劉俊生，張西平

（南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司，南京 210005）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的迅速發(fā)展，我們對(duì)地下空間的需求越來(lái)越大，大量深大基坑不斷涌現(xiàn)。而基坑工程開(kāi)挖深度影響范圍內(nèi)或是建筑、道路密集，或是臨近地鐵、隧道、人防設(shè)施等地下構(gòu)筑物，這給基坑工程帶來(lái)很大不便?；庸こ痰氖┕ぜ纫ＷC自身圍護(hù)結(jié)構(gòu)和地下結(jié)構(gòu)的安全，又要確保周邊建構(gòu)筑物、道路和市政管網(wǎng)的變形穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全，這就對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定性提出了更高的要求。本文以南京某基坑工程為例，對(duì)基坑工程的支護(hù)選型及設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的探討。

1 南京某基坑工程概況

項(xiàng)目位于南京市江寧區(qū)，基坑?xùn)|側(cè)、北側(cè)為城市主干道，且東側(cè)地下為已施工完成的地鐵一號(hào)線某車站，車站支護(hù)結(jié)構(gòu)緊貼本工程地下室外墻；基坑南側(cè)一路之隔為居民小區(qū)；基坑西側(cè)為該項(xiàng)目再建的一期工程，一期工程與該項(xiàng)目形成整體地下室。

建設(shè)場(chǎng)地位于秦淮河漫灘之上，基坑面積約8000m2，開(kāi)挖深度11.1～17.5m，場(chǎng)地地形基本平坦，地面高程為9.91～11.50m（吳淞高程系），基坑開(kāi)挖影響深度范圍內(nèi)場(chǎng)區(qū)的地層自上而下為：

①-1雜填土，層厚0.5～5.0m；①-2素填土，黃褐－灰黃色，可塑，層頂埋深0.5～1.8m，層厚0.5～1.3m；②-1 粉質(zhì)粘土，灰黃－黃褐 色，可－硬塑，層厚0.4～4.1m；②-1a粉質(zhì)粘土，褐黃－黃褐色，軟塑，層厚0.5～3.7m；②-2粉土、粉砂，灰黃色，層厚2.4～7.8m；③-1粉質(zhì)粘土，灰黃色，可塑，層厚4.2～9.9m；③-2粉質(zhì)粘土，褐黃色，可－硬塑，層厚1.8～6.6m；③-3粉質(zhì)粘土，灰黃－黃灰色，軟－可塑，層厚1.9～7.9m。④粉質(zhì)粘土混粗砂、卵礫石，灰黃－灰色，粉質(zhì)粘土為軟－可塑，層厚0.2～1.9m。⑤強(qiáng)風(fēng)化細(xì)砂巖，棕褐色－棕紅色，層厚0.3～3.0m。

場(chǎng)地覆蓋層厚度為25.7～28.8m，總體而言，上部土體工程性質(zhì)較差，中下部土體工程性質(zhì)相對(duì)較好，下伏基巖巖面較為平緩，巖體較為完整。場(chǎng)地各土層主要物力、力學(xué)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1和2。

表1 建設(shè)場(chǎng)地各土層物理指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

基坑開(kāi)挖深度范圍的地下水為潛水和弱承壓水。潛水水位埋藏淺；弱承壓水含水層為②-1a層軟塑粉質(zhì)粘土和②-2層稍密粉土、粉砂，其滲透性較強(qiáng)、厚度較大，含水豐富，為基坑開(kāi)挖時(shí)的主要出水地層。

表2 建設(shè)場(chǎng)地各土層力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

2 支護(hù)結(jié)構(gòu)選型的分析和比較

支護(hù)結(jié)構(gòu)的選型對(duì)基坑變形影響很大，并且與工程造價(jià)密切相關(guān)，本文首先對(duì)支護(hù)選型做概要分析和比較，然后，采用數(shù)值模擬分析的方法驗(yàn)證方案的可行性。

本工程場(chǎng)地東側(cè)為地鐵車站，地鐵車站自身設(shè)置有地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，可作為本工程的圍護(hù)結(jié)構(gòu)使用；西側(cè)為本工程一期項(xiàng)目地下室，環(huán)境條件相對(duì)簡(jiǎn)單；但是場(chǎng)地南北兩側(cè)臨近道路，地下管線密集，對(duì)變形控制要求比較高。

綜合南京地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，適合本工程基坑開(kāi)挖深度的圍護(hù)結(jié)構(gòu)有地下連續(xù)墻、SMW工法、鉆孔灌注樁等，支撐類型有水平內(nèi)支撐及錨桿（土釘）結(jié)構(gòu)，下面對(duì)各支護(hù)結(jié)構(gòu)做簡(jiǎn)要分析。

