英國標(biāo)準(zhǔn)和香港地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)下的澳門深基坑工程實踐

謝萬東，林佑高，王征亮

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司 巖土與地下工程設(shè)計院，廣州 510290)

1 研究背景

《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)[1]是我國大陸地區(qū)基坑工程支護(hù)設(shè)計和施工的主要依據(jù)，許多省市也在JGJ 120—2012的基礎(chǔ)上制定了適用于當(dāng)?shù)氐幕庸こ痰胤綐?biāo)準(zhǔn)。在基坑支護(hù)方案方面，除尚未推廣的新工藝以外，深基坑的支護(hù)設(shè)計方案逐漸趨同。以樁撐或墻撐支護(hù)結(jié)構(gòu)為例，出現(xiàn)了大量使用混凝土結(jié)構(gòu)支撐、明文或約定俗成地要求第一層支撐采用混凝土結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)互不相干、采用受力復(fù)雜的支撐體系等做法。

隨著“一帶一路”倡議的推進(jìn)，我國的設(shè)計和施工企業(yè)面臨著“走出去”的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。對于基坑工程，海外項目中仍然以英國標(biāo)準(zhǔn)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)和美國標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)；香港地區(qū)的工程設(shè)計和施工標(biāo)準(zhǔn)也基于英國標(biāo)準(zhǔn)；澳門地區(qū)則根據(jù)項目具體情況可能會接受JGJ 120—2012中的部分內(nèi)容，但仍以英國標(biāo)準(zhǔn)和香港地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)為主。

海外國家和地區(qū)很少有專門的基坑工程支護(hù)設(shè)計規(guī)范，設(shè)計和施工的主要依據(jù)分散在相關(guān)的巖土和結(jié)構(gòu)工程標(biāo)準(zhǔn)中[2-6]，也有一些非強(qiáng)制性的指南文件[7-8]。這些標(biāo)準(zhǔn)和指南中的內(nèi)容與我國基坑規(guī)范中的規(guī)定有明顯的差異。在支護(hù)結(jié)構(gòu)選型方面，香港和澳門地區(qū)等仍以H型鋼(港澳地區(qū)稱工字鋼)支撐體系為主，鋼管支撐次之，采用鋼筋混凝土支撐體系的案例很少。對于初次接觸海外基坑工程設(shè)計的人員來說，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和習(xí)慣上的差異容易使人無所適從。本文以采用英國標(biāo)準(zhǔn)和香港地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的澳門媽閣交通樞紐建造工程為例，對海外工程中深基坑支護(hù)體系設(shè)計與我國大陸地區(qū)的異同點進(jìn)行了對比，以期對類似海外項目起到一定的參考作用。

2 工程概況及地質(zhì)條件

2.1 工程概況

澳門媽閣交通樞紐位于澳門半島西南端，設(shè)置有三層地下車庫和兩層地上層。地下車庫基坑開挖面積11 737 m2，南北向最大長度185.6 m，東西向最大寬度74.2 m。地面標(biāo)高3.6 m，基坑開挖標(biāo)高普遍為-20.2 m，開挖深度23.8 m；局部開挖標(biāo)高-26.8 m，最大開挖深度30.4 m?；又苓叚h(huán)境見圖1。

圖1 場地位置和周邊環(huán)境Fig.1 Site location and surroundings

東側(cè)與媽閣公務(wù)員公寓的最小距離為21 m；南側(cè)與西灣湖的最小距離為59 m；西側(cè)與西灣湖景大馬路的最小距離為 8.5 m，與海域的最小距離約為 52 m；北側(cè)緊鄰澳門海關(guān)總部，二者最小距離約7.5 m，與嘉樂一世船塢(水塘)的最小距離約為37 m。

2.2 地質(zhì)條件

場地為填海造地形成的透水砂土地基，鉆孔顯示主要巖土層為：

(1)回填層(Fill)，主要為回填砂土夾砂質(zhì)黏土，厚度8.00～14.95 m，平均12 m，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)(SPTN值)為2～30。

