廣州設(shè)計之都基坑工程設(shè)計實(shí)例分析

楊開彪

（廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

隨著我國城市化水平的不斷提高，在城市建成區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)時所面臨的外部環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜，而城市開發(fā)的高密度化又導(dǎo)致地下空間越來越深，如何在城市復(fù)雜環(huán)境下開展深基坑支護(hù)選型已成為城市建設(shè)的重要課題[1]。

近年來，針對緊鄰現(xiàn)狀建構(gòu)筑物的深基坑支護(hù)選型，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了一系列研究。高武等[2]對緊鄰地鐵盾構(gòu)區(qū)間的深大基坑支護(hù)選型、地鐵保護(hù)措施、開挖方式等作了有益的分析；王翼[3]對臨近現(xiàn)狀廠房的泵站基坑支護(hù)選型及一體化設(shè)計進(jìn)行了介紹；汪浩等[4]介紹了復(fù)雜環(huán)境及風(fēng)化巖條件下臨近地鐵超大深基坑的支護(hù)選型；王海成等[5]分析了復(fù)雜環(huán)境下軟土基坑的支護(hù)選型及設(shè)計要點(diǎn)；付憲章等[6]對緊鄰既有住宅建筑的深基坑支護(hù)選型及應(yīng)對措施進(jìn)行了分析研究；肖淑君等[7]對復(fù)雜條件下超期服役深大基坑設(shè)計選型進(jìn)行了綜合比選分析。

本文基于前人研究的基礎(chǔ)上，以廣州巖溶地區(qū)某復(fù)雜環(huán)境下大尺寸深基坑工程為例，探討了復(fù)雜環(huán)境下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選型原則及設(shè)計要點(diǎn)；采用多種計算軟件進(jìn)行分析，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行印證，以期為類似條件下的其他深基坑工程提供參考。

1 工程概況

本工程為廣州設(shè)計之都基礎(chǔ)設(shè)施綜合開發(fā)項(xiàng)目二期工程，項(xiàng)目位于廣州市空港大道以東，解放莊路以北，黃邊北路以南。項(xiàng)目西北側(cè)為現(xiàn)狀黃邊地鐵站，基坑西側(cè)緊鄰現(xiàn)狀空港大道，埋設(shè)有雨水、污水、電力、通信等市政管線，道路下方為廣州地鐵2 號線區(qū)間隧道，空港大道西側(cè)為廣州設(shè)計之都一期聯(lián)合基坑；基坑?xùn)|側(cè)和南側(cè)緊鄰陂塘排渠；基坑北側(cè)臨近擬建卜蜂蓮花地塊。項(xiàng)目總用地面積為22 457 m2，該工程場地大致呈梯形，項(xiàng)目周邊環(huán)境圖見圖1。

圖1 項(xiàng)目周邊環(huán)境圖（單位：m）

本項(xiàng)目由4 個商業(yè)地塊和中部的地下空間組成。本項(xiàng)目除西南地塊設(shè)3 層地下室外，其余均為2 層地下室，基坑底面標(biāo)高為廣州城建標(biāo)高5.05 m（西南K1地塊局部為0.4 m），基坑開挖深度為9.95 m（西南K1 地塊局部為14.6 m）。

2 工程地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

擬建場地原地貌為珠江三角洲中上游沖洪積平原地貌單元，地面起伏變化不大，場地北側(cè)為菜地、農(nóng)田、荒地，南側(cè)已被人為改造，原建有居民住房、廠房等，現(xiàn)已完成拆遷，存在局部低洼地勢。

2.2 地層分布

該場地地層按地質(zhì)成因及力學(xué)性質(zhì)依次分為：第四系人工填土（Q4ml）、沖洪積層（Q4al+pl）、殘積層（Qel）及下覆基巖二疊系（P）的炭質(zhì)灰?guī)r。各土層特征綜述如下：

（1）人工填土層（Q4ml）：雜填土（層序號1-1）呈灰褐色、灰黃色、雜色，稍濕，松散-稍密，主要以填碎石、碎磚、碎混凝土等建筑垃圾為主，以拆遷建筑垃圾舊基礎(chǔ)為主，局部為填黏性土及砂土，以雜填土為主，硬雜質(zhì)含量大于25%，場地普遍分布的上部拆遷建筑垃圾填筑時間小于1 a，底部填筑時間大于5 a。

