戴志成

(蘇州高新區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量(安全)監(jiān)督站，江蘇蘇州 215000)

0 引言

社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技水平的不斷發(fā)展以及城市化進(jìn)程的加快，高層、超高層的高密度建筑群越來越多，使得城市可利用的土地空間日益緊張.高層建筑物多數(shù)采用樁基礎(chǔ)，具有獨(dú)立的地下室.近年來，綜合地下空間開發(fā)形式逐漸增多，將獨(dú)立的地下室與城市軌道交通地下車站站點(diǎn)、地下交通樞紐等聯(lián)結(jié)為一體，呈現(xiàn)為地上、地下共同開發(fā)的模式.在開發(fā)建設(shè)過程中隨之產(chǎn)生了眾多的基坑工程，基坑的開挖面積和規(guī)模也向越來越大的方向發(fā)展.由于此類建筑大都處于城市核心區(qū)域，人口數(shù)量大、交通擁擠、建(構(gòu))筑物鱗次櫛比，周邊環(huán)境復(fù)雜.因此，結(jié)合建筑物結(jié)構(gòu)形式及基坑工程性質(zhì)、場地的水工環(huán)地質(zhì)條件，綜合確定基坑工程支護(hù)形式，并進(jìn)行合理優(yōu)化，對(duì)基坑工程的安全施工及周邊環(huán)境保護(hù)是十分必要且有效的途徑.

近年來，針對(duì)基坑工程施工變形與周邊環(huán)境相互關(guān)系這一領(lǐng)域，眾多學(xué)者從地質(zhì)、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測以及數(shù)值模擬等不同角度進(jìn)行了一系列的理論分析和實(shí)踐研究，并提出了相應(yīng)的穩(wěn)定性控制措施.李相然[1]對(duì)基坑開挖涉及的主要環(huán)境巖土工程地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行歸納總結(jié)，并提出了預(yù)防途徑與措施；廖少明[2]對(duì)蘇州地區(qū)多個(gè)采用鉆孔灌注樁和地下連續(xù)墻圍護(hù)的基坑，進(jìn)行了變形性狀對(duì)比分析；閆懷瑞[3]對(duì)蘇州地區(qū)軟土發(fā)育區(qū)域的深基坑施工中可能出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題及不良環(huán)境效應(yīng)問題進(jìn)行了深入研究；吳昌將[4]通過對(duì)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的分析，研究軟土地區(qū)地下連續(xù)墻深大基坑的變形性狀以及對(duì)坑外建筑的影響；劉楊[5]從理論上分析基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穿越富水軟弱地層時(shí)的局部失穩(wěn)機(jī)制，構(gòu)建了失穩(wěn)受力模型.

本文以蘇州地區(qū)某環(huán)境條件復(fù)雜的深基坑工程支護(hù)設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，選擇適用于本工程的支護(hù)形式，并進(jìn)行支護(hù)形式優(yōu)化，為蘇州地區(qū)類似環(huán)境條件下深基坑工程支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考.

1 工程概況

1.1 工程介紹

該工程位于蘇州市工業(yè)園區(qū)，總用地面積為17 462 m2，總建筑面積為113 748 m2.主體結(jié)構(gòu)為22層鋼筋混凝土(框架剪力墻)結(jié)構(gòu)體系，地面以上塔樓22層、裙房3層，塔樓和裙房下設(shè)3層地下室，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁.基礎(chǔ)板面標(biāo)高-14.00 m，底板厚度為1.00 m、1.30 m.核心筒底板厚度為3.00 m.-3F頂板結(jié)構(gòu)標(biāo)高為-9.14 m，-2F頂板結(jié)構(gòu)標(biāo)高為-5.56 m，-1F頂板結(jié)構(gòu)標(biāo)高為-0.60 m(本文標(biāo)高均為1985國家高程基準(zhǔn)，±0.000相當(dāng)于1985國家高程基準(zhǔn)3.300 m)，工程平面位置見圖1.

本工程基坑近似呈矩形，周長約533 m，坑底面積約15 570 m2.基坑北側(cè)挖深為15.40 m、15.90 m，其余挖深15.40 m.局部坑中坑最大落差6.05 m.

