英国标准和香港地区标准下的澳门深基坑工程实践

2022-08-09谢万东林佑高王征亮

长江科学院院报 2022年7期

谢万东，林佑高，王征亮

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司岩土与地下工程设计院，广州 510290)

1 研究背景

《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)[1]是我国大陆地区基坑工程支护设计和施工的主要依据，许多省市也在JGJ 120—2012的基础上制定了适用于当地的基坑工程地方标准。在基坑支护方案方面，除尚未推广的新工艺以外，深基坑的支护设计方案逐渐趋同。以桩撑或墙撑支护结构为例，出现了大量使用混凝土结构支撑、明文或约定俗成地要求第一层支撑采用混凝土结构、围护结构与主体结构互不相干、采用受力复杂的支撑体系等做法。

随着“一带一路”倡议的推进，我国的设计和施工企业面临着“走出去”的机遇和挑战。对于基坑工程，海外项目中仍然以英国标准、欧洲标准和美国标准为准；香港地区的工程设计和施工标准也基于英国标准；澳门地区则根据项目具体情况可能会接受JGJ 120—2012中的部分内容，但仍以英国标准和香港地区标准为主。

海外国家和地区很少有专门的基坑工程支护设计规范，设计和施工的主要依据分散在相关的岩土和结构工程标准中[2-6]，也有一些非强制性的指南文件[7-8]。这些标准和指南中的内容与我国基坑规范中的规定有明显的差异。在支护结构选型方面，香港和澳门地区等仍以H型钢(港澳地区称工字钢)支撑体系为主，钢管支撑次之，采用钢筋混凝土支撑体系的案例很少。对于初次接触海外基坑工程设计的人员来说，设计标准和习惯上的差异容易使人无所适从。本文以采用英国标准和香港地区标准设计的澳门妈阁交通枢纽建造工程为例，对海外工程中深基坑支护体系设计与我国大陆地区的异同点进行了对比，以期对类似海外项目起到一定的参考作用。

2 工程概况及地质条件

2.1 工程概况

澳门妈阁交通枢纽位于澳门半岛西南端，设置有三层地下车库和两层地上层。地下车库基坑开挖面积11 737 m2，南北向最大长度185.6 m，东西向最大宽度74.2 m。地面标高3.6 m，基坑开挖标高普遍为-20.2 m，开挖深度23.8 m；局部开挖标高-26.8 m，最大开挖深度30.4 m。基坑周边环境见图1。

图1 场地位置和周边环境Fig.1 Site location and surroundings

东侧与妈阁公务员公寓的最小距离为21 m；南侧与西湾湖的最小距离为59 m；西侧与西湾湖景大马路的最小距离为 8.5 m，与海域的最小距离约为 52 m；北侧紧邻澳门海关总部，二者最小距离约7.5 m，与嘉乐一世船坞(水塘)的最小距离约为37 m。

2.2 地质条件

场地为填海造地形成的透水砂土地基，钻孔显示主要岩土层为：

(1)回填层(Fill)，主要为回填砂土夹砂质黏土，厚度8.00～14.95 m，平均12 m，标准贯入试验击数(SPTN值)为2～30。

(2)海泥(Marine Clay)，为软弱至稠密(Soft to firm)的棕色和灰色黏土，厚度1.05～5.50 m，平均2.6 m，局部分布，SPTN值为2～11。

(3)冲积层，属松散至极密实土层，主要由粉质黏土和粉土质中细砂夹石英结晶组成，厚度1.50～21.05 m，平均12.4 m，SPTN值为4～79。

(4)全风化和强风化花岗岩，属中等密实至极密实土层，厚度1.67～18.46 m，平均10.7 m，SPTN值为18至100以上。

(5)中风化和微风化花岗岩，无侧限抗压强度为81.6～198.1 MPa。

场地位于山边的填海区，基岩面起伏很大。基坑内中风化岩最浅处标高约为-4 m，约有47.5%的区域需要进行石方开挖，石方开挖量约3.5万m3。

场地地下水位埋深约1.1 m，与海域等大型水体连通，补给非常丰富。

3 基坑支护方案

3.1 围护结构

围护结构采用厚度为1.2 m的地下连续墙，混凝土强度等级C45，幅宽2.5～6 m，合计91幅，采用焊接工字钢接头。地下连续墙兼做主体结构外墙，负责前期设计的顾问公司要求在基坑开挖过程中地下连续墙的水平位移≤25 mm。