（1）地下連續(xù)墻

地下連續(xù)墻是利用各種挖槽機(jī)械，借助于泥漿的護(hù)壁作用，在地下挖出窄而深的溝槽，并在其內(nèi)澆注適當(dāng)?shù)牟牧隙纬梢坏谰哂蟹罎B（水）、擋土和承重功能的連續(xù)的地下墻體。地下連續(xù)墻施工工藝由于對(duì)周圍環(huán)境影響小，施工時(shí)振動(dòng)小，噪音低；墻體剛度大，可承受很大的土壓力；另外占地少、止水性能好，也適用于多種地基條件，是深基坑工程常用的圍護(hù)方法之一。但是地下連續(xù)墻如果用作臨時(shí)的擋土結(jié)構(gòu)，比其它方法所用的費(fèi)用要高些。在一些特殊的地質(zhì)條件下，施工難度很大，在城市施工時(shí)，廢泥漿的處理比較麻煩。

（2）SMW 工法

SMW工法樁即在連續(xù)套接的三軸水泥土攪拌樁內(nèi)插入型鋼形成的復(fù)合擋土止水結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)階段可供選擇的SMW工法樁抗側(cè)剛度較為有限，在開(kāi)挖深度超過(guò)11m的深基坑工程中，采用工法樁基坑開(kāi)挖階段的變形較難控制。由于其自身工藝特點(diǎn)，對(duì)基坑變形較敏感，變形超過(guò)一定范圍SMW工法水泥土攪拌樁易產(chǎn)生開(kāi)裂，從而帶來(lái)嚴(yán)重影響基坑安全的滲漏水問(wèn)題。

（3）鉆孔灌注樁

鉆孔灌注樁結(jié)合止水帷幕作為一種成熟的圍護(hù)形式，其施工工藝簡(jiǎn)單、質(zhì)量易控制，施工時(shí)對(duì)周邊環(huán)境影響小，在長(zhǎng)三角地區(qū)應(yīng)用十分廣泛，尤其適用于順作法基坑工程。其止水帷幕可根據(jù)工程的土層情況、周邊環(huán)境特點(diǎn)、基坑開(kāi)挖深度以及經(jīng)濟(jì)性等要求的綜合因素選用合適的工藝。灌注排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)施工便捷，造價(jià)經(jīng)濟(jì)，支護(hù)樁一般設(shè)置于地下室以外距離800mm位置，僅在基坑開(kāi)挖階段用作臨時(shí)圍護(hù)體。本工程南北兩側(cè)道路及地下管線對(duì)變形控制要求較高，鉆孔灌注樁可起到很好的擋土和控制變形的作用。

（4）放坡

放坡開(kāi)挖適用于淺基坑或周邊條件相當(dāng)簡(jiǎn)單的基坑?；涌沙ㄩ_(kāi)式施工，工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、施工進(jìn)度快。且本項(xiàng)目西側(cè)距離一期建筑較遠(yuǎn)，存在放坡施工的空間，并無(wú)對(duì)變形要求嚴(yán)苛的建（構(gòu)）筑物。因此，放坡開(kāi)挖為本項(xiàng)目西側(cè)基坑的首選方案。

（5）水平內(nèi)支撐

深基坑工程中水平內(nèi)支撐主要有鋼筋混凝土支撐以及鋼支撐兩種形式：

鋼筋混凝土支撐在開(kāi)挖深度較深，形狀不規(guī)則的基坑中使用最為廣泛，且施工工藝成熟。不僅能加強(qiáng)整個(gè)平面結(jié)構(gòu)體系的整體剛度，也能有效地減少圍護(hù)體頂部位移。但是也有著不可避免的缺點(diǎn)，如，自重大、費(fèi)工大、模板用料多、施工周期長(zhǎng)，鋼筋混凝土支撐的設(shè)置和拆除都比較費(fèi)工，同時(shí)又需模板，且混凝土需在模板內(nèi)進(jìn)行一段時(shí)間的養(yǎng)護(hù)，致使工期延長(zhǎng)。

鋼支撐施工方便，安裝和拆卸的速度快，而且可以回收利用，在一定程度上可以節(jié)省工程造價(jià)。但鋼支撐體系相比混凝土支撐體系剛度小，對(duì)施工質(zhì)量的要求較高。另外，由于鋼支撐自身的剛度較低，且都為拼裝構(gòu)件，決定了鋼支撐的跨度不能太大，限制了基坑開(kāi)挖的出土空間。所以，鋼支撐一般適用于形狀較規(guī)則，寬度較小的基坑工程。

本工程基坑面積大，單個(gè)方向鋼支撐長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，拼接節(jié)點(diǎn)多易積累形成較大的施工偏差，傳力可靠性難以保證。由于工程基坑面積大，且開(kāi)挖深度深，鋼支撐支撐剛度相對(duì)較小，不利控制基坑變形和保護(hù)周邊的環(huán)境。

（6）錨桿（土釘）結(jié)構(gòu)

錨桿（土釘）結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)輕型，柔性大，有良好的抗震性和延性，破壞前有明顯變形發(fā)展過(guò)程；②土釘數(shù)量眾多靠群體作用，即便個(gè)別土釘有質(zhì)量問(wèn)題或失效對(duì)整體影響不大；③施工所需場(chǎng)地小，移動(dòng)靈活，支護(hù)結(jié)構(gòu)基本不單獨(dú)占用空間；④施工速度快，不需養(yǎng)護(hù)或單獨(dú)占用施工工期；⑤施工設(shè)備及工藝簡(jiǎn)單，施工對(duì)周圍環(huán)境干擾??；⑥材料用量及工程量較少，工程造價(jià)低；⑦另外，由于孔徑小，施工方便靈活，邊開(kāi)挖邊支護(hù)便于信息化施工。

