趙家條軟土深基坑支護類型選擇及穩定性分析

趙衛龍

(武漢鐵路局工務處，湖北武漢430063)

隨著我國城市的發展和生活水平的提高，建筑群越來越密集，基坑工程的應用也越來越廣泛。基坑支護結構的功能除了要保證基坑的穩定可靠外，還需要嚴格控制坑壁的水平位移及周邊地表沉降，這大大提高了對基坑開挖的要求［1］。不同的地質條件及施工方案需采用不同形式的支護類型［2］。本文通過對趙家條軟土深基坑進行合理可靠的支護結構設計，可以達到既保證安全又控制經費的目的。

1 項目概況

趙家條軟土基坑位于武漢地鐵3、8號線趙家條站旁，整個車站包括1#樓和2#樓，左側1#大樓底板埋深32.15 m，基坑底埋深35.15 m;右側2#大樓底板埋深36.65 m，基坑底埋深39.65 m。根據地質勘查報告，場地屬Ⅰ類復雜地層條件;同時基坑西北側為建設大道，東南側為趙家條路及空軍雷達學院11層樓，南側為江大路，故基坑安全等級為一級。

1.1 工程地質概況

根據鉆孔揭露，結合區域地質資料，本區分布有人工填土、淤泥、淤泥質土及粉、細砂等工程性質較差的地層。各地層巖性特征分述如下:

(1)人工填土。

以混凝土地坪、碎石、磚塊等建筑垃圾與生活垃圾、工業廢料為主的人工填土，結構松散，多呈架空狀，部分為黏性土充填，厚1.2 ～4.9 m，局部達7.1 m，分布較連續。堆填時間一般在10 a以上。

(2)淤泥、淤泥質土夾粉土。

灰黑—灰褐色，軟—流塑，其頂部、底部往往呈可塑狀，有臭味，有機質含量1.52% ～2.22%，厚 1.1 ～9.8 m，為湖泊、池塘淤塞形成，斷續分布。

(3)粉質黏土、粉土、粉砂互層。

深灰—灰褐色，粉質黏土呈軟—可塑狀，粉土、粉砂呈松散—稍密狀，本層是上部黏性土層與下部砂土層之間的過渡層，底部往往與其下部的砂層呈漸變關系。最大厚度16.3 m，其它區段相對較薄，厚度一般在1.0～4.5 m之間，最大7.5 m，埋深6.3 ～32.5 m。

1.2 水文地質概況

本區對工程有影響地下水為第四系孔隙水，按埋藏條件分為上層滯水和承壓水兩種類型。上層滯水主要賦存于人工填土層中，地下水位不連續，埋深1.85～3.4 m。承壓水為本區主要地下水，主要賦存于第四系沖積粉質黏土、粉土、粉砂互層、粉砂、粉細砂、中粗砂及礫卵石層中，含水層上部為微弱透水的黏性土，含水層頂板埋深為6.3～10.0 m，埋深最大為19.5 m，底板為白堊系礫巖，埋深 39.8 ～46.8 m，含水層(粉細砂、中粗砂及礫卵石層)厚度一般10.5～34.8 m，承壓水頭4.4～16.6m。

趙家條軟土基坑各土層設計參數見表1。

表1 趙家條軟土基坑各土層設計參數統計表

2 支護類型選擇

軟土基坑開挖一方面要保證基坑本身及圍護結構的安全與穩定;另一方面要保證施工便利、經濟合理，因此軟土基坑支護類型的選擇需從工程地質條件、安全控制、效益比選、工藝要求、工期控制、環境保護等6個方面綜合考慮［3］。

本工程開挖深度內地層主要為淤泥、黏性土、粉砂、細砂，坑底為粉砂、細砂，地下水位高，要求基坑圍護結構既要有較大的支護強度與剛度，能承受水土壓力，又要有較理想的止水能力。由此本工程可供選擇的支護結構型式有:①地下連續墻方案;②鉆孔灌注樁結合止水帷幕;③鉆孔咬合樁(墻)。

2.1 地下連續墻方案

地下連續墻施工工法主要優點是可集擋土、截水、防滲于一體，施工無噪聲，無振動，止水效果良好，可兼作永久結構，適宜于城市環境中施工，墻體混凝土澆筑，用泥漿護壁，無需降低地下水位，對各種土質適應性強，墻體長度和深度可任意調整，特別對深大基坑，其結構的合理性和經濟性能比較充分地體現出來。缺點是施工中對成槽技術、墻體搭接部位連接技術要求高，需專業設備進行施工，施工成本高。選用此方案需注意墻體在成槽過程中粉性土坍落及飽和粉砂性土的流砂危害，確保導孔的垂直度和完整性。

2.2 鉆孔灌注樁結合止水帷幕

鉆孔灌注樁結合止水帷幕作為一種成熟的工法，其施工工藝簡單、質量易控制，施工時對周邊環境影響小，在長三角地區應用廣泛，尤其適用于順作法基坑工程。其止水帷幕可根據工程的土層情況、周邊環境特點、基坑開挖深度以及經濟性等要求的綜合因素選用合適的工藝。

