武漢長(zhǎng)江一級(jí)階地基坑的設(shè)計(jì)分析與實(shí)踐

王瑞芳，李 闖

(武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院土木系，湖北 武漢 430065)

0 引言

近20多年來(lái)，隨著土木工程的大量發(fā)展，高層建筑及市政交通項(xiàng)目大量涌現(xiàn)，地下空間進(jìn)一步開發(fā)利用?；娱_挖深度也隨之增加，周圍環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，如緊鄰高架、地鐵、地下管線等；有的基坑地質(zhì)水文條件差，如軟土深厚、地下水位高等。為了使基坑既安全又經(jīng)濟(jì)合理，多種支護(hù)方案的比較與選用在基坑設(shè)計(jì)和施工中運(yùn)用越來(lái)越廣泛。

楊光華[1]針對(duì)基坑工程施工和結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，提出了一套系統(tǒng)的計(jì)算方法，包括考慮施工過(guò)程的增量計(jì)算法、合理確定支護(hù)結(jié)構(gòu)入土深度的計(jì)算法，較好地解決了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中的一系列設(shè)計(jì)計(jì)算難題。關(guān)于基坑變形的研究很多，很多學(xué)者和工程人員從基坑變形機(jī)理、減小變形的措施做了相關(guān)研究[2-6]，王瑞芳[7]以武漢某軌道交通隧道臨近基坑開挖為背景，用MIDAS GTS NX進(jìn)行數(shù)值分析，得出在基坑開挖期間的左右區(qū)間隧道的橫向、豎向位移均在城市軌道交通的安全控制范圍內(nèi)，不影響地鐵正常運(yùn)行的結(jié)論。蕭以蘇[8]以南京某在建的地鐵車站深基坑為背景，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同時(shí)結(jié)合有限元模型，模擬基坑開挖全過(guò)程，所得結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，說(shuō)明鉆孔灌注樁聯(lián)合內(nèi)支撐及立柱的支護(hù)形式在地鐵深基坑的設(shè)計(jì)和施工中安全、可行；趙兵兵[9]以河匯項(xiàng)目，結(jié)合地質(zhì)條件，采用地下連續(xù)墻/鉆孔灌注樁結(jié)合2—3道內(nèi)支撐支護(hù)，方案證明具有良好的可行性；楊燁勛[10]等基于FRWS對(duì)各工況下的樁基承載力進(jìn)行分析，分析深基坑樁基承載特性的影響因素，得出樁直徑對(duì)樁身水平位移和開挖面以下樁身彎矩有較大影響。

以上研究從不同角度來(lái)分析減小基坑的變形措施，本文以靠近漢江的高地下水位基坑支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析、探討減小基坑變形的措施，為類似基坑的設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 工程概況

1.1 基坑概況

金地悅江時(shí)代K1項(xiàng)目二期位于武漢市硚口區(qū)古田二路與古田路交匯處西南側(cè)，項(xiàng)目包括3棟高層辦公樓及一期地下室二標(biāo)段。場(chǎng)地地貌單元屬長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)階地，基坑平面接近為矩形，面積大，分為Ⅰ期和Ⅱ期，Ⅰ期已經(jīng)施工完成。

該基坑周圍環(huán)境為：地下室北側(cè)邊線距紅線約5.8～50.0m，地下室東側(cè)邊線距紅線約6.5m，紅線外為古田二路及江漢六橋(為高架橋)；地下室西側(cè)邊線距紅線約5.6m，紅線外為未移交的市政路；地下室南側(cè)邊線距紅線約6.0～48.0m，場(chǎng)地西側(cè)、北側(cè)道路有管線分布。

1.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

本場(chǎng)地在勘探深度97.3m范圍內(nèi)所分布的地層除表層分布有(1a)層雜填土、(1)層素填土外，其下為第四系全新統(tǒng)沖積成因的粘性土及砂土，下伏基巖為志留系泥巖，基坑土層分布較均勻，主要土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 主要土層物理力學(xué)指標(biāo)

本場(chǎng)地地下水主要包括賦存于(1a)雜填土、(1)素填土層中的上層滯水及下部互層土及砂土層中的承壓水。上層滯水水位、水量隨季節(jié)變化，主要受大氣降水、生活排放水滲透補(bǔ)給，勘察期間測(cè)得部分鉆孔穩(wěn)定水位埋深0.9～3.2m。

根據(jù)抽水試驗(yàn)測(cè)得本場(chǎng)地承壓水位埋深為9.8m，承壓水水頭高度年變幅為3.0～4.0m。因被(2)、(3)層阻隔與上層滯水無(wú)水力聯(lián)系。抽水試驗(yàn)測(cè)得場(chǎng)內(nèi)承壓含水層的滲透系數(shù)為17.0m/d，影響半徑為260m。

2 基坑特點(diǎn)及支護(hù)方案選擇

2.1 基坑特點(diǎn)

