陳海東

（1 建材廣州工程勘測院有限公司；2 中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心廣東總隊）

0 引言

隨著社會發(fā)展，城市建設(shè)如火如荼，建設(shè)規(guī)模不斷擴大，對地下空間也日益重視。地下停車場、地鐵等基坑項目屢見不鮮，基坑面積越來越大，開挖也較深。珠三角地帶，由于其特殊的地理環(huán)境和地質(zhì)構(gòu)造，軟土發(fā)育，覆蓋土層較厚，基坑開挖既要滿足安全穩(wěn)定，又要保證土體的變形不能影響既有管道和建筑物的使用，同時還要兼顧經(jīng)濟性和施工難易性，因此對基坑支護設(shè)計提出了很高的要求。結(jié)合佛山某基坑項目，通過支護方案選型和分析，探討基坑設(shè)計的要點。

1 概況

1.1 工程概況及周邊環(huán)境

擬建南海桂城某項目位于佛山市南海區(qū)桂城海八路北側(cè)，中央大街以南，東面為華翠北路，西面為寶翠北路，基坑形狀較規(guī)則，呈矩形狀，基坑周長901.8m，設(shè)3層地下室，基坑開挖深度為14.50m。本基坑支護結(jié)構(gòu)安全等級為一級，基坑環(huán)境等級為一級[1]。

基坑周邊環(huán)境及建筑物：基坑位于佛山市南海區(qū)，基坑?xùn)|側(cè)距建筑用地紅線5m，紅線東側(cè)為華翠北路，坑頂存在地下管線，管線距基坑5.6m；基坑南側(cè)距紅線5～10m，距紅線約100m 為佛山地鐵，坑頂存在地下管線，地下管線距基坑4m；基坑西側(cè)為寶翠北路，距基坑6m 處，為一2 層售樓部，坑頂存在地下管線，管線距基坑1.5～4m；基坑北側(cè)距紅線10m，紅線外側(cè)為中央大街，坑頂存在地下管線,地下管線距3.5m。四周均為市政主干路，管線多為燃?xì)?、高壓電纜、自來水和通信管線。

1.2 工程地質(zhì)條件

地基土主要由填土（Q4ml）、第四系沖積層（Q4al）、殘積土（Qel）及第三系（E）基巖泥質(zhì)粉砂巖，自上而下分層為：

1 雜填土：全場分布?；疑s色，主要以粘性土、細(xì)砂及建筑垃圾為主，部分鉆孔頂部為混凝土面，大部分呈松散狀，未經(jīng)壓實。

2-1 淤泥：全場28 個鉆孔揭露。灰色，飽和，流塑為主，局部軟塑，含有機質(zhì)，韌性中等，部分鉆孔夾有粉砂。

2-2 粉細(xì)砂：全場42 個鉆孔均有揭露?；疑?，灰黃色，灰白色，飽和，松散～稍密，局部中密，石英質(zhì)，棱角形，局部含淤泥質(zhì)粉砂。

2-3 淤泥質(zhì)土：全場33 個鉆孔揭露?；疑?，飽和，流塑～軟塑，含有機質(zhì)，腐殖質(zhì)，干強度中等，韌性中等，局部含淤泥質(zhì)粉砂。

2-4 粉質(zhì)黏土：全場僅2 個鉆孔揭露。褐黃色，青灰色，以黏粒為主，含少量粉粒，稍有光澤，干強度高，韌性中等，濕，可塑為主。

2-5 粉細(xì)砂：全場30 個鉆孔揭露?；尹S色，灰白色，青灰色，飽和，稍密～中密，局部密實。石英質(zhì)，棱角形，局部含淤泥質(zhì)粉砂。

2-6 淤泥：全場僅6 個鉆孔揭露。深灰色，飽和，軟塑為主，局部含有機質(zhì)，腐殖質(zhì)，干強度中等，韌性中等。

3 殘積土：全場24 個鉆孔揭露。青灰色，紫紅色，原巖為泥質(zhì)粉砂巖，濕，可塑。

4-1 強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖：全場41 個鉆孔揭露。紫紅色，風(fēng)化強烈，巖質(zhì)軟，手折易斷，巖芯呈半巖半土狀，干鉆較難鉆進。遇水易軟化崩解。屬極軟巖，巖體較破碎，綜合評定巖體質(zhì)量級別為Ⅴ級。