（2）沖洪積層（Q4al+pl）：粉質(zhì)黏土（層序號2-1）呈灰黃色、褐黃色、灰色，稍濕，以可塑為主，沖洪積而成，以粉黏粒為主，含少量砂粒。該層在42 個鉆孔有揭露，部分鉆孔中呈多層分布。粉細(xì)砂（層序號2-2）呈灰黃色、灰色，稍濕，以稍密為主，局部松散，沖洪積而成，礦物成分為石英、長石，含少量黏粒。中粗砂（層序號2-3）呈灰黃色、灰褐色，稍濕，以稍密為主，局部松散，沖洪積而成，礦物成分為石英、長石，含少量黏粒。

（3）殘積相地層（Qel）：粉質(zhì)黏土（層序號3-1）呈灰黃色、褐黃色、灰褐色，稍濕，以可塑為主，局部硬塑，由泥巖、砂巖風(fēng)化殘積而成，以粉黏粒為主，含少量砂礫。粉質(zhì)黏土（層序號3-2）呈灰褐色、灰黑色，稍濕，以軟塑為主，由泥巖、砂巖風(fēng)化殘積而成，以粉黏粒為主，含少量原巖碎屑。

（4）基巖（P）：本場地基巖為二疊系（P）炭質(zhì)灰?guī)r，鉆探揭露深度內(nèi)主要為強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化炭質(zhì)灰?guī)r。強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)灰?guī)r（層序號4-1）呈灰黑色、灰色，巖芯呈碎塊狀，少呈半巖半土狀，局部可見中風(fēng)化巖塊，裂隙發(fā)育，原巖結(jié)構(gòu)已完全破壞，礦物成分顯著變化，但尚可辨認(rèn)。該層巖石堅硬程度分類為極軟巖，巖體完整程度分類為破碎，巖體基本質(zhì)量等級分類為Ⅴ類。中風(fēng)化炭質(zhì)灰?guī)r（層序號4-2）呈灰色、灰黑色，巖芯呈短柱狀、扁柱狀、大塊狀，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要由碳酸鹽礦物組成，局部可見方解石脈，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，錘擊聲脆，巖質(zhì)較硬。該層巖石堅硬程度分類為較硬巖，巖體完整程度分類為較破碎-較完整，巖體基本質(zhì)量等級分類為Ⅲ～Ⅳ類。

本場地54 個鉆孔中揭露溶洞的鉆孔有8 個，見洞率為14.81%，為巖溶中等發(fā)育場地。溶洞主要位于灰?guī)r上部，平均厚度為2.63 m，溶洞以全充填及半充填為主，充填物多為黏土、碎塊狀巖塊、角礫等。

擬建場地典型地質(zhì)剖面見圖2。

圖2 場地典型地質(zhì)剖面圖

2.3 水文地質(zhì)條件

本場地位于珠江沖洪積平原上，地勢較平坦，擬建場地內(nèi)無河流、水塘等大型地表水體，東區(qū)東南側(cè)存在1 條寬約6 m 的溝渠，水質(zhì)較差，水深較淺，整體水量不大。勘察施工期間，測得初見水位埋深為1.00～3.80 m，高程在12.29～14.99 m；測得穩(wěn)定水位埋深為1.30～4.30 m，高程在11.79～14.45 m，本場地地下水水位變化幅度約1.00～4.00 m。地下水類型主要以填土層上層滯水、砂層孔隙水、巖層中的裂隙水及巖溶水等為主。

2.4 場地巖土層物理力學(xué)參數(shù)

場地巖土層物理力學(xué)參數(shù)表見表1。

表1 場地巖土層物理力學(xué)參數(shù)表

3 基坑圍護(hù)設(shè)計方案

3.1 基坑支護(hù)的難點(diǎn)

本項(xiàng)目基坑支護(hù)的難點(diǎn)如下：

（1）基坑西側(cè)與現(xiàn)狀地鐵2 號線區(qū)間基本平行（區(qū)間長度約178 m）,支護(hù)結(jié)構(gòu)距離地鐵結(jié)構(gòu)邊線約22.1～28.16 m，地鐵區(qū)間為鋼筋混凝土單箱雙室矩形結(jié)構(gòu)，采用天然基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深與基坑基本齊平，且本工程地處巖溶發(fā)育區(qū)，地鐵區(qū)間對地下水位較敏感，基坑施工過程中不可中斷地鐵運(yùn)營，如何確保基坑施工不會引起水位明顯變化導(dǎo)致地鐵變形是本工程的難點(diǎn)。

（2）基坑西側(cè)緊鄰現(xiàn)狀空港大道（雙向6 車道），道路總寬度約為40 m，交通流量較大，道路下方市政管線密集，管線及路面等對變形較敏感，環(huán)境保護(hù)要求高。

