紹興市瑞豐銀行大樓基坑圍護(hù)方案優(yōu)化

陳永杰

(紹興市越城區(qū)建筑工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，浙江 紹興 312000)

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)和城市地下空間的進(jìn)一步開發(fā)，基坑工程也隨之得到快速的發(fā)展.基坑工程雖然大多數(shù)情況下是作為臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用的，但對(duì)前期安全施工以及后續(xù)建筑施工都有重要的影響.在基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)中既要考慮工程的安全性又要從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā).而且基坑工程場(chǎng)地往往周圍環(huán)境較為復(fù)雜，既要涉及城市管線，又要考慮周圍房屋住宅.所以在基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)過程中，我們要嚴(yán)格遵守地區(qū)規(guī)范要求并參考區(qū)域內(nèi)的設(shè)計(jì)方案.專家明確指出基坑的區(qū)域性特點(diǎn)很強(qiáng)，區(qū)域經(jīng)驗(yàn)和場(chǎng)地個(gè)別工況對(duì)支護(hù)方式的選擇起到重要影響.針對(duì)同一工程往往當(dāng)?shù)蒯槍?duì)性的設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)有效的方案[1].

本文以紹興市一建筑項(xiàng)目基坑工程的設(shè)計(jì)方案為核心，并參與勘察中土層參數(shù)獲取和后期基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合土層設(shè)計(jì)參數(shù)和基坑圍護(hù)監(jiān)測(cè)結(jié)果來更加準(zhǔn)確地評(píng)估圍護(hù)方案.

1 工程概況

擬建工程位于浙江省紹興市鏡湖新區(qū)金融聚集區(qū)，解放大道東側(cè)，洋江西路南側(cè)，如圖1所示.總用地面積為12 362.06 m2，總建筑面積77 982.73 m2，地下室建筑面積為16 398.11 m2.

新建的紹興市瑞豐銀行工程場(chǎng)地的北側(cè)是洋江西路，場(chǎng)地基坑的開挖面邊線距離用地紅線約為20.0 m； 其余三側(cè)現(xiàn)為菜地，這三側(cè)的基坑開挖邊線距離城市規(guī)劃的用地紅線約8.0 m；基坑周圍環(huán)境如圖1所示.經(jīng)調(diào)查基坑北側(cè)離紅線3.0 m、5.0 m、6.0 m分別有一根雨水管、天然氣管及污水管.本場(chǎng)地地面較為平坦，并且后期還進(jìn)行了場(chǎng)地的進(jìn)一步平整.場(chǎng)地基坑開挖影響深度內(nèi)的地層劃分如下：

圖1 基坑周圍環(huán)境

場(chǎng)地的1號(hào)層為素填土，在整個(gè)施工場(chǎng)地中均有分布，填土以灰黃色為主并且整體結(jié)構(gòu)松散.碎塊石的直徑范圍大致在5 cm～20 cm之間.素填土的下部主要是混黏性土，并且素填土中夾帶有部分的建筑垃圾.整個(gè)素填土土層的土質(zhì)較為不均勻.

土層2號(hào)層的粉質(zhì)黏土在整個(gè)施工場(chǎng)地中均有分布，該層土為灰黃色，本地場(chǎng)中的粉質(zhì)黏土可塑性較好，并有局部軟塑的特征.這部分的粉質(zhì)黏土在場(chǎng)地內(nèi)呈厚層狀分布.土層的干強(qiáng)度和韌性均表現(xiàn)為中等.土質(zhì)中含鐵錳質(zhì)氧化斑點(diǎn)，土體沒有搖震反應(yīng).該土質(zhì)具有中等偏高的壓縮特性.

3號(hào)粉質(zhì)黏土夾粉土在整個(gè)施工場(chǎng)地中均有分布，場(chǎng)地內(nèi)的該層土層部分發(fā)生了相變，轉(zhuǎn)變成了黏質(zhì)粉土.在場(chǎng)地內(nèi)土層的頂部區(qū)域內(nèi)有含腐殖質(zhì)團(tuán)塊和有機(jī)質(zhì).

