城區(qū)復雜地質(zhì)條件下深基坑支護方案研究

閆尚德，張鑫

（中國水利水電第三工程局有限公司，西安 710000）

1 引言

城市地下空間開發(fā)和大量高層建筑建設(shè)促使深基坑工程的規(guī)模和深度不斷加大，在城市建筑物密集區(qū)的深基坑工程也越來越多。深基坑周圍既有建筑物密集，管線道路錯綜復雜，施工場地狹窄是處在城市建筑密集區(qū)深基坑工程的顯著特點。如何優(yōu)化選擇一種既能保證深基坑開挖施工過程中的安全穩(wěn)定性，又能取得較好經(jīng)濟效益的深基坑支護結(jié)構(gòu)方案，一直以來都是基坑工程研究的首要問題。同時，在城市中的深基坑工程開挖要求嚴格控制開挖對周圍環(huán)境的影響，因此，綜合考慮安全、經(jīng)濟和環(huán)境評價等各方面因素探索深基坑支護優(yōu)化設(shè)計方法，解決深基坑開挖引起的城市環(huán)境地質(zhì)問題無疑具有重要的理論意義和工程實踐價值。

2 工程背景

牛欄江滇池補水出口（瀑布公園）—七水廠—松華壩連通應急供水工程是構(gòu)建昆明主城區(qū)城市供水及生態(tài)環(huán)境用水的供水保障網(wǎng)水源連通工程。工程位于昆明市盤龍區(qū)龍泉街道，引水流量7.3 m3/s，為Ⅲ等中型工程。工程由取水口、輸水管道、提水泵站、提水管道和高位水池等主要建筑物組成。工程從瀑布公園上池取水，通過輸水管道自流至提水泵站進水池，經(jīng)泵站提水后通過提水管道引水至高位水池，為昆明市七水廠、一水廠及五水廠供水。

結(jié)合昆明市盤龍區(qū)總體規(guī)劃要求，工程提水泵站采用全地下式泵站。提水泵站基礎(chǔ)主要置于圓礫層中，該層厚度較深，局部夾雜有粉質(zhì)黏土，力學強度指標小，承載力不能滿足需求。同時，由于泵站長期處于振動狀態(tài)，可能會導致局部底層液化從而影響泵站穩(wěn)定性。提水泵站開挖基坑坑壁主要由雜填土層、黏土層、有機質(zhì)土層及圓礫層組成。泵站開挖基坑坑壁均位于地下水位以下，基坑存在滲（涌）積等不利工程問題?；娱_挖過程中，坑壁地基土層在開挖擾動及滲（涌）積水浸泡下，基坑坑壁土層易于軟化、泥化，易產(chǎn)生片幫垮塌，基坑坑壁穩(wěn)定性差[1]。

3 基坑支護方案選擇

牛欄江滇池補水出口（瀑布公園）—七水廠—松華壩連通應急供水工程泵站型式為全地下式，泵站基坑開挖深度較深（14.5 m），按JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》[2]，提水泵站基坑支護結(jié)構(gòu)的安全等級為二級。

泵站基坑支護結(jié)構(gòu)選型時，應綜合考慮下列因素：（1）基坑深度；（2）土的性狀及地下水條件；（3）基坑周邊環(huán)境對基坑變形的承受能力及支護結(jié)構(gòu)一旦失效可能產(chǎn)生的后果；（4）主體地下結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)形式、基坑平面尺寸及形狀；（5）支護結(jié)構(gòu)施工工藝的可行性；（6）施工場地條件及施工季節(jié)；（7）經(jīng)濟指標、環(huán)保性能和施工工期。

針對基坑開挖深度大于12 m 的深基坑，基坑支護的方式通常有：（1）灌注樁加支撐；（2）SMW 工法(即水泥土攪拌樁、墻）；（3）地下連續(xù)墻；（4）逆作法、半逆作法[3]。

地下連續(xù)墻施工主要優(yōu)點是振動小、噪聲低，墻體剛度大，防滲性能好，對周圍地基無擾動，可以組成具有很大承載力的任意多邊形連續(xù)墻代替樁基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)或沉箱基礎(chǔ)。同時，地下連續(xù)墻對土層的適應范圍很廣，在軟弱的沖積層、中硬地層、密實的砂礫層以及巖石的地基中都可施工。綜合考慮本工程泵站基坑深度、地質(zhì)條件及地下水條件、基坑周邊建筑物分布、基坑平面尺寸及形狀（矩形，55 m×27.5 m×14.5 m）、施工工期緊等因素，選用地下連續(xù)墻作為本工程提水泵站基坑的支護結(jié)構(gòu)。

