長江三級階地超深基坑工程的應(yīng)用與分析

權(quán) 威,趙小龍,朱浦棟

(1.中南勘察基礎(chǔ)工程有限公司，湖北 武漢 430081； 2.湖北楚程巖土工程有限公司，湖北 武漢 430000)

武漢地區(qū)地處長江與漢江交匯處，市區(qū)及郊區(qū)橫跨長江中游主要地貌單元，包括長江一級階地、二級階地及三級階地[1]。長江二、三級階地為老黏性土(Q3，Q2的超固結(jié)土、粉質(zhì)黏土)，具有強(qiáng)度高、壓縮性低、承載力高的特點(diǎn)[2-4]。在武昌漢陽的平原湖區(qū)與殘丘之間，老黏土以剝蝕堆積垅崗的地貌形態(tài)分布，地形波狀起伏，垅崗與坳溝相間，相當(dāng)于長江三級階地[5]。老黏土在浸水條件下均具有膨脹力，失水條件下均產(chǎn)生收縮變形的特性，因此在基坑開挖后，土體中應(yīng)力釋放，裂隙張開，各種水源會(huì)迅速浸入裂隙中，從表層淺部的土塊漸進(jìn)式破壞，沿裂隙面崩落、滑塌開始的。裂隙發(fā)育后，土體中應(yīng)力又通過裂隙向深層作用，促使裂隙向深層發(fā)展，最終引起邊坡事故。漢陽地區(qū)大部分區(qū)域地層組合為上部老黏性土，下部為泥質(zhì)巖[6]，但部分地段具有完整的二元結(jié)構(gòu)地層組合，上部為老黏性土并存在局部碎石夾層，下部為細(xì)、中砂，底部為卵漂礫層或碎石層，其中上部屬于弱不透水層，下部含承壓水層，且承壓水水頭較高。老黏性土層間碎石土所含層間水及下部承壓水對基坑開挖存在較大不利影響[7-11]。本文以位于長江三級階地的武漢建工科技中心基坑工程為研究對象，結(jié)合計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測成果，對三級階地老黏性土基坑進(jìn)行了分析研究。

1 工程概況

武漢建工科技中心位于武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)創(chuàng)業(yè)路與沌陽大街交匯處西北角。基坑開挖平面大致呈矩形狀多邊形；東西向長約95 m，南北向長約100 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)總長度約400 m,開挖面積約10 000 m2；擬建物±0.000 m=36.20 m；地下為3層滿鋪地下室，地下室及主樓基礎(chǔ)形式均為筏板基礎(chǔ)。基坑周邊環(huán)境如圖1所示。

2 地質(zhì)水文

2.1 地質(zhì)條件

擬建場地地貌單元屬剝蝕堆積壟崗(相當(dāng)于長江沖洪積三級階地)，場地地勢較平坦，地面標(biāo)高在34.91 m～37.27 m之間變化。

表1 基坑土體物理參數(shù)

2.2 地下水影響

1)淺層水影響。

本場地上層滯水賦存于①層素填土層中，勘察期間發(fā)現(xiàn)水量較豐富。在基坑開挖時(shí)淺部土層中的地下水會(huì)以匯水點(diǎn)的形式滲入基坑。同時(shí)基坑開挖過程中③-2層黏土夾碎石層含有弱淺層水，需要通過明排進(jìn)行及時(shí)疏干。地下水流動(dòng)可能對坑側(cè)土體進(jìn)行潛蝕破壞，引起局部土體坍塌，最終威脅基坑邊坡及周邊建構(gòu)筑物安全。

2)承壓水影響。

據(jù)勘察期間實(shí)測的孔隙承壓水水頭標(biāo)高在16.4 m，低于基礎(chǔ)底板標(biāo)高，故基坑施工時(shí)底部不會(huì)發(fā)生突涌破壞。

3 基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)

本基坑重要性等級一級，設(shè)計(jì)使用期限1 a。因基坑勘測過程中地下水水量較小，本基坑不考慮止水帷幕施工?；?xùn)|西兩側(cè)存在地面高差，其中東面地面絕對標(biāo)高為35.00 m，基坑西側(cè)地面標(biāo)高為37.00 m，東西兩側(cè)相對高差為2.00 m。本基坑±0.00 m=36.20 m，坑底標(biāo)高為20.80 m(地下室區(qū))～19.80 m(主樓筏板底)17.900 m(主樓區(qū)電梯井)，基坑深度為14.20 m～17.20 m。