4號(hào)淤泥質(zhì)黏土在整個(gè)施工場(chǎng)地中均有分布，灰色的土層還表現(xiàn)出流塑性，并且該土層的干強(qiáng)度和韌性都特別高，并且該土層沒有搖震反應(yīng)出現(xiàn).土體中部分分布有腐殖質(zhì)和貝殼碎屑.5號(hào)黏質(zhì)粉土在整個(gè)施工場(chǎng)地中均有分布，土層為灰綠和青灰色，該土層干強(qiáng)度和韌性均比較低，且該土層對(duì)搖震較為敏感.該土層的壓縮性表現(xiàn)為中等偏低.6號(hào)粉質(zhì)黏土只在場(chǎng)地的南部有分布.土層為灰黃色和灰褐色，并且土層中夾有粉土薄層，土層中還含有鐵錳質(zhì)氧化斑.該土層干強(qiáng)度和韌性均表現(xiàn)為中等.7號(hào)粉質(zhì)黏土在整個(gè)施工場(chǎng)地均有分布，土層為灰色，土層為厚層狀，在場(chǎng)地中均勻分布，并且該土層在場(chǎng)地內(nèi)局部相變?yōu)轲ね粒渫翆拥母蓮?qiáng)度和韌性均表現(xiàn)為中等，該土層對(duì)搖震的反應(yīng)較為緩慢.

地下水類型屬潛水，場(chǎng)地地基土中2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)層均為含水層.場(chǎng)地區(qū)域內(nèi)的地下水主要由大氣降水、地表徑流補(bǔ)給，由河流、自然蒸發(fā)和側(cè)向徑流排泄.基坑支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)說明，根據(jù)勘察單位提供的該場(chǎng)地的報(bào)告，選取各土層的固結(jié)快剪指標(biāo)作為基坑支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)，按照朗肯土壓力計(jì)算理論作為土側(cè)向壓力設(shè)計(jì)的計(jì)算依據(jù).基坑的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，場(chǎng)地3號(hào)粉質(zhì)黏土夾粉土，該土層物理力學(xué)性質(zhì)較差，具有中等偏高壓縮性，在整個(gè)工程場(chǎng)地均有分布.場(chǎng)地范圍內(nèi)還分布有較厚且具流塑狀態(tài)的4號(hào)層淤泥質(zhì)黏土，該層土土性較差，開挖過程易對(duì)該土體產(chǎn)生擾動(dòng)，易產(chǎn)生變形.因此，圍護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)考慮周圍管線條件和土質(zhì)分布及特點(diǎn)，采取合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，以提高基坑整體安全儲(chǔ)備值.

表1 基坑設(shè)計(jì)參數(shù)

2 基坑支護(hù)方案比選與優(yōu)化

擬建項(xiàng)目上部建筑大樓分南、北兩座塔樓，北塔樓21F，南塔樓15F，整個(gè)場(chǎng)地下還設(shè)置二層地下室.本工程設(shè)計(jì)±0.00相當(dāng)于黃海高程6.99 m，現(xiàn)自然地面按5.39 m考慮，即現(xiàn)狀地面相對(duì)標(biāo)高為-1.60 m，地下一層結(jié)構(gòu)板面相對(duì)標(biāo)高是-6.70 m，地下二層基礎(chǔ)板面相對(duì)標(biāo)高分別為-10.90 m、-12.65 m，板厚800 mm、900 mm，墊層為150 mm厚C15墊層、300 mm厚塊石墊層，南、北塔樓為筏板基礎(chǔ)，北側(cè)塔樓筏板厚2.5 m、南側(cè)筏板厚2.0 m，基坑開挖深度是依據(jù)板墊層底計(jì)算的，本工程的設(shè)計(jì)計(jì)算開挖深度分別為10.55 m、12.40 m，坑內(nèi)二次開挖深度最高達(dá)6.15 m.

根據(jù)基坑周圍環(huán)境和開挖要求，考慮如下方案：

1)樁加內(nèi)支撐；

2)排樁加錨桿；

3)復(fù)合土釘墻.

對(duì)上述可能的方案進(jìn)行可行性優(yōu)化分析如下：

1)排樁加內(nèi)支撐圍護(hù)方案的結(jié)構(gòu)受力合理，變形會(huì)比較小，安全度高，但造價(jià)相對(duì)其他方案可能會(huì)較高.主要適合在開挖深度較大，安全等級(jí)為一級(jí)，控制變形較嚴(yán)格，坑底土性差的情況.本基坑最大開挖深度12.40 m，屬于超挖深基坑，坑底為淤泥質(zhì)土層，且北側(cè)有洋江西路及管線須保護(hù)，故該基坑采用樁加內(nèi)支撐形式圍護(hù)是一種較安全、經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)方式.

2)排樁加錨桿圍護(hù)方案的受力特點(diǎn)類似單排樁加內(nèi)支撐圍護(hù)，且屬于開放式圍護(hù)，工程造價(jià)相對(duì)排樁加內(nèi)支撐的圍護(hù)方式較經(jīng)濟(jì)，但由于該形式對(duì)軟土層錨拉體系并不可靠，無法有效控制周邊土體的變形，且該體系在紹興地區(qū)應(yīng)用挖深超過10.0 m的基坑還無成功經(jīng)驗(yàn)，故本工程不適合采用此形式進(jìn)行支護(hù).

