軟土地區超大型深基坑的圍護設計

鞏俊松

(中國二十冶集團有限公司，上海201900)

地下停車場、地鐵車站、地下設備基礎等地下建(構)筑物的建設使得基坑工程的規模和技術難度不斷增大。基坑工程多為臨時性結構，業主方往往采取費用包干的方式將基坑圍護一次性承包給施工單位。因此施工單位的基坑設計人員在確定基坑圍護方案時，除要考慮基坑的安全性外，應盡可能地降低基坑工程造價。本文根據南京軟土地區的某一超大型深基坑圍護實例，介紹了松軟地質條件下基坑方案的選擇和計算，為軟土地質條件下的基坑圍護提供了較好的借鑒參考。

1 工程概況

南京某鋼鐵廠1780熱軋項目基坑，建在軟土地基上的超大基坑，施工難度大，技術含量高，是整個熱軋項目施工中的難點和重點。整個基坑呈手槍狀，其中槍柄處為加熱爐區，槍管處為主軋線區，具體的平面布置見圖1。

該工程設備基礎為大型箱型基礎，整個基礎基坑長580 m，其中加熱爐基礎底標高為－10.2 m—－12.6 m，基坑最寬處為180 m;主軋線基坑最寬約116 m，主要基坑標高為－9.6 m，軋機中心線為沖渣溝，最深處為－15.0 m;主電室地下室位于大型箱型基礎中，開挖標高為－6.8 m。其中在2－G列/2－24—2－29線處有110 kV變電站(三層框架結構，基礎采用PHC樁)按業主要求先行施工，必須對該建筑物進行保護，為基坑工程的圍護設計和施工帶來了較大的難度。

擬建場地的地貌為南京地區高漫灘沖擊平原，地處長江右岸I級階地。場地原為村莊、農田，分布有河塘與溝壑，工程地質條件較差，各土層物理力學性質詳見表1。粉砂層(土層代號③3)為潛水含水層，儲存水量較豐富，滲透性能較好，室內滲透系數試驗水平向為4.0E－4，垂直向為3.6E－4。③5層為巨厚粘性土層，屬相對隔水層。

2 圍護方案的選擇

根據本工程的特點，該工程總工期僅19.5個月，與類似工程施工工期相比較，工期要求比較短;場地內含水量較為豐富，需采取隔水措施;周邊除局部外，對基坑的變形要求不高。結合以往的施工經驗及現有的機械設備，決定基坑的主體部分采用水泥土重力式擋墻。對變形敏感的110 kV變電站附近基坑，則采用雙排樁支護，具體的布置如下:

加熱爐基底標高－12.60 m部位采用兩級放坡至標高－8.60 m，－8.60 m以下采用水泥土重力式擋墻支護，寬5.2 m，嵌固深度10.20 m，基坑剖面如圖2。

主軋線基坑采用放坡開挖，第一級1:1放坡至－2.60 m，留4 m寬井點平臺并打設一級輕型井點，－2.60 m—6.60 m 采用1:1 放坡，－6.60 m留設10.0 m寬平臺，－6.60 m至開挖標高采用4.2 m寬水泥土重力式擋墻支護，基坑剖面如圖3。

表1 場地土層力學參數Tab.1 The mechanical parameters of soil

110 kV變電站部位基坑采用Φ800 mm雙排灌注樁進行支護，灌注樁頂標高－3.30 m(相當于110 kV變電站的基礎底標高)，樁長18.75 m。前排樁間距1.5 m，后排樁間距3.2 m，前后排樁頂采用混凝土桁架協同工作。中間土體部分采用32.5級復合硅酸鹽水泥加固，兼做止水帷幕。

由于深基坑坐落在厚度較大的流塑狀淤泥質粉質粘土層內，為了滿足基坑支護結構的整體穩定和坑底抗隆起穩定要求，減少圍護結構的側向變形，同時也為了防止基坑開挖過程中引起坑內工程樁的位移，對本工程的基坑支護擋墻附近一定范圍內的土體采用水泥土加固，加固厚度為4 m，固結材料采用32.5級復合硅酸鹽水泥，水泥摻量12%。加熱爐區域采用滿堂抽條加固，抽條加固寬度5.2 m，間距10.0—20 m。主軋線亦采用滿堂抽條加固。

