楊 堅

（廣州珠江外資建筑設(shè)計院有限公司 廣州 510060）

0 引言

基坑工程［1］在建筑行業(yè)內(nèi)屬于高風(fēng)險的領(lǐng)域。同時它也是一個系統(tǒng)性的工程，涉及土力學(xué)、工程力學(xué)等自然學(xué)科，混凝土結(jié)構(gòu)［2］、組合結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)［3］等工程學(xué)科，以及施工管理、工法的方方面面。

以工程實例為背景，引入了一種剛度調(diào)平的方法，優(yōu)化基坑支護設(shè)計，在保護建筑周邊環(huán)境不受危害的同時，縮短了基坑施工周期，也降低了基坑的整體造價。

1 工程實例

1.1 工程概況

某項目位于廣州市海珠區(qū)，總建設(shè)用地面積5 039 m2，可建設(shè)用地面積 2 964 m2。基坑面積為2 478 m2，短邊 44.20 m，長邊 57.60 m，周長為 200 m，±0.00 m 相對于絕對標(biāo)高8.45 m，施工期間自然地面平整至7.45 m。底板面標(biāo)高為-9.16 m，底板厚0.50 m。塔樓部分采用筏板基礎(chǔ)，基坑普遍開挖深度為8.76 m，局部深度達11.06 m 及12.50 m。

1.2 周邊環(huán)境

場地內(nèi)周邊環(huán)境平坦開闊。基坑北側(cè)為1 棟6 層住宅樓，住宅樓距基坑邊約6～8 m；基坑?xùn)|側(cè)為規(guī)劃路；基坑南側(cè)為市政路，有市政給水管、污水管及電信光纖通過，基坑邊距最近居民樓約20 m；西側(cè)基坑為市政道路，有市政給水管、煤氣管及電力管通過，2 棟33 層住宅樓距基坑邊約16～25 m（見圖1）。

圖1 場地區(qū)位Fig.1 Site Location

1.3 地質(zhì)條件

場地屬珠江三角洲沖積平原地貌單元。場區(qū)地形平坦開闊，自然地面高程7.63～8.05 m。

場區(qū)內(nèi)覆蓋層自上而下依次為：雜填土、淤泥、粉質(zhì)黏土、強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

場地北側(cè)距離珠江約500 m，水力聯(lián)系密切。地下水主要為第四系孔隙水及風(fēng)化裂隙水。本場地含水層分布連續(xù)，總厚度變化不大，水量較大，為弱～中等透水層。綜合判定為Ⅱ類場地環(huán)境，B 類滲透性地層。土層主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層主要物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Soil Layer

場地整體而言，南區(qū)相對北區(qū)較差，西區(qū)相對東區(qū)較差，如圖2所示。

圖2 工程地質(zhì)剖面Fig.2 Engineering Geological Section

2 基坑支護設(shè)計

2.1 基坑結(jié)構(gòu)類型選型

按《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》［4］，本項目基坑安全等級為一級。適用于安全一級基坑的結(jié)構(gòu)類型主要為支擋式結(jié)構(gòu)：錨拉式結(jié)構(gòu)［5］、支撐式結(jié)構(gòu)、懸臂式結(jié)構(gòu)、雙排樁。由于本工程開挖深度接近10 m，采用懸臂式結(jié)構(gòu)及雙排樁顯然不合理。因此本基坑結(jié)構(gòu)類型選擇集中在：錨拉式結(jié)構(gòu)、支撐式結(jié)構(gòu)之間比選。

由于場地存在較厚的淤泥層、軟塑粉質(zhì)黏土層，錨拉式結(jié)構(gòu)的錨桿性能發(fā)揮效率較低；且基坑北側(cè)為一棟6 層住宅樓、西側(cè)有2 棟33 層住宅樓距基坑邊約16～25 m。采用錨拉式結(jié)構(gòu)會影響到周邊建筑的基礎(chǔ)，存在較大風(fēng)險。

采用支撐式結(jié)構(gòu)可以直接平衡兩端圍護結(jié)構(gòu)上所受的水土壓力，構(gòu)造簡單，受力明確，有效地控制基坑變形。不過基坑內(nèi)部存在支撐結(jié)構(gòu)，不利于大規(guī)模的機械化開挖，施工工期較長。