在中风化岩顶面高于坑底的区域，按照通常做法，地下连续墙需穿透岩石并进入坑底以下一定深度。参照广东省标准《建筑基坑工程技术规程》(DBJ/T 15-20—2016)[9]中的建议，地下连续墙需进入坑底以下的中风化岩石2.5 m，则墙体需穿透的中风化花岗岩最大厚度约为20 m，施工难度极大。

香港地区基坑设计指南Review of Design Methods for Excavations (GCO Publication No.1/90，1990)[8]指出，由于在未风化-中风化岩石中成槽的代价非常高昂，因此地下连续墙可以只施工至岩石面。当墙底高于开挖标高时，可在开挖过程中进行接长。

在本项目中，地下连续墙施工控制标准为进入强风化岩0.3 m。为防止墙底发生位移，在墙底沿轴线按1.5 m的间距设置了由4根Φ50 mm钢筋组成的抗剪销，长度10 m，嵌入墙体和下部岩石各5 m，并在嵌岩段注浆。施工完成后，总共有27幅墙的底部高于开挖标高。在开挖期间需要接长的墙体竖向投影面积约1 487 m2，占坑底以上墙体总面积的12.2%，最大接长高度为17.2 m。

3.2 支撑体系

3.2.1 支撑体系结构选型

基坑深度大，宽度也大，支撑的最大长度达到74.2 m。按照目前大陆地区的经验，此类基坑不宜采用钢支撑，需要采用整体性好、刚度大、安全性高的混凝土支撑体系。但港澳及其他海外地区采用混凝土结构作为基坑临时支撑的案例不多，也有人认为混凝土支撑体系将产生大量的建筑垃圾，在环保方面难以接受。

经过市场调研，采用港澳地区常用的工字钢(大陆称H型钢)作为支撑体系。由于工字钢支撑采用焊接的方法进行接长，与采用螺栓连接的钢管撑相比，整体性更好，安全性也更高。此外，工字钢支撑截面一般较大，可承受的轴力远大于钢管撑，抵抗变形的能力也更强。以本项目中用到的工字钢UC 356×406×393(UC意为Universal Column，数据代表宽(mm)×高(mm)×每延米质量(kg)，下同)为例，其可承受的最大轴力约5 300 kN；而我国大陆地区常用的直径609 mm、壁厚16 mm钢管撑可承受的最大轴力约2 600 kN。采用工字钢作为支撑结构时，其水平间距可以达到9 m以上，可提供足够的无障碍施工空间，接近混凝土撑，远优于钢管撑。

不过，工字钢支撑体系也有明显的缺点，自重大，对焊接的施工质量要求较高，施加预加力不如钢管撑方便。

3.2.2 平面及竖向布置

基坑支撑的平面布置以受力简单、明确的对撑为主，尽量避免采用结构复杂的桁架式支撑、环形支撑等。本项目在基坑南端和北端角部布置斜撑，间距2～5 m；在中部布置横向对撑，主支撑间距9 m，并在主支撑端头设置八字斜撑，将腰梁上的支点间距保持在3 m左右，以减小腰梁内力。