3 基坑計算與分析

水泥土重力式擋墻需要進行抗傾覆驗算、抗滑動驗算和墻身強度驗算，并按圓弧滑動法進行邊坡整體穩定驗算。顯然，上述這些計算都要涉及到土體強度指標的選取，具體表現為粘聚力c和內摩擦角φ的取值。按照地質勘探報告提供的基坑支護設計參數(見表1)，水泥土擋墻插入土體的深度遠遠大于現有雙軸攪拌樁機的施工能力，同時放坡的范圍也超出了施工場地，這與同類地質條件下的基坑圍護方案明顯不符，顯然地質勘探報告提供的基坑支護設計參數c、φ是不科學的。另根據以往的事故分析，可得到一個總的概念:對軟弱地基的被動土壓力估計不足，往往是造成基坑產生整體滑動的一個重要原因，那么c、φ的取值對基坑計算安全則尤為關鍵。

表2 不同c、φ值的計算結果Tab.2 The calculated results of different c and φ values

表3 同類土體的性質比較Tab.3 The character compare of the same kind of soil

表4 兩個方案的對比Tab.4 The compare of two scheme

經仔細查詢，表1提供的c、φ值為不固結快剪(UU)指標，在基坑周邊降水條件下，不固結快剪(UU)指標明顯與實際不符。中華人民共和國行業標準《建筑基坑支護技術規程》(JGJ120－99)及江蘇省地方標準《南京地區建筑地基基礎設計規范》(DGJ32/J12－2005)中的基坑均采用固結快剪指標(CU)，為保證安全性的同時又能兼顧經濟性，針對c、φ的取值，專門召開了專家論證會，并在此基礎上調查了該地區同類基坑設計的c、φ值，最終確定③5層的c=11kPa，φ=5。。采用不同的c、φ值對基坑剖面進行抗傾覆驗算、抗滑動驗算和邊坡整體穩定驗算，具體見表2。

由表2可見，隨著 φ值的增大，k0、kg、ks均有不同程度的增加，但即使φ值取最小值，k0、kg仍然大于規范規定的1.2，對基坑的設計計算不起控制作用。當設計參數選取不固結快剪指標時，加熱爐和主軋線處基坑斷面的邊坡整體穩定系數ks均不滿足現行規范要求。當設計參數選取專家論證數據時，加熱爐處基坑整體穩定滿足現行規范要求，而主軋線處基坑整體穩定仍不滿足現行規范要求，但囿于施工場地和施工機具的限制，無法進一步放坡和加大攪拌樁長度，只能按照此設計施工。土方開挖及基礎施工過程對基坑設置了多個測斜孔進行深層土體位移監測，監測數據表明主軋線處基坑無論是總位移還是日位移速率均在可控范圍內。

為使基坑設計進一步貼近現場實際，表3對比了本工程軟土與上海軟土的各項物理參數，認為本工程③5的土體力學參數應與上海地區的④層土性質相近。結合現場基坑開挖后的土體自立情況，推斷出本基坑③5層的φ約為10。。

以此推斷值對基坑進行反向驗算，驗算結果(見表2)表明現有基坑設計是足夠安全的甚至是保守的，尚有優化的空間。以下按照推定出的土層參數，通過縮減卸荷平臺寬度、加大放坡坡度等手段對基坑進行優化設計，具體結果如下:加熱爐處基坑二級坡寬度由18m降為10m，－8.6m處卸荷平臺寬度由18m縮減為12m，此時邊坡整體穩定系數為1.304;取消了部分基底加固攪拌樁。表4列出了前后兩個方案的工程量及費用對比，說明不同的基坑設計方案所造成的經濟性差異巨大。

4 結論

1)本工程采用放坡開挖與水泥土重力式擋墻相結合的圍護方案是比較合適的。基坑開挖時不需要支撐，基坑內空間寬敞，方便土方開挖和后期結構施工，極大地縮短了綜合工期。

2)土體力學參數的選擇對基坑斷面計算和基坑支護費用影響巨大。合理的力學參數應結合同類地質條件下的相似工程進行確定，在滿足安全性的同時應盡可能地降低基坑支護費用。

3)對砂土較厚的區域內進行放坡開挖，關鍵在于降水。在降水充分的條件下，砂土的垂直自立高度可高達6 m，局部甚至出現負坡自立。

［1] 劉國彬，王衛東.基坑工程手冊［M] .北京:中國建筑工業出版社，2009.

［2] JGJ120－1999，建筑基坑支護技術規程［S] .

［3] DGJ32/J12－2005，南京地區建筑地基基礎設計規范［S] .

［4] 鄭堅.采用土釘墻支護的深基坑險情原因及加固施工［J] .建筑技術，2003，34(2):115－117.

［5] 徐致鈞，趙錫宏.深基坑設計理論與技術新進展［M] .北京:機械工業出版社，2002.

［6] 唐業清.基坑工程事故分析與處理［M] .北京:中國建筑工業出版社，1999.