本項目由于外部條件的限制不能采用錨桿支護，后續(xù)工作重點是排樁+內(nèi)支撐［6］體系的優(yōu)化分析。

2.2 圍護結(jié)構(gòu)選型

結(jié)合地質(zhì)條件和開挖深度，基坑圍護結(jié)構(gòu)可以考慮旋挖樁、地下連續(xù)墻［7］，SMW 工法樁［8］、預(yù)制管樁［9，10］。

旋挖樁樁徑選擇較多，工藝成熟，剛度較大，施工速度較快，與主體結(jié)構(gòu)關(guān)系小；地下連續(xù)墻有良好的抗?jié)B能力，剛度大、整體性好，基坑開挖過程中安全性高，但造價偏高，前期需結(jié)合主體設(shè)計，設(shè)計周期較長且相對較難把握；SMW工法樁是將H 型鋼插入三軸攪拌樁中，形成可擋土止水的圍護結(jié)構(gòu)，但本身剛度較小，對周邊環(huán)境影響較大；預(yù)應(yīng)力管樁工藝成熟，施工周期短，但在城區(qū)施工僅限靜壓法，擠土效應(yīng)明顯，且管樁不能穿透強風(fēng)化巖層，嵌固樁長受限。

結(jié)合包括工期、造價在內(nèi)的各方面因素，本項目選定采用旋挖樁。

2.3 止水帷幕

本項目采用雙軸攪拌樁止水。攪拌樁直徑為550mm，攪拌樁中心距400 mm，采用四噴四攪的施工方法。

2.4 剛度調(diào)平方法在優(yōu)化支護設(shè)計中的運用

結(jié)合上述比選分析，擬定采用旋挖樁（排樁）+內(nèi)支撐的基坑支護方案（見圖3）。方案傳力途徑直接明確，通過滿足一定嵌固深度，樁間距、樁徑的旋挖樁，平面內(nèi)合理布置的鋼筋混凝土支撐（對撐、角撐），通過具備一定剛度的冠梁、腰梁連接一個剛度很大的結(jié)構(gòu)體系。

圖3 排樁+內(nèi)支撐支護結(jié)構(gòu)典型剖面Fig.3 Pile Wall and Strut Structural Typical Section

在周邊環(huán)境超載情況及場地條件一定的前提下，排樁+內(nèi)支撐的基坑支護結(jié)構(gòu)可以近似地按經(jīng)典的結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計。

在基坑設(shè)計引入剛度調(diào)平方法：根據(jù)基坑深度、平面形狀、周邊超載、場地地質(zhì)情況的變化需求，分區(qū)域設(shè)計了不同截面的支撐、不同樁徑樁間距的排樁。通過進行多方案比較、反復(fù)計算以及優(yōu)化構(gòu)造等方面的把控，得出安全、經(jīng)濟、合理的方案。

方案1 按常規(guī)做法布置了φ1 000@1 200 灌注樁+2 道混凝土內(nèi)支撐的支護方案（見圖4）?；邮芰鶆蜃冃渭皹?gòu)件內(nèi)力均較小，可見基坑整體的剛度較大，有一定的富余度。但沿基坑深度設(shè)置了2 道內(nèi)撐，層間凈空較小影響挖掘機械進出，出土較慢?；拥某杀据^高、施工周期長。

圖4 方案1 基坑平面布置Fig.4 Excavation Layout of the Plan 1

在方案1 的基礎(chǔ)上，為降低基坑成本、縮短施工周期，取消了腰梁及第2 道支撐（見圖5）。

圖5 方案1、方案2 基坑剖面對比Fig.5 Section Comparison of Excavations

但場地南區(qū)地質(zhì)條件較差，基坑南部、中部變形超過限值，局部基坑的剛度不足。為滿足支護結(jié)構(gòu)剛度需求，將基坑南部（PA 段-AD 段-AF 段）的支護樁加強為φ1 200@1 400，同時增大該部分樁的入巖深度，加強對撐（MN 段、FG 段加設(shè)八字撐）（見圖6）。

圖6 方案2 基坑平面布置Fig.6 Excavation Layout of the Plan 2

方案2 可以滿足規(guī)范及設(shè)計的各方面要求。但按施工單位的需求：車輛出入口設(shè)置在場地的西南角，同時取消對撐，讓施工車輛通過坡道直接到達坑底。這樣可大大縮短土方運輸?shù)臅r間。