（3）基坑距離道路西側(cè)廣州設(shè)計之都一期基坑約48.7 m，且本基坑西側(cè)全范圍與一期基坑無支撐支護(hù)段平行，如何合理布置基坑開挖次序以減少相互影響是本工程的難點(diǎn)。

（4）基坑?xùn)|側(cè)和南側(cè)距離現(xiàn)狀陂塘排渠約6.2 m，對支護(hù)結(jié)構(gòu)的止水要求較高。

（5）基坑內(nèi)含多個地塊，各地塊開發(fā)時序各不相同，且地下室層數(shù)亦不同，基坑方案的確定需綜合考慮地塊開發(fā)時序、開挖深度不同等因素。

（6）本工程場地地處巖溶發(fā)育地區(qū)，巖土層存在溶洞、土洞等不良現(xiàn)場，支護(hù)施工時易產(chǎn)生漏漿、坍塌等現(xiàn)象，地面存在塌陷風(fēng)險。

（7）基坑北側(cè)為擬建卜蜂蓮花地塊，基坑支護(hù)間凈距為20.6～22 m，該地塊為負(fù)3 層地下室，基底標(biāo)高為3.40 m，采用厚1 m 地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的支護(hù)形式，本基坑預(yù)應(yīng)力錨索不能進(jìn)入該地塊范圍，支護(hù)方案選擇及基坑開挖次序的協(xié)調(diào)是本工程的難點(diǎn)。

3.2 基坑支護(hù)選型

本工程周邊環(huán)境較復(fù)雜，地鐵、市政道路等環(huán)境保護(hù)要求高，且地處巖溶發(fā)育地區(qū)?；趶V州地區(qū)類似項(xiàng)目的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，確定采用地下連續(xù)墻+鋼筋混凝土支撐、地下連續(xù)墻+預(yù)應(yīng)力錨索、格構(gòu)式地下連續(xù)墻等基坑支護(hù)形式，本工程分為A～H 共8 個分區(qū)，基坑平面布置圖見圖3。

圖3 基坑平面布置圖

（1）基坑支護(hù)的選型及布置滿足了地塊獨(dú)立開發(fā)的需求，基坑?xùn)|南側(cè)角部區(qū)域具備設(shè)置支撐條件，故采用厚0.8 m 地下連續(xù)墻+鋼筋混凝土內(nèi)支撐的支護(hù)形式；J2 地塊因地處鈍角區(qū)域，故采用支撐和錨索組合設(shè)置的形式，為提高銜接處的支護(hù)剛度，防止出現(xiàn)結(jié)構(gòu)局部失效，錨索和支撐設(shè)置搭接一定距離，錨索支護(hù)段斷面圖見圖4。

圖4 錨索支護(hù)段斷面圖（單位：mm）

（2）基坑西側(cè)臨近地鐵和現(xiàn)狀市政道路，周邊環(huán)境對變形較敏感，西北和西南角采用厚0.8 m 地下連續(xù)墻+鋼筋混凝土內(nèi)支撐的支護(hù)形式（見圖5），中部地下空間區(qū)域不具備支錨條件，故采用厚0.8 m 格構(gòu)式地下連續(xù)墻支護(hù)形式（見圖6），地下連續(xù)墻各肢長度滿足成槽機(jī)最小長度要求，中隔墻處采用鋼板十字剛性接頭，以提高墻體剛度及抗變形能力。為避免施工排水對地鐵造成不利影響，在地鐵側(cè)每隔10 m布置1 口回灌井，當(dāng)?shù)叵滤幌陆捣却笥? m 時即啟動自動回灌。

圖5 支撐區(qū)域基坑支護(hù)斷面圖（單位：mm）

圖6 格構(gòu)式地下連續(xù)墻斷面圖（單位：mm）

（3）因西側(cè)為廣州設(shè)計之都一期基坑，為避免同時開挖對中部的地鐵及市政道路產(chǎn)生不利影響，本基坑與一期基坑開挖時序統(tǒng)籌考慮，兩側(cè)不同時開挖，本工程開挖時序?yàn)镴2→K1→K2→地下空間→J1。

（4）K1 地塊地鐵保護(hù)范圍外側(cè)為負(fù)3 層地下室結(jié)構(gòu)，基坑深度達(dá)15.2 m。本基坑僅考慮開挖至負(fù)2層，局部地塊緊鄰聯(lián)合基坑側(cè)利用本基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，故該范圍采用厚1 m 地下連續(xù)墻+3 道鋼筋混凝土支撐支護(hù)（見圖7）；因該區(qū)域臨近陂塘排渠，為避免滲漏水風(fēng)險，于地下連續(xù)墻接頭外側(cè)設(shè)置直徑800 mm 雙管旋噴樁止水封閉。

