超大深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)分析①

周凱強(qiáng)， 韓 清， 曹廣勇， 張 遲， 翟朝嬌

(1.安徽建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601；2.中鐵四局集團(tuán)第四工程有限公司，安徽 合肥 230012)

0 引 言

在工程建設(shè)的不斷發(fā)展過(guò)程中，人們對(duì)地下空間利用的程度和要求越來(lái)越高，超大深基坑建筑層出不窮[1，2]。深大基坑的開(kāi)挖難免會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成影響，在基坑開(kāi)挖的過(guò)程中需對(duì)基坑進(jìn)行加固支護(hù)[3]。Terzaghi和Peck最先提出了基坑開(kāi)挖過(guò)程中穩(wěn)定程度的預(yù)估方法，通過(guò)土體對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用力分析出了支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性能[4，5]?；咏Y(jié)構(gòu)的圍護(hù)和支撐體系的建造影響到到整個(gè)施工過(guò)程的難易程度和工程成本支出以及整體的支護(hù)效果[6]?；又ёo(hù)設(shè)計(jì)理論是根據(jù)工程實(shí)踐不斷總結(jié)出來(lái)的，并且具有一定的區(qū)域經(jīng)驗(yàn)性，目前并不十分完善[7]。本文就淮安東站站前廣場(chǎng)基坑工程在設(shè)計(jì)與施工中遇到的一些問(wèn)題，對(duì)超大深基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及支撐體系的設(shè)計(jì)和理論計(jì)算進(jìn)行一定的探討和研究，以及應(yīng)用效果分析。

1 工程概況

本工程為淮安東站站前廣場(chǎng)，廣場(chǎng)位于在建連鎮(zhèn)鐵路東側(cè)，場(chǎng)址為原連鎮(zhèn)鐵路淮安東制梁場(chǎng)用地，站前廣場(chǎng)結(jié)構(gòu)凈尺寸長(zhǎng)225m×寬256m，占地面積約5.7萬(wàn)平方米，基坑開(kāi)挖面積約為58936m2，局部開(kāi)挖深度18.9m。地下三層采用框架結(jié)構(gòu)+樁基礎(chǔ)，其中負(fù)一層作為社會(huì)停車場(chǎng)、出租車蓄車場(chǎng)和公交車站，設(shè)計(jì)高度6.0m，負(fù)二層及負(fù)三層均為社會(huì)車場(chǎng)，設(shè)計(jì)高度4.2m，設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防烈度7度。

2 工程地質(zhì)及水文情況

擬建工作井場(chǎng)地位于淮安市，地貌區(qū)屬徐淮黃泛平原區(qū)，地貌單元屬?zèng)_積扇三角洲，地勢(shì)平坦，地面坡度小于8°，地貌類型單一，現(xiàn)為農(nóng)田，區(qū)間穿越京滬高速公路和在建高鐵東站站場(chǎng)，場(chǎng)地標(biāo)高7.70～9.40m?；缀蛡?cè)壁主要土層有①1層雜填土、②1層砂質(zhì)粉土、②2層黏土、③4層粉砂和③4a層粉質(zhì)黏土。其中①1層雜填土和②1層砂質(zhì)粉土振動(dòng)易液化、易坍塌變形。在水動(dòng)力條件作用下，易產(chǎn)生管涌、流砂，嚴(yán)重時(shí)易引起周圍地面沉降影響基坑的開(kāi)挖和地下連續(xù)墻成槽。