3)復(fù)合土釘墻圍護(hù)方案是充分利用土體的自穩(wěn)能力，通過水泥攪拌樁加固土體及土釘加筋從而增加土體的自穩(wěn)能力，具有工程造價(jià)低，變形較大，安全度相對(duì)較低等特點(diǎn)，適應(yīng)于基坑開挖深度較淺且安全等級(jí)為二三級(jí)基坑.顯然這種支護(hù)形式不可能在本工程被采用.整體穩(wěn)定性，抗傾覆驗(yàn)算和抗隆起驗(yàn)算均不符合規(guī)范.

4)地下連續(xù)墻圍護(hù)方案是占地少，可以充分利用建筑紅線以內(nèi)有限的施工空間，并且適于在城市施工.地下連續(xù)墻的防滲性能較好，很適合于逆做法施工.可承受較大的土壓力.但是工程影響范圍較大，并對(duì)場(chǎng)地周圍環(huán)境有較高的要求，相比于以上圍護(hù)方案，其工程造價(jià)屬于較高類型.

基坑整體圍護(hù)邊長按照750 m進(jìn)行計(jì)算(包含坑中坑)，對(duì)各個(gè)圍護(hù)方式的造價(jià)和圍護(hù)穩(wěn)定性進(jìn)行估算.其中基坑穩(wěn)定性利用理正深基坑軟件進(jìn)行核算，將按照市場(chǎng)行情對(duì)各個(gè)圍護(hù)方案進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，如表2所示.

根據(jù)以上的分析與比較，再結(jié)合本工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工程地質(zhì)條件、環(huán)境條件和規(guī)范參考[2-4]，本工程的圍護(hù)形式應(yīng)采用樁加內(nèi)支撐.

表2 圍護(hù)方案對(duì)比分析表

結(jié)合本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，本基坑圍護(hù)工程主體采用直徑1 100 mm的鉆孔灌注樁排樁，結(jié)合外側(cè)直徑650 mm三軸水泥土攪拌樁止水帷幕的圍護(hù)方式.考慮到4號(hào)層淤泥質(zhì)黏土在場(chǎng)地內(nèi)分布較廣并且厚度較大，坑內(nèi)利用多排三軸水泥攪拌樁進(jìn)行加固.基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)典型剖面如圖2所示.

圖2 基坑剖面圖

基坑支撐平面布置圖如圖3所示，基坑主要采用鉆孔灌注樁加兩道砼支撐的支護(hù)形式.為了增強(qiáng)穩(wěn)定性新增立柱樁75個(gè)，其中包括12個(gè)利用工程樁.

圖3 基坑支撐平面布置圖

針對(duì)坑內(nèi)高差達(dá)到6.15 m以上并離坑邊距離較近的位置，擬采用排樁加砼內(nèi)支撐支護(hù)，其中坑內(nèi)高差較小位置可采用放坡開挖.坑中坑的圍護(hù)平面圖如圖4所示.其中坑中坑可以增強(qiáng)基坑支護(hù)整體穩(wěn)定性并增加基坑的安全儲(chǔ)備.

圖4 坑中坑部分平面布置圖

針對(duì)坑內(nèi)高差在6.15 m以上的排樁加砼內(nèi)支撐剖面進(jìn)行核算，剖面的整體穩(wěn)定性計(jì)算方法為瑞典條分法，應(yīng)力狀態(tài)采用的是有效應(yīng)力法.獲取的剖面的整體穩(wěn)定安全系數(shù)為Ks=2.004.

Mp為在計(jì)算公式中代表被動(dòng)土壓力及支點(diǎn)力對(duì)樁底的抗傾覆彎矩，Ma為主動(dòng)土壓力對(duì)樁底的傾覆彎矩.求取的最小安全系數(shù)Ks為1.542，滿足規(guī)范要求的不小于1.25.

依據(jù)每層土層的抗隆起驗(yàn)算：

式中Nq和Nc為地基極限承載力的計(jì)算系數(shù)，q0為地面載荷；c和φ代表土層的剪切參數(shù)，γm2和γml分別代表對(duì)應(yīng)土層的天然重度值，h和ld為計(jì)算獲取的土層厚度及等效軸長參數(shù).

