影响→基坑开挖到第一道锚索位置处并打入第一道锚索→基坑开挖到第二道锚索位置处并打入第二道锚索→基坑开挖到第三道锚索位置处并打入第三道锚索→基坑开挖到第四道锚索位置处并打入第四道锚索→基坑开挖至坑底。施工完成后的计算云图如图5所示。

图5 施工完成时断面2位移云图

由图5可知：此基坑开挖完成后的基坑最大水平位移为33.77 mm；饮用水管处水平位移为12.02 mm，竖向沉降为5.56 mm；雨污合流管处水平位移为10.56 mm，竖向沉降为3.34 mm。

根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)及《建筑基坑工程监测技术规范》(GB 50497-2009)对周围环境条件变形控制要求以及《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ-T 202-2013)附录B表B.0.2(城市轨道交通结构安全控制指标值)规定，本基坑开挖对周边地铁区间隧道结构、建筑物、管线的影响均满足规范要求。