依據(jù)湖北省地方標(biāo)準(zhǔn)，變形控制指標(biāo)Δ≤30 mm，被動(dòng)區(qū)抗力系數(shù)ktk≥1.5，上部自穩(wěn)邊坡整體穩(wěn)定性安全系數(shù)khd≥1.35。采用鉆孔灌注樁+樁頂放坡卸載+1道混凝土內(nèi)支撐的方案。采用φ1 000 mm@1 300 mm～1 500 mm灌注樁，樁頂卸載高度為4 m～6 m。樁頂統(tǒng)一高程31.00 m，樁頂卸載主要為避免圓環(huán)內(nèi)支撐整體受力不均。典型基坑剖面圖如圖3,圖4所示?；又ёo(hù)基本參數(shù)見表2。

表2 基坑支護(hù)基本參數(shù)

內(nèi)支撐布置選擇能充分發(fā)揮混凝土抗壓性能，受力合理，經(jīng)濟(jì)性較好，無支撐面積最大，出土空間大和出土速度快的圓環(huán)支撐形式，對于內(nèi)力傳遞復(fù)雜，容易應(yīng)力集中的圓環(huán)邊中部區(qū)域增設(shè)連系梁和現(xiàn)澆鋼筋混凝土板，加強(qiáng)該區(qū)域支撐剛度，控制基坑變形。布設(shè)平面如圖5,圖6所示。

支撐截面參數(shù)如表3所示。

表3 支撐截面尺寸一覽表 mm

4 基坑監(jiān)測

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在基坑開挖過程中，由于地面高差、土方非對稱開挖、圍護(hù)墻體側(cè)向壓力差的變化等原因，基坑將發(fā)生豎向及水平位移，同時(shí)影響周邊地下土體及周邊管線、建筑物，因本項(xiàng)目不存在管井降水，因此本項(xiàng)目在基坑施工期間，主要進(jìn)行坑外土體深層側(cè)向變形(測斜)、樁頂水平位移、地表沉降、管線等監(jiān)測。監(jiān)測點(diǎn)布置如圖7所示。

4.1 基坑高差引起的支護(hù)樁變形分析

本項(xiàng)目西側(cè)與東側(cè)高差2.0 m，且基坑西側(cè)為項(xiàng)目部主要辦公區(qū)及加工區(qū)，當(dāng)基坑開挖到底時(shí)，基坑西側(cè)普遍位移均較東側(cè)及南側(cè)大，平均高出10 mm，監(jiān)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果趨勢基本一致，如圖8所示。實(shí)際監(jiān)測結(jié)果均較計(jì)算結(jié)果大，基本分析為平面二維計(jì)算無法考慮時(shí)空效應(yīng)；實(shí)際施工工況與設(shè)計(jì)工況有較大出入，土方開挖未分層、對稱開挖；黏土夾碎石土層中含有弱淺層水的流失與沖刷，對基坑側(cè)壁土體強(qiáng)度有較強(qiáng)軟化作用。支撐環(huán)向變形基本趨勢可分析為越靠近圓環(huán)薄弱處，支護(hù)樁變形越大，越靠近平面陰角部位，支護(hù)樁變形越小，環(huán)向受力情況下基坑變形由樁撐模式逐步向懸臂樁模式過渡。

4.2 非對稱開挖下內(nèi)支撐薄弱部位水平位移時(shí)程分析

通過分析內(nèi)支撐東側(cè)GS7、西側(cè)GS17、南側(cè)GS12、北側(cè)GS2水平位移時(shí)程曲線可知：最終水平位移變形基本在25 mm附近，呈對稱分布，監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。但因分區(qū)分段土方開挖速度不同，造成不同點(diǎn)位樁頂水平位移起始點(diǎn)不同，但最終基本趨于一致。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目根據(jù)實(shí)際工程案例，在長江三級階地側(cè)壁含碎石土層及下覆土層含承壓水情況下，分析超深基坑開挖效果，基本結(jié)論如下：

1)老黏土具有強(qiáng)度高、壓縮性低的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)變形指標(biāo)與實(shí)測指標(biāo)基本一致。但是基坑工程在開挖卸荷、浸泡、干裂的外界環(huán)境下，土體強(qiáng)度將急劇降低，因此對于三級階地老黏土的基坑施工，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行坡面噴護(hù)，隔絕吸水膨脹，失水干縮的特性。

2)本項(xiàng)目位于沌陽老黏性土分布區(qū)域，綜合地質(zhì)成因等因素，下臥碎石混黏土層含深層承壓水，水頭較高，基坑施工過程中容易因地勘孔封堵不達(dá)標(biāo)或抗浮錨桿施工，將深層承壓水引出，從而造成事故。

3)本項(xiàng)目西高東低的地勢起伏對環(huán)形受力有較大影響，但通過卸載減荷方式規(guī)避基坑受力不均衡，避免環(huán)形內(nèi)支撐整體漂移，保證基坑安全。

4)大型深基坑支護(hù)工程，合理的支撐系統(tǒng)平面布置，不僅有利于后期的施工效率，在滿足安全的前提下，最大化達(dá)到建設(shè)方對于工期的訴求，而且能達(dá)到最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益。