根據(jù)基坑本身和周圍環(huán)境情況，基坑特點(diǎn)為：①本基坑普設(shè)兩層地下室，基坑開挖深度10.25m，坑中坑深度約2.45～5.15m，屬深基坑，基坑安全等級(jí)為一級(jí)；②地質(zhì)條件差，基坑開挖深度范圍內(nèi)分布有深厚軟弱土層，地下水文地質(zhì)條件復(fù)雜；③該基坑為長(zhǎng)江一級(jí)階地，地下水位高，在降水設(shè)計(jì)中需考慮合理降水井和回灌井，基坑側(cè)壁需設(shè)置截水帷幕，從截水效果和經(jīng)濟(jì)性考慮，帷幕長(zhǎng)度應(yīng)合理設(shè)置；④周邊環(huán)境條件復(fù)雜，尤其是東側(cè)有江漢六橋高架，對(duì)變形要求嚴(yán)格，需合理設(shè)計(jì)及加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

2.2 基坑支護(hù)形式

由于周圍環(huán)境復(fù)雜，基坑緊靠漢江，地下水位高；結(jié)合不同支護(hù)方案的特點(diǎn)，該基坑采用支護(hù)樁+內(nèi)支撐和雙排樁方案，即：基坑角部采用放坡+單排樁(鉆孔灌注樁，局部加樁垛)+一道鋼砼角撐；基坑?xùn)|側(cè)采用放坡+雙排樁，樁為鉆孔灌注樁?？紤]到挖土、出土的方便性，II期機(jī)械車庫(kù)出土部位設(shè)在基坑?xùn)|側(cè)，出土寬度為8m，坡度為1∶7.5。滿載渣土車活荷載大，設(shè)置直徑609mm×16mm的鋼管鋼斜撐，支承在樁基礎(chǔ)的承臺(tái)上。由于樁間土及棧橋土坡基坑底為軟土，采用水泥攪拌樁進(jìn)行樁間土和基坑底被動(dòng)區(qū)加固。

2.3 Ⅰ、Ⅱ期分區(qū)基坑設(shè)計(jì)

基坑平面接近為矩形，面積大，分為Ⅰ期和Ⅱ期，Ⅰ期已經(jīng)施工完成。Ⅰ、Ⅱ期分區(qū)設(shè)在基坑內(nèi)部，場(chǎng)地較寬，考慮到經(jīng)濟(jì)性，采用分階放坡+工字鋼支護(hù)與重力式擋墻支護(hù)，工字鋼起加強(qiáng)分階放坡穩(wěn)定性的作用。

2.4 降水設(shè)計(jì)

基坑地下水與漢江水位相通，地下水位高。截水帷幕若設(shè)在基坑底下的基巖，截水效果好，但坑底到下面基巖頂有15～20m深，造價(jià)高。綜合考慮，采用懸掛式節(jié)水帷幕，帷幕底部進(jìn)入粉細(xì)砂(5-1層)。

采用疏干降水方式，降低后的水位位于基坑底1m以下。此外，為減少由于抽水引起的基坑及周圍環(huán)境的變形，采用管井降水的同時(shí)，在基坑外側(cè)設(shè)置一定數(shù)量的回灌井(兼觀測(cè)井)、基坑四周設(shè)置三軸水泥土攪拌樁懸掛式止水帷幕；采用80T/h的管井降水，基坑內(nèi)設(shè)置47口深井、22口中深井，及7口觀測(cè)井兼作備用降水井、10口回灌井。

深井主要布置在基坑周邊，深度為33m；中深井主要布置在塔樓處，每棟塔樓地下室各布置2個(gè)中深井，深度為25m，為真空井，主要抽取互層土中的地下水?？紤]到基坑的重要性，Ⅱ期基坑回灌井布置在基坑?xùn)|側(cè)外一定距離，兼起觀測(cè)井作用，回灌井與降水井水平距離不得小于6m。在降水期間，若基坑變形超過(guò)預(yù)警值，就開啟一定數(shù)量的回灌井將水注入坑內(nèi)，來(lái)控制基坑變形。

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

基坑?xùn)|側(cè)為江漢六橋，為變形重點(diǎn)控制部位。在基坑?xùn)|側(cè)EF、GH段，支護(hù)樁采用樁徑為1000mm、間距1400mm的支護(hù)樁+角撐，F(xiàn)G段(土坡棧橋處)前后排采用樁徑為1000mm、間距1400mm的雙排樁。采用天漢軟件(2016版)計(jì)算支護(hù)樁、內(nèi)支撐及雙排樁的內(nèi)力及變形，如圖1所示，圖1(a)、(b)縱坐標(biāo)為深度，單位m。

根據(jù)武漢市基坑審查要求，東側(cè)高架橋支護(hù)樁最大水平位移應(yīng)控制在20mm以內(nèi)。圖1(a)—(b)中，EF、GH段粧側(cè)位移最大值為18.3mm和16.7mm，基坑的最大位移處于基坑中部偏下部，均未超出高架橋的最大變形要求。計(jì)算支護(hù)樁變形如圖1(c)所示。其中FG段前排樁、后排樁側(cè)移均為25mm。

為減小FG段側(cè)移，在后排樁設(shè)置直徑609mm×16mm的鋼管鋼斜撐，支承在樁基礎(chǔ)的承臺(tái)上。

4 基坑監(jiān)測(cè)