1.2 周邊環(huán)境條件

1.2.1 周邊用地紅線及建(構(gòu))筑物

東側(cè)：基坑?xùn)|側(cè)為河道.外墻距離用地紅線最近約5.0 m，紅線外8.8～12.7 m為河道，駁岸標(biāo)高約1.50 m，河水標(biāo)高約0.50 m.

南側(cè)：基坑南側(cè)為某銀行大樓(地下2層，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)).外墻距離用地紅線約5.0 m，外墻距離該銀行地下室外墻最近約12.0 m，紅線外分布有市政管線.

西側(cè)：基坑西側(cè)為市政道路，路面標(biāo)高約3.0 m.外墻距離用地紅線約5.0 m，外墻道路距離某大廈最近約40.0 m(樁基礎(chǔ))，道路上分布一些市政管線.

北側(cè)：基坑北側(cè)為市政道路，路面標(biāo)高約3.0～3.5 m.外墻距離用地紅線約5.0 m，紅線內(nèi)分布熱力管及供電管，道路上分布一些市政管線.

1.2.2 周邊管線

本基坑除東側(cè)為河道外，其余均有管線分布，管線種類主要有熱力、供電、給水、雨水、通訊、污水等，埋深普遍在0.5～2.3 m.

2 地質(zhì)概況

2.1 工程地質(zhì)條件

2.1.1 場地土層構(gòu)成

擬建場地屬于長江三角洲河湖沉積平原區(qū)，地貌形態(tài)單一，水系發(fā)育，現(xiàn)為空地，地勢較平坦.勘探資料表明，場地內(nèi)自然地面以下100.60 m以內(nèi)按土的沉積環(huán)境、成因類型以及工程地質(zhì)性質(zhì)，自上而下可劃分為11個(gè)工程地質(zhì)層，并細(xì)分為15個(gè)工程地質(zhì)亞層，土層分布特征見圖2(見 71頁)，其中①素填土、②1粉質(zhì)黏土、②2黏土、③1粉質(zhì)黏土夾粉土、③2粉質(zhì)黏土、④粉土夾粉質(zhì)黏土、⑤粉質(zhì)黏土，為基坑開挖范圍內(nèi)的主要土層.開挖范圍內(nèi)的主要土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1.

表1 主要土層物理力學(xué)指標(biāo)表

2.1.2 不良地質(zhì)作用

擬建場地未發(fā)現(xiàn)有構(gòu)造斷裂、滑坡、地裂縫等不良地質(zhì)作用，穩(wěn)定性較好.

2.1.3 對(duì)工程不利的埋藏物

場地內(nèi)自然地面以下0～1 m深度范圍(場地中部)普遍為雜填土，成分為混凝土路面、塊石等.除此以外，擬建場地未發(fā)現(xiàn)其他暗河、暗浜、墓穴、溶洞等對(duì)工程不利的埋藏物.

2.2 水文地質(zhì)條件

蘇州位于長江流域下游，區(qū)內(nèi)河湖等地表水系發(fā)育，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量較大.鉆探揭示本場地內(nèi)的地下水類型主要有潛水、微承壓水和承壓水.其中潛水、微承壓水對(duì)本工程基坑開挖影響較大，承壓水影響較弱.

2.2.1 潛水

潛水賦水性差，主要賦存于素填土層中，其補(bǔ)給方式主要為大氣降水和地表徑流下滲，水位受季節(jié)影響波動(dòng)大.勘察期間測得初見水位埋深1.00～1.20 m，穩(wěn)定水位埋深1.40～1.60 m，相當(dāng)于1985國家高程基準(zhǔn)1.03～1.47 m.

2.2.2 微承壓水

擬建場地內(nèi)的微承壓水，主要賦存于粉土夾粉質(zhì)黏土層中，其補(bǔ)給來源為大氣降水、地表水及上部潛水下滲，以民間水井取水及地下逕流為其主要的排泄方式.勘察期間測得其穩(wěn)定水位標(biāo)高為-0.45～-0.18 m.

3 基坑特點(diǎn)

通過對(duì)擬建場地的基坑開挖面積和深度、水工環(huán)地質(zhì)條件的分析，得出本基坑具有以下特點(diǎn)：

(1)開挖深、面積大.基坑為地下3層，周長約533 m，坑底面積約15 570 m2，基坑挖深分別為15.40 m、15.90 m，坑中坑最大落差6.05 m，屬大型較深基坑.