(2)海泥(Marine Clay)，為軟弱至稠密(Soft to firm)的棕色和灰色黏土，厚度1.05～5.50 m，平均2.6 m，局部分布，SPTN值為2～11。

(3)沖積層，屬松散至極密實土層，主要由粉質(zhì)黏土和粉土質(zhì)中細(xì)砂夾石英結(jié)晶組成，厚度1.50～21.05 m，平均12.4 m，SPTN值為4～79。

(4)全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，屬中等密實至極密實土層，厚度1.67～18.46 m，平均10.7 m，SPTN值為18至100以上。

(5)中風(fēng)化和微風(fēng)化花崗巖，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為81.6～198.1 MPa。

場地位于山邊的填海區(qū)，基巖面起伏很大?；觾?nèi)中風(fēng)化巖最淺處標(biāo)高約為-4 m，約有47.5%的區(qū)域需要進(jìn)行石方開挖，石方開挖量約3.5萬m3。

場地地下水位埋深約1.1 m，與海域等大型水體連通，補(bǔ)給非常豐富。

3 基坑支護(hù)方案

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚度為1.2 m的地下連續(xù)墻，混凝土強(qiáng)度等級C45，幅寬2.5～6 m，合計91幅，采用焊接工字鋼接頭。地下連續(xù)墻兼做主體結(jié)構(gòu)外墻，負(fù)責(zé)前期設(shè)計的顧問公司要求在基坑開挖過程中地下連續(xù)墻的水平位移≤25 mm。

在中風(fēng)化巖頂面高于坑底的區(qū)域，按照通常做法，地下連續(xù)墻需穿透巖石并進(jìn)入坑底以下一定深度。參照廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程》(DBJ/T 15-20—2016)[9]中的建議，地下連續(xù)墻需進(jìn)入坑底以下的中風(fēng)化巖石2.5 m，則墻體需穿透的中風(fēng)化花崗巖最大厚度約為20 m，施工難度極大。

香港地區(qū)基坑設(shè)計指南Review of Design Methods for Excavations (GCO Publication No.1/90，1990)[8]指出，由于在未風(fēng)化-中風(fēng)化巖石中成槽的代價非常高昂，因此地下連續(xù)墻可以只施工至巖石面。當(dāng)墻底高于開挖標(biāo)高時，可在開挖過程中進(jìn)行接長。

在本項目中，地下連續(xù)墻施工控制標(biāo)準(zhǔn)為進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖0.3 m。為防止墻底發(fā)生位移，在墻底沿軸線按1.5 m的間距設(shè)置了由4根Φ50 mm鋼筋組成的抗剪銷，長度10 m，嵌入墻體和下部巖石各5 m，并在嵌巖段注漿。施工完成后，總共有27幅墻的底部高于開挖標(biāo)高。在開挖期間需要接長的墻體豎向投影面積約1 487 m2，占坑底以上墻體總面積的12.2%，最大接長高度為17.2 m。

3.2 支撐體系

3.2.1 支撐體系結(jié)構(gòu)選型

基坑深度大，寬度也大，支撐的最大長度達(dá)到74.2 m。按照目前大陸地區(qū)的經(jīng)驗，此類基坑不宜采用鋼支撐，需要采用整體性好、剛度大、安全性高的混凝土支撐體系。但港澳及其他海外地區(qū)采用混凝土結(jié)構(gòu)作為基坑臨時支撐的案例不多，也有人認(rèn)為混凝土支撐體系將產(chǎn)生大量的建筑垃圾，在環(huán)保方面難以接受。

經(jīng)過市場調(diào)研，采用港澳地區(qū)常用的工字鋼(大陸稱H型鋼)作為支撐體系。由于工字鋼支撐采用焊接的方法進(jìn)行接長，與采用螺栓連接的鋼管撐相比，整體性更好，安全性也更高。此外，工字鋼支撐截面一般較大，可承受的軸力遠(yuǎn)大于鋼管撐，抵抗變形的能力也更強(qiáng)。以本項目中用到的工字鋼UC 356×406×393(UC意為Universal Column，數(shù)據(jù)代表寬(mm)×高(mm)×每延米質(zhì)量(kg)，下同)為例，其可承受的最大軸力約5 300 kN；而我國大陸地區(qū)常用的直徑609 mm、壁厚16 mm鋼管撐可承受的最大軸力約2 600 kN。采用工字鋼作為支撐結(jié)構(gòu)時，其水平間距可以達(dá)到9 m以上，可提供足夠的無障礙施工空間，接近混凝土撐，遠(yuǎn)優(yōu)于鋼管撐。