本次勘察揭露對(duì)工程有影響的地下水按其埋藏條件可分為潛水和承壓水。潛水主要埋藏于②1層砂質(zhì)粉土中，穩(wěn)定水位埋深1.90～3.40m( 平均值2.23m)，標(biāo)高5.81～6.07m( 平均值5.98m)，歷史最高地下水位埋深0.50m。本次勘探深度范圍內(nèi)揭示對(duì)本工程有影響的承壓水為淮安地區(qū)第I 層承壓水。第I層承壓水主要埋藏于③3層砂質(zhì)粉土、③1和③4層粉砂中，根據(jù)區(qū)域資料其埋深位地面下5.0m左右，水位標(biāo)高為3.0m左右。場(chǎng)地附近共分布有2個(gè)地下水超采區(qū)。就場(chǎng)地?cái)M建場(chǎng)地而言，已產(chǎn)生的地面沉降對(duì)區(qū)域穩(wěn)定性和場(chǎng)地穩(wěn)定性影響甚微。

站前廣場(chǎng)基坑規(guī)模較大，且開(kāi)挖深，支護(hù)結(jié)構(gòu)的失效和土體過(guò)大變形對(duì)基坑周邊環(huán)境或主體結(jié)構(gòu)施工安全的影響很嚴(yán)重，因此，本工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為一級(jí)。

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目包含地鐵工程、站前廣場(chǎng)地下工程、匝道及市政道路工程。站前廣場(chǎng)與匝道落客平臺(tái)存在交叉作業(yè)，工作面重疊。站前廣場(chǎng)作為本工程控制性工程，作業(yè)面集中，施工體量大，且基坑變形控制要求嚴(yán)格，環(huán)境保護(hù)等級(jí)高?；泳辔鱾?cè)京滬高速公路僅85.0m，土體過(guò)大變形對(duì)基坑周邊環(huán)境或主體結(jié)構(gòu)施工安全的影響很嚴(yán)重。由于TRD工法構(gòu)筑的地下連續(xù)墻，在止水、垂直度以及成墻質(zhì)量等方面都表現(xiàn)出優(yōu)越的性能，不僅適用于標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)小于100的土層，特別是在沙礫石層的施工環(huán)境下，其止水性能幾乎達(dá)到了百分之百[8，9]。因此在西側(cè)和南側(cè)采用TRD工法墻+圍護(hù)樁，TRD墻體長(zhǎng)度為425.6m，深度為50m，圍護(hù)樁采用Φ1150鉆孔灌注樁進(jìn)行施工,共計(jì)282根。

基于經(jīng)濟(jì)和周圍環(huán)境等因素下圍護(hù)結(jié)構(gòu)東側(cè)和北側(cè)采用地連墻，每幅墻體長(zhǎng)度約為6m，深度為50m，地連墻具有抗側(cè)剛度大且強(qiáng)度高、防滲性能好以及施工時(shí)對(duì)周圍環(huán)境影響小等特點(diǎn)。在深基礎(chǔ)工程中、尤其在周邊環(huán)境有較高保護(hù)要求的深基坑工程中應(yīng)用所占的比重越來(lái)越大。接頭位置均采用H型鋼接頭+高壓旋噴樁方式進(jìn)行施工，提高接頭處的防滲性能。

采用混凝土環(huán)形支撐+格構(gòu)柱作為基坑支撐體系，共設(shè)置2道混凝土撐，延基坑圍護(hù)呈環(huán)形布置，下部采用格構(gòu)柱作為支撐柱，格構(gòu)柱共484根，第一道砼支撐設(shè)置在原地面以下約1m，截面尺寸為2.6m*1m，第二道砼支撐設(shè)置在原地面以下約8m，截面尺寸為2.9m*1.5m。采用這種方案既能滿足控制性要求，又方便拆除?，F(xiàn)場(chǎng)基坑支護(hù)如圖1所示:

圖1 基坑支護(hù)圖

4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移理論計(jì)算

深大基坑的主要控制性變形有基坑底部的隆起變形、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向水平位移和地表沉降三種，根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出這三種變形是相關(guān)的[10]。支護(hù)結(jié)構(gòu)基坑變形示意圖如圖2所示。

圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)基坑變形示意圖

圖3 最大地表沉降和最大墻體位移與Fs關(guān)系

采用穩(wěn)定安全系數(shù)法計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移，該方法由Mana和Clough提出，它是基于有限元和工程實(shí)踐產(chǎn)生的一種簡(jiǎn)化計(jì)算方法。根據(jù)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移，地表沉降和坑底的隆起變形機(jī)理互相依存，互相影響得出δh max/H與基坑底部隆起的安全系數(shù)Fs的關(guān)系[11]，如圖3所示。

基坑底部隆起計(jì)算公式如下：

1)當(dāng)基坑底部土層較硬時(shí)：

2)當(dāng)基坑底部以下硬土層埋深D>0.7B時(shí)：

式中 :Su為不排水抗剪強(qiáng)度(kN/m2):H為基坑開(kāi)挖深度(m):Nc為穩(wěn)定系數(shù):r為土的容重(kN/m3):B為基礎(chǔ)寬度(m)

求出Fs后，根據(jù)圖3,即可預(yù)算出基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移。

因基坑底部為局部硬塑土，選用公式2計(jì)算。經(jīng)計(jì)算得出δhmax/H=0.15%,取局部開(kāi)挖深度18.9m，最終得出最大水平位移為28.35mm。

5 應(yīng)用效果

施工監(jiān)測(cè)單獨(dú)編制了專項(xiàng)方案，并已經(jīng)通過(guò)專家評(píng)審和監(jiān)理審批。由圖4可知：隨著開(kāi)挖過(guò)程的進(jìn)行，側(cè)向位移不斷增大，在深度8.5m處達(dá)到最大值20.3mm?；拥撞總?cè)向位移變化相對(duì)較小，呈現(xiàn)出兩端小、中間大[12]。這與基坑開(kāi)挖深度、支護(hù)結(jié)構(gòu)體剛度、地質(zhì)狀況、地面超載等因素有關(guān)[13]。樁體CX1-CX5中CX4的側(cè)向位移最大，最大位移值為23.7mm，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi)，沒(méi)有超過(guò)報(bào)警值。且變化速率在合理范圍內(nèi)，與理論計(jì)算結(jié)果相比相差不大。表明基坑施工過(guò)程中支護(hù)體系穩(wěn)定安全，達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖4 深層水平位移變化

6 結(jié) 論

(1)采用穩(wěn)定安全系數(shù)法可以反推現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的工程實(shí)況。

(2)站前廣場(chǎng)深基坑處于富水粉砂層中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)截水效果直接關(guān)系到基坑開(kāi)挖成敗，項(xiàng)目部應(yīng)切實(shí)加強(qiáng)地連墻、TRD、攪拌樁質(zhì)量控制，做好工序卡控，對(duì)于疑似出現(xiàn)問(wèn)題的墻與樁，應(yīng)建立缺陷臺(tái)賬、取芯進(jìn)行核驗(yàn)，必要時(shí)在基坑開(kāi)挖前采用攪拌樁等措施進(jìn)行堵水，確?；娱_(kāi)挖階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)不漏水涌砂。

(3)本工程環(huán)梁支撐體系面積大，施工時(shí)要做好測(cè)量控制，確保環(huán)梁支撐位于同一平面。環(huán)梁支撐澆筑時(shí)坑內(nèi)土體要充分固結(jié)，避免固結(jié)沉降引起環(huán)梁變形。

(4)第一道支撐梁施工時(shí)應(yīng)結(jié)合工程降水綜合考慮，防止基坑內(nèi)因降水沉降影響混凝土梁施工質(zhì)量。

(5)對(duì)土方開(kāi)挖方案進(jìn)一步細(xì)化研究，挖土點(diǎn)的選定、挖土順序要對(duì)稱，使環(huán)框梁受力均勻，建議在基坑四角或四邊適當(dāng)位置增設(shè)豎向提升出土點(diǎn)，增加工作面，加快出土速度。要考慮雨季施工對(duì)土方開(kāi)挖的影響，制定雨季土方開(kāi)挖專項(xiàng)方案。