根據(jù)統(tǒng)計的國內(nèi)外基坑深度與地下連續(xù)墻厚度的關(guān)系如圖1 所示。

由圖1 可以看出：地下連續(xù)墻厚度取值一般取0.5 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.5 m。調(diào)研樣本中使用地下連續(xù)墻圍護的基坑共38 個。其中，厚度為0.8 m 的地下連續(xù)墻應用最多，為22個。厚度為0.5 m 的和1.5 m 的地下連續(xù)墻應用最少，均為2 個。厚度1.0 m 的和1.2 m 的地下連續(xù)墻應用較少，均為6 個。采用地下連續(xù)墻作為圍護結(jié)構(gòu)的基坑，深度分布范圍為12.8～49.8 m。當基坑深度為12.8～30 m 時，地下連續(xù)墻的厚度普遍0.8 m，少量采用了0.5 m 和1 m 的厚度；當基坑深度大于30 m時，地下連續(xù)墻厚度均在1.0 m 以上，當基坑深度超過40 m時，地下連續(xù)墻體厚度可達1.5 m。綜上所述，類比類似工程，本工程提水泵站基坑地下連續(xù)墻厚度選擇0.8 m。

圖1 基坑深度與地下連續(xù)墻厚度關(guān)系

4 基坑支護方案設(shè)計

4.1 支護結(jié)構(gòu)設(shè)計

泵站地下連續(xù)墻沿泵站墻體外圍布置，地下連續(xù)墻厚0.8 m，其中主泵房部分69.5 m 范圍內(nèi)地下連續(xù)墻嵌固深度18 m，電氣副廠房部分21.59 m 范圍內(nèi)地下連續(xù)墻嵌固深度12 m。地下連續(xù)墻共分40 幅，采用C35 混凝土（抗?jié)B等級W8），地下連續(xù)墻開挖之前設(shè)導墻，導墻采用C25 混凝土，連續(xù)墻頂部設(shè)2.3 m×1.5 m 的C35 鋼筋混凝土冠梁。冠梁頂部高程為EL.1 910.30 m，底部高程為EL.1 908.00 m，冠梁底部與地下連續(xù)墻頂部齊平。

地下連續(xù)墻共設(shè)置3 道水平支撐，布置高程自上而下為1 908.90 m、1 904.00 m 及1 900.00 m，其中第一道支撐采用1 800 mm×1 000 mm（主泵房部分）及1 500 mm×800 mm（電氣副廠房部分）的C35 鋼筋混凝土支撐，第一道鋼筋混凝土支撐與泵站主體結(jié)構(gòu)的撐梁采用“永臨結(jié)合”的方式布置。第二道支撐采用直徑609 mm，壁厚16 mm 的鋼支撐，其中主泵房部分布置13 根直撐，6 根斜撐，電氣副廠房部分布置2 根直撐，4 根斜撐，鋼支撐與地下連續(xù)墻之間采用雙拼Ⅰ45c 的鋼圍檁連接。第三道支撐采用直徑609 mm，壁厚16 mm 的鋼支撐，全部布置于主泵房范圍內(nèi)，共布置13 根直撐，7 根斜撐。在第一道鋼筋混凝土支撐豎撐與橫撐的交點處設(shè)置格構(gòu)柱，格構(gòu)柱采用4L160 mm×16 mm 角鋼焊接，尺寸為460 mm×460 mm，共布置21 根。為滿足泵站主體結(jié)構(gòu)沉降要求，泵站基礎(chǔ)設(shè)置φ800 mm 的混凝土灌注樁，共布置73 根。

4.2 支護結(jié)構(gòu)計算

4.2.1 計算說明

基坑穩(wěn)定數(shù)值模擬計算過程為邊挖邊撐，挖至基坑底部時澆筑主體混凝土，拆撐之前在主體結(jié)構(gòu)上面換撐之后再拆撐，計算開挖及主體結(jié)構(gòu)澆筑過程中連續(xù)墻及支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

4.2.2 計算原則

1） 圍護結(jié)構(gòu)的安全等級為二級，基坑側(cè)壁重要性系數(shù)γ0=1.10；變形控制標準如下：地面最大沉降量≤0.2%H（H 為基坑深度）；支護結(jié)構(gòu)最大水平位移≤0.3%H[4，5]。

2）圍護結(jié)構(gòu)應滿足基坑穩(wěn)定要求，不產(chǎn)生傾覆、滑移和局部失穩(wěn)，基坑底部不產(chǎn)生管涌、隆起，支撐體系不失穩(wěn)。圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)件不發(fā)生強度破壞。圍護體系應保證周邊建（構(gòu)）筑物、城市道路、地下各類管網(wǎng)不致位移、應力過大而損壞，必須保證其安全。

3）基坑開挖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工全過程必須保證基坑安全和正常使用。

4.2.3 計算參數(shù)

1）土層參數(shù)：泵站基礎(chǔ)范圍內(nèi)土層計算參數(shù)如表1 所示。

表1 土層計算參數(shù)