結(jié)合基坑的安全等級(jí)和周圍環(huán)境布置監(jiān)測(cè)元件，分別對(duì)冠梁、周圍道路和管線及周邊橋梁布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。Ⅱ期基坑從2020年12月21日開始監(jiān)測(cè)，到2021年9月29日為止。分別取基坑北側(cè)、南側(cè)及東側(cè)取代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中包括5個(gè)冠梁累計(jì)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)(GL25，GL28—GL30，GL39)、5個(gè)周圍管線沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)(GX9—GX14)、5個(gè)周圍道路沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)(D24，D29—D31，D33)以及基坑?xùn)|側(cè)支護(hù)樁深層側(cè)向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX19。此外，針對(duì)江漢六橋，每個(gè)橫斷面對(duì)稱布置了兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，靠近基坑一側(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形大于另一側(cè)，因而選擇靠近基坑一側(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)G5，G7，G11—G19進(jìn)行分析。

支護(hù)樁頂冠梁變形情況如圖3所示。由圖3可知，支護(hù)樁頂冠梁的水平位移和豎向沉降在2020年12月21日—2021年5月30日期間變形速度較快，在2021年5月30日—2021年9月29日期間冠梁變形趨于平穩(wěn)，變形呈現(xiàn)出“先快后慢”的規(guī)律。

圖3 支護(hù)樁頂冠梁變形

進(jìn)一步分析圖3(a)—(b)曲線可知，GL39位于基坑南側(cè)，其水平和豎向位移和其它監(jiān)測(cè)點(diǎn)比較變化均較劇烈；GL28位于基坑?xùn)|北側(cè)，其水平和豎向位移均較小；冠梁GL30位于靠近江漢六橋的東側(cè)，變形最大，其中水平向側(cè)移最大值為15.7mm，豎向沉降最大值為6.8mm，說(shuō)明在基坑?xùn)|側(cè)FG段土棧橋的后排樁設(shè)置直徑609mm×16mm的鋼管鋼斜撐能有效減小基坑變形，基坑?xùn)|側(cè)角部與中部變形均未超出武漢基坑圖審的控制值。

高架橋累計(jì)沉降曲線和周圍管線沉降曲線如圖4—5所示。從圖4—5可以看出，高架橋和周圍管線的變形速度呈現(xiàn)先快后慢的規(guī)律。圖4中監(jiān)測(cè)點(diǎn)G11沉降相對(duì)較小，累計(jì)沉降為0.58mm；監(jiān)測(cè)點(diǎn)G13沉降相對(duì)較大，累計(jì)沉降為0.63mm，符合市政高架橋的變形允許要求。圖5中管線GX9位于基坑的北側(cè)，變形相對(duì)較小，累計(jì)變形為1.53mm。管線GX10位于基坑的東北側(cè)，變形相對(duì)較大，累計(jì)變形為2.38mm，均未超出GB 50497—2009《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》和《城市軌道交通結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》一書的要求。

圖4 高架橋累計(jì)沉降

圖5 周圍管線沉降

CX19位于基坑?xùn)|側(cè)，從圖6可以看出在基坑的施工早期(監(jiān)測(cè)時(shí)間為2020年12月21日和2021年1月21日)，基坑開挖深度不大，作用在支護(hù)樁體上的土壓力較小、樁體側(cè)移不大，最大值為2.63mm；隨著時(shí)間的增長(zhǎng)、開挖深度的增加，作用在支護(hù)樁體上的土壓力增大，部分基坑底部位于淤泥質(zhì)黏土層，坑底有隆起的現(xiàn)象，樁體側(cè)移逐漸增加，CX19的最大水平側(cè)移位于支護(hù)樁頂以下1.0m處，最大水平側(cè)移為9.26mm；隨著樁體深度的增加，水平側(cè)移逐漸下降，最大值未超過(guò)基坑規(guī)范的容許值。

圖6 CX19深層土體水平位移

圖7中曲線呈現(xiàn)出周圍道路沉降呈現(xiàn)先快后慢的規(guī)律。其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)D24位于基坑北側(cè)，其它監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于基坑?xùn)|側(cè)。路面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形在前期變性較大，后期(2021年5月31日以后)路面變形逐漸減緩。其中D24變形最大，最大值為3.12mm，未超過(guò)基坑規(guī)范的允許值。

圖7 周圍道路累計(jì)沉降

5 結(jié)論

以長(zhǎng)江一級(jí)階地基坑的地質(zhì)條件及周圍環(huán)境進(jìn)行分析，選擇合理的支護(hù)形式及降水方案，采用天漢軟件進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形計(jì)算，并與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，主要結(jié)論如下：

(1)基坑?xùn)|側(cè)江漢六橋是基坑變形控制嚴(yán)格的部分，在基坑設(shè)計(jì)中，應(yīng)采取安全合理的支護(hù)方案控制基坑變形。

(2)該基坑地下水位較高，需綜合考慮降水方案合理性及經(jīng)濟(jì)性。

(3)對(duì)于變形要求嚴(yán)格的重要管線和高架橋，需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，基坑及周圍環(huán)境變形滿足基坑規(guī)范要求。