(2)周邊環(huán)境條件復(fù)雜.基坑?xùn)|側(cè)距離河道約15.0 m，南側(cè)距離某銀行大廈(地下2層，鉆孔灌注樁基礎(chǔ))17.0 m，三側(cè)臨近市政道路，埋設(shè)有熱力管、電力管、市政管線，基坑環(huán)境復(fù)雜，施工對(duì)環(huán)境影響大.

(3)施工空間狹小.地下室外墻距離用地紅線較近，普遍在5 m左右，且需要預(yù)留出土口(南、北側(cè)共3個(gè))位置，施工空間狹小.

(4)基底土層滲透系數(shù)大.基坑開挖范圍內(nèi)有多個(gè)土層：①素填土、②1粉質(zhì)黏土、②2黏土、③1粉質(zhì)黏土夾粉土、③2粉質(zhì)黏土、④粉土夾粉質(zhì)黏土、⑤粉質(zhì)黏土層，其中基底及其以下土層為④粉土夾粉質(zhì)黏土、⑤粉質(zhì)黏土層.基底已處于透水性較強(qiáng)的微承壓含水層中，直接開挖將引起基坑涌水和流砂，危及基坑安全.經(jīng)抗?jié)B流穩(wěn)定性驗(yàn)算，當(dāng)基坑開挖至③2層粉質(zhì)黏土底部及以下土層時(shí)會(huì)出現(xiàn)流土、流砂等滲透變形.

4 基坑工程支護(hù)形式選擇與優(yōu)化

4.1 支護(hù)形式選擇

本工程采用“鉆孔灌注樁+三軸水泥土攪拌樁止水帷幕+水平支撐”的支護(hù)形式.基坑支護(hù)形式平面布置見圖3.

鉆孔灌注樁是本地區(qū)的深基坑支護(hù)中應(yīng)用最成熟的支護(hù)體系，已在較多深基坑工程支護(hù)中成功使用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益.采用鉆孔灌注樁時(shí)，土體位移可以控制在較小的尺度，施工設(shè)備占地面積小，施工技術(shù)成熟、速度快，可以有效地節(jié)約造價(jià)和節(jié)省工期.

當(dāng)采用鉆孔灌注樁作為支護(hù)樁時(shí)，為消除微承壓含水層對(duì)基坑開挖造成的基坑涌水和流砂風(fēng)險(xiǎn)，在鉆孔灌注樁外圍布置一道三軸深層水泥土攪拌樁做止水帷幕，水泥土攪拌樁深入黏土層，并在基坑內(nèi)部布置一定數(shù)量的降水管井，可將微承壓含水層水頭控制在安全的范圍內(nèi).

本工程基坑形狀為近似長方形，拐角較多，為了保證支撐體系有效發(fā)揮作用，支撐類型選擇鋼筋混凝土支撐，其剛度大、整體性好、布置靈活、施工技術(shù)成熟.為了給基坑開挖留出足夠的施工空間，同時(shí)滿足換撐的需要，支撐體系選擇角撐加對(duì)撐的鋼筋混凝土形式.

4.2 支護(hù)形式優(yōu)化

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，蘇州地區(qū)具有類似條件特點(diǎn)的基坑，一般采用三道鋼筋混凝土支撐的類型，但由于三道支撐布置較多，對(duì)下部土方開挖作業(yè)空間造成一定限制，加上對(duì)支撐的施工、養(yǎng)護(hù)時(shí)間，會(huì)增加基坑施工工期.考慮到本工程施工涉及機(jī)械開挖出土，為了給基坑開挖留出足夠的施工空間，同時(shí)保證周邊環(huán)境的安全，通過嚴(yán)格計(jì)算，采用增大支護(hù)樁樁徑、布置反壓牛腿等方式，將三道支撐優(yōu)化為兩道支撐，具體優(yōu)化措施包括：

(1)采用1 100 mm大直徑鉆孔灌注樁；(2)底板換撐時(shí)，在外墻與灌注樁之間增加反壓牛腿，以緩減第二道支撐拆除后支護(hù)樁產(chǎn)生的局部變形；(3)將第一道支撐下壓，第二道支撐位于地下3層內(nèi)，土方車輛可以直接駛?cè)肟觾?nèi)行駛于第二道支撐上，大大提高施工效率.