2）基坑周邊荷載：地面超載取：20 kPa。

3） 基坑圍護結(jié)構(gòu)主要材料：混凝土及導墻：C25；冠梁：C35；地下連續(xù)墻及內(nèi)襯結(jié)構(gòu)：C35（抗?jié)B等級W8）；鋼筋：受力鋼筋及分布鋼筋均采用HRB400， 箍筋及拉筋均采用HPB300。

4.2.4 1-1 剖面（電氣副廠房部分）計算結(jié)果

1）1-1 剖面（電氣副廠房部分）計算工況見表2。

表2 1- 1 剖面（電氣副廠房部分）計算工況

2）整體穩(wěn)定計算：整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.975＞1.30,滿足規(guī)范要求。

3）抗隆起驗算：Ks=2.906≥1.900，坑底抗隆起穩(wěn)定性滿足。

4）流土穩(wěn)定驗算：安全系數(shù)K=3.418≥1.50，滿足規(guī)范要求。

5）嵌固深度構(gòu)造驗算：根據(jù)公式:嵌固構(gòu)造深度= 嵌固構(gòu)造深度系數(shù)×基坑深度=0.3×11=2.7 m；嵌固深度采用值12 m≥3.300 m，滿足構(gòu)造要求。

6）地表沉降：地表最大沉降量20 mm＜0.2%H=22 mm，滿足變形控制標準要求。

7）結(jié)論：電氣副廠房部分基坑開挖及主體結(jié)構(gòu)澆筑過程中地下連續(xù)墻及支撐結(jié)構(gòu)均滿足規(guī)范要求。

4.2.5 2-2 剖面（電氣副廠房部分）計算結(jié)果

（1）2-2 剖面（主泵房部分）計算工況見表3。

表3 2- 2 剖面（主泵房部分）計算工況

2）整體穩(wěn)定計算：整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.975＞1.30，滿足規(guī)范要求。

3）抗隆起驗算：支護底部抗隆起安全值：Ks=8.593≥1.600，抗隆起穩(wěn)定性滿足；坑底抗隆起安全值：Ks=2.817≥1.900，坑底抗隆起穩(wěn)定性滿足。

4）流土穩(wěn)定驗算：K=3.381≥1.50，滿足規(guī)范要求。

5）嵌固深度構(gòu)造驗算。根據(jù)公式：嵌固構(gòu)造深度= 嵌固構(gòu)造深度系數(shù)×基坑深度=0.2×14.5=2.9 m，嵌固深度采用18 m≥2.9 m，滿足構(gòu)造要求。

6）地表沉降：地表最大沉降量26 mm＜0.2%H=31.4 mm，滿足變形控制標準要求。

7）結(jié)論：主泵房部分基坑開挖及主體結(jié)構(gòu)澆筑過程中地下連續(xù)墻及支撐結(jié)構(gòu)均滿足規(guī)范要求。

5 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

本工程泵站基坑施工過程中，共布置如下監(jiān)測點：（1）地表沉降監(jiān)測點17 個；（2）冠梁豎向位移監(jiān)測點19 個；（3）冠梁水平位移點16 個；（4） 地下水位孔2 個。本工程泵站基坑施工從2019 年12 月初開始，至2020 年5 月中旬結(jié)束，現(xiàn)把2020 年03 月31 日至2020 年05 月3 日時段內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，監(jiān)測成果表如表4 所示，測點數(shù)據(jù)曲線圖如圖2~ 圖5 所示[6]。

圖2 地表沉降曲線圖

圖5 地下水位曲線圖

表4 監(jiān)測成果表

該時段內(nèi)共進行了31 次監(jiān)測，其中地表沉降累計變化量值9.7 mm，冠梁豎向位移累計變化量值-4.1 mm，冠梁水平位移累計變化量值-4.9 mm，地下水位累計變化量值4.6 mm，各測項監(jiān)測數(shù)據(jù)變化量和累積量較小，均遠小于累計控制指標±30 mm 的預警值，監(jiān)測數(shù)據(jù)無異常。

圖3 冠梁豎向位移曲線圖

圖4 冠梁水平位移曲線圖

6 結(jié)語

本文結(jié)合牛欄江滇池補水出口（瀑布公園）—七水廠—松華壩連通應急工程提水泵站基坑工程，詳細研究了以下幾個方面的內(nèi)容：（1）綜合對比各種基坑支護方案的優(yōu)缺點及收集國內(nèi)外基坑工程的相關(guān)資料，結(jié)合本基坑工程位置及地質(zhì)條件，合理選擇了適用于本工程深基坑的支護方案；（2）對深基坑支護方案進行了詳細的設(shè)計，通過數(shù)值模擬手段論證了支護方案的合理性及安全性；（3）實時收集現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，進一步論證了基坑支護方案的可靠性。上述研究成果可為為類似基坑工程設(shè)計提供參考。