不過，工字鋼支撐體系也有明顯的缺點，自重大，對焊接的施工質(zhì)量要求較高，施加預(yù)加力不如鋼管撐方便。

3.2.2 平面及豎向布置

基坑支撐的平面布置以受力簡單、明確的對撐為主，盡量避免采用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的桁架式支撐、環(huán)形支撐等。本項目在基坑南端和北端角部布置斜撐，間距2～5 m；在中部布置橫向?qū)?，主支撐間距9 m，并在主支撐端頭設(shè)置八字斜撐，將腰梁上的支點間距保持在3 m左右，以減小腰梁內(nèi)力。

平面和豎向布置見圖2。

圖2 支撐體系的平面布置和豎向布置Fig.2 Layout and vertical arrangement of lateral strut system

3.2.3 臨時立柱

國內(nèi)基坑工程臨時支撐體系的中立柱一般采用角鋼格構(gòu)柱，插入下部灌注樁一定深度，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大、整體性好，但是也存在焊接工作量大、質(zhì)量難控制的缺點。港澳地區(qū)常用的臨時支撐體系立柱主要采用工字鋼或鋼管混凝土，其中工字鋼焊接工作量小，也不需要綁扎鋼筋籠，可以采用打入或鉆孔的方式施工，非常方便。

在本項目中，臨時立柱采用UC 305×305×118工字鋼，間距9 m。參照香港屋宇署《基礎(chǔ)作業(yè)守則》(2004)[10]中的推薦方法，根據(jù)地質(zhì)條件采用不同的施工方式：

(1)在巖面高于基坑底或坑底以下土層厚度<6 m的區(qū)域，臨時中立柱采用鉆孔的方式進(jìn)行安裝。鉆孔直徑610 mm，鉆入坑底以下的中風(fēng)化巖2 m，孔內(nèi)插入工字鋼后，灌注不收縮水泥漿即完成施工。

(2)在坑底以下土層厚度>6 m的區(qū)域，臨時立柱采用“打至基巖的工字鋼樁”的施工方式，利用打樁設(shè)備將工字鋼打至“抗沉點”，即每10次擊打，樁柱的沉降≤10 mm，此時可認(rèn)為立柱的承載力已滿足要求。

3.3 地下連續(xù)墻向下接長

在基坑開挖過程中，需要對底部高于坑底的墻段向下逐級接長。施工時，首先鑿除墻底的巖石并對露出的巖石面進(jìn)行臨時防護(hù)，然后將地下連續(xù)墻底部或上一級接長施工預(yù)留的鋼筋向下延長，再支模進(jìn)行混凝土澆筑。澆筑混凝土前，在墻體的橫向和豎向接縫處安裝止水帶。為防止已施工的墻體下沉或脫落，接長工序安排如下：

(1)將地下連續(xù)墻接長分為4層進(jìn)行。

(2)每層分次接長。第一次只鑿除每幅墻體下方半幅寬的巖石，利用另外半幅寬的巖石作為豎向支撐，然后綁扎鋼筋，支模澆筑混凝土。

(3)每層第一次施工的墻體達(dá)到70%以上強(qiáng)度后，鑿除剩余墻體下方的巖石，利用第一次接長的墻體作為支撐，然后綁扎鋼筋并澆筑混凝土。

4 支護(hù)體系的計算

4.1 土體物理力學(xué)參數(shù)的確定和本構(gòu)模型的選擇

在對勘察報告中提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的統(tǒng)計分析后，提出了基坑支護(hù)設(shè)計所需的參數(shù)，其中：