4-2 中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖：全場35 個鉆孔揭露。紫紅色，泥質(zhì)膠結(jié)，砂狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，巖芯較完整，呈短柱狀，局部碎塊狀，RQD 約為87%，遇水易軟化、崩解。風(fēng)化不均勻，局部夾強風(fēng)化巖。軟巖，巖體較完整，綜合評定巖體質(zhì)量級別為Ⅳ級。

4-3 強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖：全場18 個鉆孔呈透鏡體揭露。紫紅色,巖質(zhì)疏松，性軟，手折易斷，巖芯呈半巖半土狀,干鉆較難鉆進，局部夾少量中風(fēng)化巖。極軟巖，巖體較破碎，綜合評定巖體質(zhì)量級別為Ⅴ級。

4-4 中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖：全場僅7 個鉆孔揭露。紫紅色，泥質(zhì)膠結(jié)，砂狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，巖芯較完整，多呈中-長柱狀，局部碎塊狀，巖質(zhì)堅硬。較軟巖，巖體較完整，綜合評定巖體質(zhì)量級別為Ⅳ級。

各土層物理力學(xué)指標(biāo)如表1 所示。

表1

1.3 水文地質(zhì)

⑴本場地地下水主要為上層滯水、孔隙潛水和基巖裂隙水等，場地地下水的補給主要來源于大氣降水、地表水向下滲透補給，排泄方式以側(cè)向徑流和蒸發(fā)為主。

⑵本場地地下水較豐富，地下水涌水量受降水和地表水回滲量影響較大，選取有關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)時需充分考慮該因素。

⑶抽水試驗結(jié)果得出綜合滲透系數(shù)K 為1.65×10-3～2.03×10-3㎝/s，滲透等級為中等透水。淤泥為高含水、微透水層，易產(chǎn)生滲透變形；粉細(xì)砂和細(xì)中砂為中等透水層；其它土層為微透水層。

2 基坑支護設(shè)計要點與方案選擇

2.1 設(shè)計難點

⑴基坑周邊均為市政主干道，管線較多，西側(cè)存在既有建筑物，基坑支護等級為一級，對土體變形要求嚴(yán)格。

⑵勘察資料顯示，基坑開挖深度范圍內(nèi)填土層及淤泥層較厚，部分地段其厚度達16.3m，土層工程力學(xué)性質(zhì)不良，自穩(wěn)能力極差，易受擾動。

⑶地下水豐富且埋深較淺，滲流穩(wěn)定性差，地下水控制較難。

⑷紅線距基坑開挖線較近，幾乎無放坡空間。

2.2 基坑支護方案分析與選型

基坑支護設(shè)計將安全可靠放在首位，結(jié)合當(dāng)?shù)鼗又ёo經(jīng)驗及施工水平，選取了適合本工程的兩種方案。

⑴鉆孔灌注樁作為支護樁，三軸攪拌樁作止水帷幕，兩層內(nèi)支撐方案。三軸攪拌樁止水效果較好，同時可以加固基坑外側(cè)土體，提高其自穩(wěn)性；大直徑鉆孔灌注樁加內(nèi)支撐方案，可以有效地控制基坑變形和周邊土體的位移，本支護選型對周邊的地下空間沒有占用。

⑵三軸攪拌樁止水帷幕，上部采用直立(或放坡)+三軸(大直徑)攪拌樁+錨索+型鋼，下部采用灌注樁+可回收式預(yù)應(yīng)力錨索+三軸攪拌樁止水支護方案，坡面掛鋼筋網(wǎng)噴C20 混凝土。外側(cè)大直徑攪拌樁和內(nèi)部三軸攪拌樁結(jié)合使用，止水效果較好，兩排攪拌樁中間的格柵攪拌樁改良了上部軟弱土體，有效地減小了放坡的長度。大直徑支護樁+可回收錨索，保證了土體位移變形，考慮到佛山對于建筑紅線控制較嚴(yán)，采用了可回收錨索的設(shè)計。

兩種方案都采用了水泥土攪拌樁作為止水帷幕，該工藝在廣東省內(nèi)較成熟，應(yīng)用廣泛，三軸攪拌樁的止水效果較好。通過理正基坑支護軟件計算，這兩種方案的支護結(jié)構(gòu)均穩(wěn)定可靠，不會發(fā)生局部或整體破壞；基坑側(cè)壁的位移也都在容許范圍值內(nèi)，周邊的售樓處和市政管線等不會因產(chǎn)生過大位移而破壞。從造價節(jié)省、方便施工等分析，內(nèi)支撐的工程造價較高；同時混凝土硬化后才能起到支撐作用，因此該方案的施工工期較長；由于開挖面積較大，混凝土的收縮變形量不可忽視，對施工要求較高。綜合這幾點因素，本基坑支護方案選型為第二種，即大直徑樁+可回收錨索+攪拌樁方案。