4.3 穩(wěn)定性計(jì)算

針對(duì)以上優(yōu)化措施，選用理正深基坑軟件計(jì)算、設(shè)計(jì)灌注樁支護(hù)樁，選用BSC支撐計(jì)算軟件進(jìn)行內(nèi)支撐受力分析計(jì)算[6]，根據(jù)基坑周邊環(huán)境條件、開挖深度和地質(zhì)條件，本工程地下室基坑側(cè)壁安全等級(jí)為一級(jí)，基坑側(cè)壁安全系數(shù)為1.1，同時(shí)對(duì)灌注樁配筋、立柱樁承載力、對(duì)撐和連系梁受力進(jìn)行了驗(yàn)算.計(jì)算結(jié)果表明，各項(xiàng)安全系數(shù)均達(dá)到規(guī)范要求，采用優(yōu)化后的支護(hù)形式可以有效控制基坑變形.部分工況剖面計(jì)算結(jié)果見圖4和圖5(見 73頁).

5 監(jiān)測結(jié)果分析

基坑整個(gè)觀測周期歷時(shí)近15個(gè)月，對(duì)基坑頂水平位移、豎向位移，深層土體水平位移，地下水水位，道路、管線、地表豎向位移，軸力等項(xiàng)目實(shí)施了監(jiān)測工作.限于篇幅，僅對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移進(jìn)行分析，并選取相近場地采用“鉆孔灌注樁+三道支撐”的支護(hù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，見圖6.

支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形同基坑開挖工況及基坑的支護(hù)方式密切相關(guān)，可以直接反映基坑支護(hù)體系的穩(wěn)定性狀態(tài).自基坑開挖起，支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移時(shí)程曲線近似直線上升，隨著施工天數(shù)增加，水平位移逐漸增大，這與實(shí)際情況相符.在前期基坑開挖階段，坡頂土體發(fā)生向基坑內(nèi)側(cè)方向的變形位移.兩個(gè)相近基坑分別在180 d、270 d后，水平位移出現(xiàn)極值，本基坑變形值整體偏大，但累計(jì)不超過25 mm.施工期間，所有觀測點(diǎn)均小于報(bào)警值(累計(jì)30 mm).此后基坑回填期間，水平位移變化速率有減小趨勢，表明坡頂土體變形不再向內(nèi)側(cè)增加，土體穩(wěn)定.

本基坑工程開挖至回填期間周邊環(huán)境變形量較小，基坑施工期間未對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生明顯影響.經(jīng)估算，與采用三道支撐相比，本方案節(jié)省造價(jià)約300萬元，縮短施工工期約3個(gè)月.綜合以上分析，表明本基坑工程支護(hù)設(shè)計(jì)方案及優(yōu)化方案合理，施工質(zhì)量可靠，經(jīng)濟(jì)性較好.

6 結(jié)論

以蘇州地區(qū)某環(huán)境條件復(fù)雜的深基坑工程支護(hù)設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，介紹了該基坑工程概況，分析了擬建場地水工環(huán)地質(zhì)條件，從蘇州地區(qū)常用的深基坑支護(hù)形式中選擇適用于本工程的支護(hù)形式，并進(jìn)行支護(hù)形式優(yōu)化，得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)本基坑具有開挖深、面積大、周邊環(huán)境條件復(fù)雜、施工空間狹小、基底土層滲透系數(shù)大的特點(diǎn).根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，蘇州地區(qū)類似特點(diǎn)的基坑支護(hù)，一般選擇鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻或SMW工法樁的支護(hù)形式.本工程采用“鉆孔灌注樁+三軸水泥土攪拌樁止水帷幕+水平支撐”的支護(hù)形式.

(2)采用增大支護(hù)樁樁徑、布置反壓牛腿等方式，將三道支撐優(yōu)化為兩道支撐，通過合理優(yōu)化，在不降低整體安全性能的前提下，既擴(kuò)大了施工作業(yè)空間，又節(jié)約了造價(jià)、縮短了工期.

(3)本基坑工程開挖至回填期間，基坑周邊環(huán)境變形量小于預(yù)控值，基坑施工期間未對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生明顯影響，總體較為安全，表明本基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案及優(yōu)化方案合理，施工質(zhì)量可靠，可為蘇州地區(qū)類似環(huán)境條件下深基坑工程支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考.