Ks=2.493>1.800，抗隆起穩(wěn)定性滿足.Ks值坑中坑圍護(hù)的自身穩(wěn)定性，其中本計(jì)算中使用的淤泥質(zhì)黏土的土層抗剪強(qiáng)度值經(jīng)過兩次修正，在參與對(duì)比不同取土設(shè)備和室內(nèi)試驗(yàn)的方法和參考周圍區(qū)域的勘察報(bào)告后確定了該土層的抗剪強(qiáng)度值.

對(duì)土釘墻剖面的穩(wěn)定性計(jì)算依據(jù)相關(guān)的規(guī)程方法[3]，獲取整體滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)為1.300，抗隆起驗(yàn)算獲取的Ks=1.777>1.6，抗隆起穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求.

3 基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)相關(guān)的監(jiān)測(cè)要求[5]，本基坑的結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為“一級(jí)”，基坑監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括周圍環(huán)境建筑物的沉降監(jiān)測(cè)，支撐軸力監(jiān)測(cè)以及立柱樁樁頂?shù)谋O(jiān)測(cè).依據(jù)規(guī)范要求對(duì)于圍護(hù)體各剖面處累計(jì)的坡頂水平(垂直)位移應(yīng)不大于30 mm，每天的單日位移量應(yīng)當(dāng)小于5 mm，并且基坑連續(xù)三天的位移速率應(yīng)當(dāng)不大于3 mm/d.對(duì)于第一道砼支撐梁軸力達(dá)7 500 kN發(fā)出報(bào)警訊息，第二道砼支撐梁軸力達(dá)18 000 kN進(jìn)行報(bào)警.

根據(jù)基坑設(shè)計(jì)方案要求對(duì)基坑土體的水平位移和內(nèi)支撐梁的軸力值進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì).

根據(jù)設(shè)計(jì)要求基坑的水平位移監(jiān)測(cè)孔測(cè)量深度為25.0 m，對(duì)基坑各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行匯總分析，對(duì)基坑周圍土體水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，基坑土體水平深層位移變化值如圖5所示.

圖5 基坑監(jiān)測(cè)水平位移監(jiān)測(cè)曲線圖

根據(jù)瑞豐銀行1號(hào)測(cè)斜孔不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的水平位移隨深度變化的統(tǒng)計(jì)繪制了A-N的12條曲線，A-N分別記錄時(shí)間為2017年5月至2017年8月，記錄了基坑開挖到監(jiān)測(cè)穩(wěn)定停測(cè)期間的水平位移值的變化.水平位移的累計(jì)值隨時(shí)間變化逐漸累加，并在底板澆筑后進(jìn)入穩(wěn)定.

根據(jù)支撐軸力變化數(shù)據(jù)繪制刻畫了軸力—時(shí)間變化曲線，如圖6所示.支撐軸力值隨基坑開挖產(chǎn)生不同幅度的變化，并保持在預(yù)警值范圍內(nèi)，說明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性應(yīng)對(duì)周圍土體產(chǎn)生的土壓力，并有一定的安全儲(chǔ)備值.

本基坑監(jiān)測(cè)值均在規(guī)范警報(bào)范圍以內(nèi)，基坑順利開挖并安全施工，證明了基坑整體設(shè)計(jì)的安全性.

圖6 基坑監(jiān)測(cè)軸力值-日期變化曲線圖

4 結(jié)論

對(duì)本項(xiàng)目基坑支護(hù)方案的設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，針對(duì)紹興地區(qū)軟土區(qū)域基坑支護(hù)提出以下建議：(1)在利用軟件設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)土工參數(shù)進(jìn)行校核確認(rèn)，由于實(shí)驗(yàn)方法和試驗(yàn)人員的不同，針對(duì)同一工程獲取的土層參數(shù)往往有較大的差異，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)依據(jù)規(guī)范要求并與現(xiàn)場(chǎng)勘察試驗(yàn)人員溝通后確定設(shè)計(jì)參數(shù).(2)對(duì)于基坑內(nèi)的坑中坑應(yīng)當(dāng)充分考慮其對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響，在基坑設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意到坑中坑對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)中的彎矩影響，重視坑中坑的支護(hù).(3)在場(chǎng)地空間受限，開挖深度又較大，支撐體系需同時(shí)承受水平力，采用剛度較大的現(xiàn)澆鋼砼圍護(hù)體系是較為合理的選擇，并在類似的場(chǎng)地條件下具有廣泛的應(yīng)用前景.但是在對(duì)立柱樁的坑內(nèi)抗隆起監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)了立柱樁在基坑開挖過程中會(huì)產(chǎn)生沉降，立柱樁所受到豎向荷載作用力大小與時(shí)間的變化曲線的問題仍需要進(jìn)一步探究和解釋.