綜合工程造價(jià)以及場(chǎng)地的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及基坑開(kāi)挖深度，最終確定本基坑工程采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)方案為：① 南側(cè)（ABCD段）采用鉆孔灌注樁＋3排鋼管土釘作為支護(hù)體系；北側(cè)（KL段）采用鉆孔灌注樁＋4排鋼管土釘作為支護(hù)體系，樁間采用二重管高壓旋噴樁形成止水帷幕。②東側(cè)直接利用地鐵一號(hào)線現(xiàn)有圍護(hù)結(jié)構(gòu)。③其余段采用自然放坡進(jìn)行支護(hù)，坡面作掛網(wǎng)噴射砼處理。主要區(qū)域的支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1和圖2所示。

圖1 ABCD段支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

綜合基坑開(kāi)挖深度和支護(hù)結(jié)構(gòu)類型考慮，本文選取KL段（即鉆孔灌注樁＋4排鋼管土釘）作為典型斷面進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

3 典型斷面的數(shù)值模擬分析

由于基坑施工過(guò)程中，坑內(nèi)土體不可能完全達(dá)到被動(dòng)狀態(tài)，仍處于彈性變形階段，所以可將作用于支護(hù)樁上的坑外土壓力用水平作用力等效替換，并按彈性地基粱板法計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移與內(nèi)力，這種方法稱為彈性地基梁（板）法。

圖2 KL段支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

本工程基坑支護(hù)方案的設(shè)計(jì)計(jì)算，采用《北京理正深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件F-SPW》6.0版，并嚴(yán)格按照《南京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》以及《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》）中的有關(guān)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的。

（1）土的本構(gòu)模型

土的本構(gòu)模型采用目前使用最為廣泛的文克爾模型，即假定地基上任一點(diǎn)的彎沉L，僅與作用于該點(diǎn)的壓力P成正比，而與相鄰點(diǎn)處的壓力無(wú)關(guān)，反映壓力與彎沉值關(guān)系的比例常數(shù)K稱為地基反應(yīng)模量，公式表示為：K＝P／L

（2）計(jì)算幾何模型

本工程的側(cè)壁安全等級(jí)為一級(jí)，重要性系數(shù)取1.1；土壓力計(jì)算根據(jù)土層特性采用水土合算，坑外迎土面的土壓力取主動(dòng)土壓力，開(kāi)挖面深度以下的土壓力按矩形分布取用，坑內(nèi)開(kāi)挖面以下背土面的土壓力取被動(dòng)土壓力。

（3）計(jì)算方法

采用彈性地基梁法進(jìn)行計(jì)算，把支護(hù)結(jié)構(gòu)看作為一豎放的彈性地基梁，根據(jù)地基梁的變形方程和不同的邊界條件分段列出其變形微分方程。

（4）計(jì)算參數(shù)

基坑開(kāi)挖影響范圍內(nèi)的土層分為5層，本工程基坑沒(méi)有采用被動(dòng)區(qū)加固措施，基坑外側(cè)水位深度為2.0m，土層參數(shù)按工程勘察資料選取。另外，基坑土釘共計(jì)4層，水平間距1.2m，豎向間距分別為4.5、1.8、1.8和1.5m，土釘入射角0°，四道土釘長(zhǎng)度分別為10、10、12和10m，未施加預(yù)應(yīng)力。

（5）計(jì)算結(jié)果

圖3 基坑開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高支護(hù)結(jié)構(gòu)位移及應(yīng)力計(jì)算示意圖

根據(jù)瑞典條分法計(jì)算，Ks（整體穩(wěn)定安全系數(shù)）＝2.262；根據(jù) Prandtl（普朗德?tīng)枺┕接?jì)算，Ks＝5.544≥1.1；根據(jù)Terzaghi（太沙基）公式計(jì)算Ks≥1.15～1.25；均符合規(guī)范要求。

圖4 基坑整體穩(wěn)定性驗(yàn)算簡(jiǎn)圖

圖5 基坑抗隆起驗(yàn)算簡(jiǎn)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

基坑支護(hù)工程在不兼作主體結(jié)構(gòu)時(shí)是一種臨時(shí)設(shè)施，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須從經(jīng)濟(jì)和安全兩方面綜合考慮，選用結(jié)構(gòu)合理、施工方便、經(jīng)濟(jì)適用的支護(hù)型式，安全系數(shù)的選取不宜過(guò)大但也必須有一定的安全儲(chǔ)備?？偠灾又ёo(hù)工程與周邊建構(gòu)筑物、地下管線等的保護(hù)密切相關(guān)，每一個(gè)基坑工程都應(yīng)該把安全放在首要位置，結(jié)合工程自身特點(diǎn)，充分考慮施工周期、工程造價(jià)、周邊環(huán)境保護(hù)等各方面要素，因地制宜進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

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