(1)海泥層和沖積層中的黏土采用不排水抗剪強(qiáng)度(Su)。根據(jù)Decoding Eurocode 7[11]中的建議，Su與SPTN值之間的關(guān)系為

Su=4.5N(kPa) 。

(1)

(2)回填層和砂性沖積層采用有效強(qiáng)度指標(biāo)。

(3)土層的剛度參數(shù)E′(Drained Young’s Modulus)按以下與SPTN值的經(jīng)驗關(guān)系式選取。

對回填層(Fill)和海泥層(Marine Clay)有

E′=1N(MPa) 。

(2)

對沖積層有

E′=1.5N(MPa) 。

(3)

土體本構(gòu)模型采用PLAXIS內(nèi)置的土體硬化模型(HS模型)。土體剛度參數(shù)經(jīng)驗關(guān)系取為

(4)

(4)對于土體的排水類型，黏土層采用“不排水B”(Undrained B)，砂土層則采用“排水”(Drained)。

計算模型中采用的土層參數(shù)見表1。

表1 計算模型中的土層參數(shù)Table 1 Soil parameters adopted in the model

4.2 結(jié)構(gòu)模型

地下連續(xù)墻采用板單元進(jìn)行模擬，并在墻板兩側(cè)設(shè)置界面單元；支撐采用“固定端錨桿”進(jìn)行模擬。

4.3 計算模型和結(jié)果

在巖層埋深大的區(qū)域，典型的斷面模型見圖3。施工完成后的變形計算結(jié)果見圖4。

圖3 基坑典型計算模型Fig.3 Typical calculation model of the excavation

圖4 施工完成后地下連續(xù)墻的水平位移Fig.4 Horizontal displacement of diaphragm wall at the completion of works

有限元計算的主要結(jié)論如下：

(1)由于地質(zhì)條件較差、開挖深度大、支撐剛度較低等原因，要將基坑最大水平位移控制在25 mm以內(nèi)是不現(xiàn)實的。在與顧問公司溝通后，將基坑最大水平位移的限值調(diào)整至50 mm。

(2)對于采用多層支撐體系的基坑，在開挖至一定深度后，第一層支撐將出現(xiàn)拉力，與理正深基坑等專用軟件計算結(jié)果的趨勢是相同的。這也是我國大陸地區(qū)認(rèn)為在多層支撐體系中，第一層支撐采用鋼管撐偏危險的原因之一。

(3)支撐預(yù)加力不能顯著減小墻體位移，過度加大預(yù)加力只會增大支撐軸力。

(4)在底板澆筑后的施工過程中，由于樓板剛度很大，地下連續(xù)墻的水平位移基本不會發(fā)生變化，但墻體內(nèi)力和未拆除的支撐軸力會發(fā)生明顯變化，與理正深基坑等軟件計算結(jié)果的趨勢也是一致的。

4.4 基坑抗傾覆穩(wěn)定性驗算

對于多層支撐體系的穩(wěn)定性驗算，JGJ 120—2012只考慮了抗隆起穩(wěn)定性和以最下層支點為軸心的圓弧滑動穩(wěn)定性，這是不合理的。理正深基坑計算軟件按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007—2011)[12]附錄V中的規(guī)定增加了抗傾覆(踢腳)穩(wěn)定性驗算，將最下一個支撐點以下的坑內(nèi)、外水土壓力分別對最下一個支撐點取矩，見式(5)。

(5)

式中：∑MEp為被動區(qū)抗傾覆作用力矩總和；∑MEa為主動區(qū)傾覆作用力矩總和；Kt為帶支撐樁、墻式支護(hù)抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)，取Kt≥1.30。

廣東省規(guī)范DBJ/T 15-20—2016也有類似的規(guī)定，但考慮了支護(hù)結(jié)構(gòu)自身抗彎剛度的有利作用，見式(6)。

M+hp∑Mpj-1.2γ0ha∑Maci≥0 。

(6)