基坑根據(jù)資料及周邊環(huán)境分11 個剖面進行支護，基坑安全等級為一級。基坑開挖范圍按地下室外墻線外擴1.5m 作為防水層空間，基坑開挖深度為14.50m，基坑周邊承臺采取跳挖方式進行?；又苓吅奢d按20kPa計算，道路荷載按40kPa 計算，基坑周邊2m 范圍內(nèi)嚴(yán)禁堆載?；映鐾量跒闁|南兩側(cè)，分別為T1-T1 剖及T2-T2 剖，經(jīng)復(fù)核可作為出土口。

圍護混凝土灌注樁采用φ1200@1400，插入比1:1.0，樁間掛錨固筋及豎向筋，噴射C20 混凝土。三軸攪拌樁樁端穿越砂層進入不透水層不小于1m，水泥標(biāo)號采用P.O.42.5R。水泥摻入比不小于170㎏/m，水灰比0.4～.5。基坑土方開挖在樁身水泥土28 天抗壓強度達到1.0MPa 后進行。內(nèi)外攪拌樁為φ850@600，外側(cè)樁長18m，內(nèi)側(cè)樁長20.7m，實際長16.7m。攪拌樁中間加固區(qū)采用格柵式攪拌樁φ550@400，加固9m，實樁長5m。錨索采用成孔采用泥漿護壁成孔，若淤泥質(zhì)砂層較厚，泥漿護壁成孔困難時，可采用套管跟進；錨索成孔直徑為150mm。錨桿鋼筋采用HRB400 級，錨桿成孔直徑為90mm，采用孔底常壓注漿法，漿液水灰比為0.4～0.5，應(yīng)進行補漿，以確保注漿飽滿，錨桿抗拔力設(shè)計值為10KN/m。注漿材料選用0.45～0.55 純水泥漿，水泥標(biāo)號為42.5R 普通硅酸鹽水泥,并加入適量的早強劑及膨脹劑，注漿體強度不低于20MPa，一次注漿壓力為0.5～1.5MPa。并采用二次注漿，注漿時間可根據(jù)注漿工藝試驗確定或一次注漿錨固體強度達到5MPa 后進行，注漿材料選用水灰比為0.50～0.55 的純水泥漿，注漿壓力為2～3MPa。錨索回收：待地下室完成至相應(yīng)標(biāo)高，回?fù)螐姸冗_到設(shè)計的85%后再進行錨索的回收。代表性剖面詳情見圖1 及圖2。

圖1

圖2

2.3 基坑支護計算

選取8-8 剖面（HJ 段）進行驗算，售樓部采用條基，基礎(chǔ)埋深3.0m，基礎(chǔ)寬2.4m，售樓部外墻距攪拌樁3.0m，其簡化為40kPa 超載，外圍附加20kPa 超載，基坑支護安全等級一級，重要性系數(shù)1.10，采用增量法計算，土壓力采取水土合算（砂層采用分算法），工況采取開挖4.8m、8.3m、11.8m、14.5m 及加撐階段分別進行計算。彎矩最大值為1984.94kN·m，剪力最大值604.41kN。詳見圖3。錨索采用鋼絞線，水平間距1.4m，豎向間距4.3m，入射角30 度。1、2 道錨索長40m，錨固段30m，第3道錨索長36m，錨固段28m，預(yù)加力450kN，采用瑞典條分法，條分寬度0.4m，采用總應(yīng)力法進行整體圓弧穩(wěn)定性計算，Ks=1.887；嵌固深度滿足要求。

圖3 內(nèi)力計算

由于該剖面處外側(cè)有售樓部及市政管線，土體變形要求最為嚴(yán)格，采取了如下加固措施：外側(cè)大直徑攪拌樁中插入22b 型鋼，插入深度7m，同時在該攪拌樁頂部冠梁處布設(shè)可回收錨索，采用3×15.2 鋼絞線，水平間距1.2m。該兩項措施作為控制變形的安全儲備，計算中未予以考慮。