平面和竖向布置见图2。

图2 支撑体系的平面布置和竖向布置Fig.2 Layout and vertical arrangement of lateral strut system

3.2.3 临时立柱

国内基坑工程临时支撑体系的中立柱一般采用角钢格构柱，插入下部灌注桩一定深度，结构强度大、整体性好，但是也存在焊接工作量大、质量难控制的缺点。港澳地区常用的临时支撑体系立柱主要采用工字钢或钢管混凝土，其中工字钢焊接工作量小，也不需要绑扎钢筋笼，可以采用打入或钻孔的方式施工，非常方便。

在本项目中，临时立柱采用UC 305×305×118工字钢，间距9 m。参照香港屋宇署《基础作业守则》(2004)[10]中的推荐方法，根据地质条件采用不同的施工方式：

(1)在岩面高于基坑底或坑底以下土层厚度<6 m的区域，临时中立柱采用钻孔的方式进行安装。钻孔直径610 mm，钻入坑底以下的中风化岩2 m，孔内插入工字钢后，灌注不收缩水泥浆即完成施工。

(2)在坑底以下土层厚度>6 m的区域，临时立柱采用“打至基岩的工字钢桩”的施工方式，利用打桩设备将工字钢打至“抗沉点”，即每10次击打，桩柱的沉降≤10 mm，此时可认为立柱的承载力已满足要求。

3.3 地下连续墙向下接长

在基坑开挖过程中，需要对底部高于坑底的墙段向下逐级接长。施工时，首先凿除墙底的岩石并对露出的岩石面进行临时防护，然后将地下连续墙底部或上一级接长施工预留的钢筋向下延长，再支模进行混凝土浇筑。浇筑混凝土前，在墙体的横向和竖向接缝处安装止水带。为防止已施工的墙体下沉或脱落，接长工序安排如下：

(1)将地下连续墙接长分为4层进行。

(2)每层分次接长。第一次只凿除每幅墙体下方半幅宽的岩石，利用另外半幅宽的岩石作为竖向支撑，然后绑扎钢筋，支模浇筑混凝土。

(3)每层第一次施工的墙体达到70%以上强度后，凿除剩余墙体下方的岩石，利用第一次接长的墙体作为支撑，然后绑扎钢筋并浇筑混凝土。

4 支护体系的计算

4.1 土体物理力学参数的确定和本构模型的选择

在对勘察报告中提供的数据进行详细的统计分析后，提出了基坑支护设计所需的参数，其中：

(1)海泥层和冲积层中的黏土采用不排水抗剪强度(Su)。根据Decoding Eurocode 7[11]中的建议，Su与SPTN值之间的关系为

Su=4.5N(kPa) 。

(1)

(2)回填层和砂性冲积层采用有效强度指标。

(3)土层的刚度参数E′(Drained Young’s Modulus)按以下与SPTN值的经验关系式选取。

对回填层(Fill)和海泥层(Marine Clay)有

E′=1N(MPa) 。

(2)

对冲积层有

E′=1.5N(MPa) 。

(3)

土体本构模型采用PLAXIS内置的土体硬化模型(HS模型)。土体刚度参数经验关系取为

(4)

(4)对于土体的排水类型，黏土层采用“不排水B”(Undrained B)，砂土层则采用“排水”(Drained)。

计算模型中采用的土层参数见表1。

表1 计算模型中的土层参数Table 1 Soil parameters adopted in the model

4.2 结构模型

地下连续墙采用板单元进行模拟，并在墙板两侧设置界面单元；支撑采用“固定端锚杆”进行模拟。

4.3 计算模型和结果

在岩层埋深大的区域，典型的断面模型见图3。施工完成后的变形计算结果见图4。

图3 基坑典型计算模型Fig.3 Typical calculation model of the excavation

图4 施工完成后地下连续墙的水平位移Fig.4 Horizontal displacement of diaphragm wall at the completion of works

有限元计算的主要结论如下：

(1)由于地质条件较差、开挖深度大、支撑刚度较低等原因，要将基坑最大水平位移控制在25 mm以内是不现实的。在与顾问公司沟通后，将基坑最大水平位移的限值调整至50 mm。