圖7 南側(cè)支撐區(qū)域支護(hù)斷面圖（單位：mm）

（5）為避免基坑施工過程中出現(xiàn)坍塌、涌水等風(fēng)險，地下連續(xù)墻兩側(cè)3 m 范圍內(nèi)的溶洞采用雙液漿+水泥漿的方式預(yù)處理；立柱基樁周邊3 m 范圍、洞高小于3 m 的溶洞采用拋填碎石與黏性土處理，其他采用雙液漿+水泥漿的方式預(yù)處理。

（6）基坑北側(cè)為卜蜂蓮花地塊，故北側(cè)錨索通過采用二次高壓劈裂注漿工藝，以提高預(yù)應(yīng)力錨索的抗拔能力，有效減短錨固長度。

3.3 基坑支護(hù)計算分析

本文采用理正深基坑軟件和Midas 有限元分析軟件對基坑各典型斷面進(jìn)行計算分析，各巖土層物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。本文以西南側(cè)和西側(cè)臨近地鐵側(cè)基坑計算結(jié)果為例進(jìn)行分析。

西南側(cè)基坑單元計算結(jié)果見圖8。由圖8 可見，基坑最大側(cè)向位移為15.19 mm，最大側(cè)向位移點(diǎn)位于第2 道支撐至基坑底面之間。

圖8 西南側(cè)支撐段單元模型計算結(jié)果

西側(cè)格構(gòu)式地下連續(xù)墻單元計算結(jié)果見圖9。由圖9 可見，基坑最大側(cè)向位移為11.2 mm，最大位移位于圍護(hù)墻頂部位置。

圖9 西側(cè)格構(gòu)式支護(hù)段單元模型計算結(jié)果（單位：mm）

采用Midas 有限元分析軟件對基坑進(jìn)行整體分析，位移結(jié)果見圖10。由圖10 可見，西南側(cè)地下連續(xù)墻最大側(cè)向位移為7.71 mm，西側(cè)格構(gòu)式地下連續(xù)墻最大側(cè)向位移為11.32 mm，最大位移位置與單元計算結(jié)果位置基本一致。

圖10 整體模型計算結(jié)果（單位：mm）

4 基坑監(jiān)測結(jié)果

廣州設(shè)計之都二期除J1 外其他地塊地下室已施工并回填完畢。根據(jù)基坑監(jiān)測結(jié)果顯示，西南側(cè)基坑最大側(cè)向位移為18.48 mm（CX7 測斜孔監(jiān)測結(jié)果見圖11），最大位移點(diǎn)位于墻頂下8 m 位置，連續(xù)墻側(cè)向變形曲線與單元計算結(jié)果基本一致；西側(cè)格構(gòu)式連續(xù)墻段最大側(cè)向位移為12.86 mm（CX5 測斜孔監(jiān)測結(jié)果見圖12），最大位移點(diǎn)位于墻頂下3.5 m 位置，墻頂側(cè)向位移為6 mm，因理論模型未考慮墻頂壓頂板的約束作用，故墻頂位移理論計算值大于實(shí)測值；各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)均未超過規(guī)范容許值。

圖11 西南側(cè)CX7 測斜孔側(cè)向位移監(jiān)測值

圖12 西側(cè)CX5 測斜孔側(cè)向位移監(jiān)測值

5 結(jié)語

（1）本文提出的基坑支護(hù)選型方式及剛?cè)嶂ёo(hù)銜接、止水等構(gòu)造措施，可為類似工程提供一定的借鑒。

（2）格構(gòu)式地下連續(xù)墻具有剛度大、抗側(cè)向變形能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可適用于緊鄰建構(gòu)筑物且無條件支錨的情況。

（3）針對現(xiàn)狀建構(gòu)筑物兩側(cè)均開挖的情況，可通過合理安排施工次序，利用時空效應(yīng)分層、分區(qū)、分塊開挖，及時封閉以減小基坑的暴露時間，降低工程風(fēng)險。

（4）巖溶地區(qū)應(yīng)重視對圍護(hù)結(jié)構(gòu)一定范圍內(nèi)溶土洞的處理，基坑臨近現(xiàn)狀建構(gòu)筑物時建議于地面先預(yù)處理溶洞后開挖基坑，可有效降低基坑坍塌及涌水、建構(gòu)筑物沉降等工程風(fēng)險。

（5）需保護(hù)的建構(gòu)筑物對變形敏感時可于基坑側(cè)布置自動回灌井，確保地下水位下降幅度在可控范圍；施工期間加強(qiáng)對基坑、周邊環(huán)境及地下水位（包括巖溶水）的監(jiān)測。