2.4 基坑變形分析與應(yīng)對

基坑開挖后側(cè)壁土體的變形特征與支護形式密切相關(guān)，當(dāng)采用剛體支護模型（如懸臂樁支護）時，其變形呈現(xiàn)為基坑頂部位移大、底部位移小的三角形式的位移，基坑頂部土層的豎向位移也呈現(xiàn)為三角形。當(dāng)采用樁錨結(jié)合的組合型支護時，其頂部的水平位移收斂，水平位移的最大值向基坑底部轉(zhuǎn)移，形成類似弓形的變形特征，同時由于頂部水平位移的減小，基坑周邊的豎向位移也得到了控制。詳見圖4。

圖4

現(xiàn)今基坑支護設(shè)計中關(guān)于支護樁位移的計算多根據(jù)溫科勒的彈性樁的內(nèi)力計算方法，根據(jù)外力樁的撓曲變形微分方程來計算周邊基坑土體的位移，其公式如下：

E 為樁的彈性模量，I 為樁的慣性矩，EI 為樁體剛度，q(x)是土體壓力關(guān)于深度x 的函數(shù)，bs為該計算單元的寬度（可近似取樁中心距），y 代表水平向撓曲變形。由該微分方程可知，在基坑周邊土體、超載、支護樁間距等條件確定的情況下，樁體剛度越大，樁的水平位移越小，因此增大支護的剛度可以有效減小水平變形。

支護結(jié)構(gòu)外側(cè)的土體變形更為復(fù)雜。Peck 通過大量的工程數(shù)據(jù)統(tǒng)計，提出了沉降分布曲線[2]；Mana 和Clough 于1981 年提出了穩(wěn)定安全系數(shù)法，依靠某地區(qū)大量的實測數(shù)據(jù)，結(jié)合有限元法，預(yù)估外側(cè)的變形量[3]。根據(jù)國內(nèi)多位學(xué)者的研究，深基坑中，單一的被動懸臂支護體系中，墻后地表變形可近似為三角形，同時支護結(jié)構(gòu)頂點的水平位移較大；采用錨拉+被動支護組合的體系，其變形復(fù)雜，多采用指數(shù)曲線[4]，錨固點距離基坑頂部越近，頂部的位移越小。

基坑周邊由于建筑物和市政管線較密集，對基坑周邊水平和豎向位移敏感，水平和豎向的允許變形量較小。基與控制變形的考慮，設(shè)計方案采取了加大支護體系剛度和增加端部錨索的方法，采用雙排三軸大直徑攪拌樁對上部填土與淤泥土層加固，改良了土體，起到穩(wěn)定周邊地基持力層的作用；另一方面作為止水帷幕有效地控制了地下水，保證了坑底的滲流穩(wěn)定性；雙排攪拌樁+內(nèi)插型鋼的設(shè)計，極大加強了支護結(jié)構(gòu)整體的剛度，和內(nèi)部大直徑樁的組合，對控制變形起到了關(guān)鍵的作用。該處頂部冠梁的錨索設(shè)計，作為一種安全儲備，雖對于整體穩(wěn)定性貢獻甚微，但對位移控制起到了相當(dāng)作用。

基坑監(jiān)測表明，其頂部水平位移均控制在20mm以內(nèi)，達到了本基坑的設(shè)計要求。詳見圖5。

圖5 支護結(jié)構(gòu)頂水平位移累計曲線圖

3 總結(jié)

南方地區(qū)軟土層較厚，工程性質(zhì)較差，深基坑的支護方案選擇尤為重要。在保證安全可靠的前提下，經(jīng)濟效益、施工難度和工期成為方案比對的重點。本方案采用樁錨支護加攪拌樁的方案，經(jīng)濟效益較好，施工質(zhì)量能夠保證，工期與內(nèi)支撐方案相比也較短。隨著城市發(fā)展，建筑工程周邊紅線控制越來越嚴(yán)。佛山地區(qū)對于錨索越界的審查較嚴(yán)，綜合考慮后，本工程使用了可回收錨索，解決了地下空間的侵占問題，施工獲得了成功。深基坑設(shè)計是巖土工程的難點課題，穩(wěn)定性的驗算取得了很大的進步，但是土體的變形方面，由于本構(gòu)模型尚不能完全模擬現(xiàn)實中的實際情況，有限元等計算和實際監(jiān)測的數(shù)值還是有不少偏差，尚需要地方經(jīng)驗和工程實踐去彌補。通過對該基坑支護方案的對比分析和基于位移控制考慮的幾點應(yīng)對措施，希望能對類似地層條件的深基坑支護設(shè)計起到一定的參考作用。