(2)对于采用多层支撑体系的基坑，在开挖至一定深度后，第一层支撑将出现拉力，与理正深基坑等专用软件计算结果的趋势是相同的。这也是我国大陆地区认为在多层支撑体系中，第一层支撑采用钢管撑偏危险的原因之一。

(3)支撑预加力不能显著减小墙体位移，过度加大预加力只会增大支撑轴力。

(4)在底板浇筑后的施工过程中，由于楼板刚度很大，地下连续墙的水平位移基本不会发生变化，但墙体内力和未拆除的支撑轴力会发生明显变化，与理正深基坑等软件计算结果的趋势也是一致的。

4.4 基坑抗倾覆稳定性验算

对于多层支撑体系的稳定性验算，JGJ 120—2012只考虑了抗隆起稳定性和以最下层支点为轴心的圆弧滑动稳定性，这是不合理的。理正深基坑计算软件按照《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)[12]附录V中的规定增加了抗倾覆(踢脚)稳定性验算，将最下一个支撑点以下的坑内、外水土压力分别对最下一个支撑点取矩，见式(5)。

(5)

式中：∑MEp为被动区抗倾覆作用力矩总和；∑MEa为主动区倾覆作用力矩总和；Kt为带支撑桩、墙式支护抗倾覆稳定安全系数，取Kt≥1.30。

广东省规范DBJ/T 15-20—2016也有类似的规定，但考虑了支护结构自身抗弯刚度的有利作用，见式(6)。

M+hp∑Mpj-1.2γ0ha∑Maci≥0 。

(6)

式中：M为最下一个支撑点以下支护结构的抗弯强度；hp为合力∑Mpj作用点至最下一个支撑点的距离；∑Mpj为基坑内侧各土层水平抗力标准值的合力之和；γ0为支护结构的重要性系数；∑Maci为基坑外侧最下一个支撑点以下各土层水平荷载标准值的合力之和；ha为合力∑Maci作用点至最下一个支撑点的距离。

香港GCO Publication No.1/90[8]沿用了美国海军设施工程司令部(NAVFAC，1986)[13]中多层支撑体系抗倾覆稳定安全性的计算方法，也是对最下一个支撑点取矩，即

(7)

式中：Pa1为最下层支撑点以下主动土压力的合力(包括水压力)；l1为Pa1至最下一层支撑点的距离；Pp为基坑内侧被动土压力的合力(包括水压力)；l2为Pp至最下一层支撑点的距离；Fs为抗倾覆安全系数，≥1.5；Ms为最下一层支撑点以下支护结构的抗弯强度。

本项目基坑的稳定性验算采用的是NAVFAC提出的计算方法，抗倾覆安全系数≥1.5。

5 施工中遇到的主要问题及解决方法

2016年2月，基坑开挖至约一半深度处(12 m)时，首先在北侧靠近海关办公楼的位置发现地下连续墙水平位移超过50 mm，随后在基坑西侧也出现了墙体水平位移超标的情况。在进行详细调查和分析后，确定了如下可能引起基坑变形偏大的原因：

(1)部分区域地下连续墙保护层厚度不够，可能导致墙体刚度降低；墙体中可能存在的微裂缝也会导致其刚度降低。

(2)安装支撑前超出设计要求的土方超挖。

(3)支撑预加力不足。

(4)在设计阶段，下部冲积层的刚度参数取值偏大，反演分析认为取E′=1N(MPa)更符合实际。

为评估基坑在后续开挖过程中的安全性，首先在PLAXIS软件中对各种影响因素进行调整，使在当前工况下的地下连续墙水平位移计算值与实测值基本相当，并以此为基础评估基坑在后续开挖过程中地下连续墙的变形、内力、支撑轴力等。典型的反演结果见图5。基坑开挖至-20.2 m后，地下连续墙的最大位移可能达到80 mm左右，但墙体内力、支撑轴力等仍然满足要求，基坑是安全的，可以继续向下开挖。