取消中間對撐，必然導(dǎo)致基坑中部剛度下降，如何調(diào)整基坑各構(gòu)件的剛度滿足這種需求，便成為其中難點。設(shè)計通過調(diào)整支護結(jié)構(gòu)的尺寸剛度，在方案2的基礎(chǔ)上：將基坑中部（LP 段、MH 段）的支護樁加強為φ1 200@1 400，同時增大該部分樁的入巖深度。將基坑四角的角撐設(shè)置為板撐，加強基坑角撐剛度，為支護樁和冠梁提供有力支撐；根據(jù)剛度需求，將LP段、FH 段冠梁截面加強至1 800 mm×1 000 mm。通過這一系列調(diào)整剛度措施，設(shè)計滿足規(guī)范、施工等各方面需求的實施方案（見圖7、圖8）。

圖7 實施方案基坑平面布置Fig.7 Implementation Plan of the Excavation

圖8 實施方案基坑典型剖面Fig.8 Implementation Plan Profile of the Excavation

考慮到項目場地用地緊張，基坑四角的角撐采用水平剛度更大的板撐，加強支撐剛度的同時，設(shè)計亦考慮了水平堆載豎向荷載，為鋼筋等建筑材料提供了場地便利。

3 計算分析

3.1 設(shè)計工況

場地平整、施工地坪硬化后，進行止水樁、圍護樁、立柱樁施工。

坑內(nèi)采用輕型井點降水；開挖土方至第1 道支撐梁底下0.3 m，施工冠梁及第1 道支撐，待第1 道腰梁強度達到70%后，開挖土方至基坑底，施工基礎(chǔ)、底板及負(fù)1 層樓板，待樓板達到設(shè)計強度的70%后，拆除第1 道支撐：施工地下室頂板。

3.2 設(shè)計參數(shù)

基坑的安全等級為一級，基坑側(cè)壁的重要性系數(shù)取1.1；地面超載取20 kPa，西側(cè)出土口處取40 kPa，南側(cè)地面超載取60 kPa；地下水位基坑外側(cè)取地面以下2 m，基坑內(nèi)側(cè)取開挖面以下1.0 m；計算軟件采用理正深基坑計算軟件。

3.3 計算結(jié)果

設(shè)計同時采用了單元法和整體計算進行計算分析。單元法基坑設(shè)計的主要計算數(shù)據(jù)如表2、圖9所示。

表2 各剖面支護計算結(jié)果匯總Tab.2 Summary of Calculation Results

圖9 變形內(nèi)力包絡(luò)圖Fig.9 Deformation Internal Force Envelope Diagram

從單元法計算結(jié)果來看，基坑圍護構(gòu)件的變形，內(nèi)力，基坑整體穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定性、抗隆起等方面均符合規(guī)范要求。而基坑整體計算有限元分析各方面的結(jié)果（見圖10）均與單元法設(shè)計結(jié)果吻合，驗證了2 個計算方法的合理性。本項目基坑最大計算位移20.60 mm，樁身計算彎矩分別小于樁身抵抗彎矩，冠梁、支撐體系受力亦符合規(guī)范要求。

合理的基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計能有效地控制基坑及周邊建筑物的沉降，保證基坑的安全，同時可很好地節(jié)約工程造價，縮短施工周期。

圖10 整體計算基坑變形Fig.10 Overall Calculation of Foundation Pit Deformation

4 施工驗證

在項目施工過程中，按設(shè)計及相關(guān)規(guī)范的要求，對基坑及周邊進行觀測，為信息化施工提供基礎(chǔ)參數(shù)。在整個施工過程中，坑頂水平、垂直位移，深層水平位移（測斜），周邊建構(gòu)筑物、周邊道路沉降、傾斜，支撐軸力，地下水位值均未超過報警值（見圖11）?；又ёo效果良好，滿足設(shè)計要求，項目現(xiàn)已通過主體驗收。

圖11 實測水平位移曲線圖Fig.11 Measured Horizontal Displacement Curve

5 結(jié)論

一種剛度調(diào)平方法靈活運用在基坑支護結(jié)構(gòu)方案選型和設(shè)計計算的過程中，改善了基坑設(shè)計中構(gòu)件剛度單一化的情況。實施項目基坑整體受力均勻，變形合理的同時節(jié)省了工程造價和縮短了施工周期，為今后類似工程提供了一定的借鑒和參考。