式中：M為最下一個支撐點以下支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度；hp為合力∑Mpj作用點至最下一個支撐點的距離；∑Mpj為基坑內(nèi)側(cè)各土層水平抗力標(biāo)準(zhǔn)值的合力之和；γ0為支護(hù)結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)；∑Maci為基坑外側(cè)最下一個支撐點以下各土層水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值的合力之和；ha為合力∑Maci作用點至最下一個支撐點的距離。

香港GCO Publication No.1/90[8]沿用了美國海軍設(shè)施工程司令部(NAVFAC，1986)[13]中多層支撐體系抗傾覆穩(wěn)定安全性的計算方法，也是對最下一個支撐點取矩，即

(7)

式中：Pa1為最下層支撐點以下主動土壓力的合力(包括水壓力)；l1為Pa1至最下一層支撐點的距離；Pp為基坑內(nèi)側(cè)被動土壓力的合力(包括水壓力)；l2為Pp至最下一層支撐點的距離；Fs為抗傾覆安全系數(shù)，≥1.5；Ms為最下一層支撐點以下支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度。

本項目基坑的穩(wěn)定性驗算采用的是NAVFAC提出的計算方法，抗傾覆安全系數(shù)≥1.5。

5 施工中遇到的主要問題及解決方法

2016年2月，基坑開挖至約一半深度處(12 m)時，首先在北側(cè)靠近海關(guān)辦公樓的位置發(fā)現(xiàn)地下連續(xù)墻水平位移超過50 mm，隨后在基坑西側(cè)也出現(xiàn)了墻體水平位移超標(biāo)的情況。在進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查和分析后，確定了如下可能引起基坑變形偏大的原因：

(1)部分區(qū)域地下連續(xù)墻保護(hù)層厚度不夠，可能導(dǎo)致墻體剛度降低；墻體中可能存在的微裂縫也會導(dǎo)致其剛度降低。

(2)安裝支撐前超出設(shè)計要求的土方超挖。

(3)支撐預(yù)加力不足。

(4)在設(shè)計階段，下部沖積層的剛度參數(shù)取值偏大，反演分析認(rèn)為取E′=1N(MPa)更符合實際。

為評估基坑在后續(xù)開挖過程中的安全性，首先在PLAXIS軟件中對各種影響因素進(jìn)行調(diào)整，使在當(dāng)前工況下的地下連續(xù)墻水平位移計算值與實測值基本相當(dāng)，并以此為基礎(chǔ)評估基坑在后續(xù)開挖過程中地下連續(xù)墻的變形、內(nèi)力、支撐軸力等。典型的反演結(jié)果見圖5?；娱_挖至-20.2 m后，地下連續(xù)墻的最大位移可能達(dá)到80 mm左右，但墻體內(nèi)力、支撐軸力等仍然滿足要求，基坑是安全的，可以繼續(xù)向下開挖。

圖5 地下連續(xù)墻位移擬合、預(yù)測結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比Fig.5 Comparison between the simulated/predicated and measured displacement of diaphragm wall

預(yù)測的后續(xù)施工過程中地下連續(xù)墻最大水平位移為81.6 mm，實測最大值約為82.4 mm，預(yù)測值與實測值基本相當(dāng)。

6 結(jié) 論

以澳門媽閣交通樞紐建造工程為例，介紹了在海外工程中深大基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的選型和計算分析方法，以及根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行土體參數(shù)反演分析和后續(xù)變形預(yù)測的方法。主要結(jié)論如下：

(1)海外深基坑工程的設(shè)計規(guī)范、方法和習(xí)慣與我國大陸地區(qū)有明顯的差異。

(2)在特定情況下，地下連續(xù)墻發(fā)生較大變形后，仍然可以作為主體結(jié)構(gòu)的外墻。

(3)在巖石地區(qū)，地下連續(xù)墻可以采用在開挖過程中分段向下接長的方式施工。

(4)工字鋼(H型鋼)支撐體系在深大基坑工程中是適用的。

(5)通過經(jīng)驗積累和詳細(xì)、謹(jǐn)慎的分析，可以采用數(shù)值計算方法直接進(jìn)行基坑支護(hù)設(shè)計，也可以利用數(shù)值分析方法在施工過程中進(jìn)行反演分析和預(yù)測，保障工程安全。