鉆孔灌注排樁圍護結構施工便捷，造價經濟。且采用鉆孔灌注樁作為圍護體與主體結構的設計關聯程度相對較小，可以在地下室外輪廓及各層樓板、底板標高及底板厚度確定的情況下即可設計鉆孔灌注樁圍護體，并且在圍護樁施工過程中完成主體結構的設計，待主體結構的設計完成后可再進行圍護結構的后續設計與施工。便于設計周期與施工工期相流水，節省項目的總工期，并盡可能提早項目的開工時間。

圍護樁一般設置于地下室以外距離800 mm位置，僅在基坑開挖階段用作臨時圍護體，在主體地下室結構平面位置、埋置深度確定后即有條件設計、實施。

但對于超深基坑，止水帷幕很難保證質量，易出現滲漏情況，不適宜于本基坑支護選取。

2.3 鉆孔咬合樁方案

咬合樁是一種新型的基坑支護形式，垂直度控制好，樁間搭接可靠，可省去止水帷幕，造價相對地下連續墻低。缺點是需要專用設備，噪聲大，振動大，施工時應注意起始樁的止水處理，深度15 m以下易分叉漏水，需嚴格控制樁身質量，地下障礙物(如拋石)對咬合樁的質量影響很大。對深度較深的基坑，尤其是填土較厚區段，需謹慎選用。

結合擬建場地工程地質、水文地質條件，考慮到基坑深以及地下水位高的特點，且開挖深度內土層工程地質性質較差，為此圍護結構擬選用地下連續墻支護方案。

地下連續墻深度應通過基坑整體穩定性、抗隆起穩定性、抗滲流或抗管涌穩定性以及考慮圍護結構的強度、穩定性和變形等驗算后確定。由于基坑較深，基坑圍護同時考慮加內支撐體系。

3 圍護穩定性分析

本工程基坑總體支護方案為基坑表層1 m以1∶1的坡度放坡，采用地下連續墻+兩道圓環內支撐方案。地下連續墻厚度為1.0 m，頂上設一道1 200 mm×800 mm冠梁，中間－7.0 m設一道1 200 mm×800 mm腰梁，支撐體系采用1 000 mm×800 mm現澆鋼筋混凝土，立柱采用φ800 mm C30鉆孔灌注樁。

基坑圍護按施工過程采用“增量法”進行受力分析，開挖期間圍護結構作為支擋結構，承受全部的水土壓力及路面荷載，取單位寬度的地連墻作為豎向放置的彈性地基梁，支撐簡化為彈簧支座，基坑內開挖面以下土體采用彈簧模擬。施工階段受力分析模擬了施工過程，遵循“先支撐，后開挖”的原則，采用彈性有限元法進行結構計算，最終的位移及內力值為各階段累加值。

圖1 趙家條軟土基坑圍護計算簡圖

3.1 內力變形計算結果

通過對趙家條軟土基坑彎矩、剪力、支撐軸力等進行計算，得出計算結果見表2。

表2 趙家條軟土基坑支護內力變形計算表(標準值)

3.2 整體穩定性分析

整體穩定性分析采用圓弧滑動條分法進行驗算，其整體穩定性應符合下列規定［4］:

式中:Ks為圓弧滑動整體穩定安全系數。對于安全等級為一級的錨拉式支擋結構，Ks不應小于1.35。

圖2 趙家條軟土基坑整體穩定性計算模型

采用同濟啟明星基坑計算軟件，通過計算模型計算出趙家條軟土基坑整體穩定性安全系數為2.52.，滿足規范要求。

3.3 坑底抗隆起穩定性分析

趙家條軟土基坑坑底抗隆起穩定性應符合下列規范:

式中:Kb為抗隆起安全系數。對于安全等級為一級的支護結構，Kb不應小于1.8。

通過建立計算模型，得出趙家條軟土基坑坑底抗隆起穩定安全系數為2.02.，滿足規范要求。

4 軟土深基坑變形控制措施

(1)基坑支護結構體養護時間滿足規范要求后方可土方開挖，在開挖過程中，應充分考慮時空效應規律:遵循分區、分塊、對稱、平衡的原則，每次開挖深度不得大于2 m;基坑在開挖至基坑底面標高上20 cm處，應改為人工開挖至基底，不得超挖。土方開挖期間，應注意挖土機械不得損壞支護結構，不得在坡頂上碾壓，土方開挖及地下結構施工期間，基坑四周嚴禁堆土或堆載。

(2)整個基坑開挖范圍內土層為淤泥質土、粉質黏土，坑底為粉砂、細砂，屬于透水層，基坑開挖時應考慮承壓含水層水頭壓力對本工程的不利影響。因此本工程基坑內需要設置降水井對孔隙潛水及承壓水進行降水，降至開挖面下0.5～1.0 m。同時，在坑外緊鄰城市主干道、建筑物等區間，預留一定量的回灌井，防止抽水導致地面沉降，進而影響周邊環境。

(3)對地下連續墻頂部水平位移、豎向位移、深層水平位移、支撐內力、周邊地表豎向位移、水平位移、傾斜等進行重點監測。地下連續墻墻頂布置水平、豎向位移監測點，監測點間距按20 m考慮。地下連續墻布置深層水平位移監測點按30 m間隔布置，測斜管埋設于地連墻內，與墻等長。支撐內力監測點選支撐受力較大的3根桿件，監測截面選擇在兩支點間1/3部位。地下水位監測點分別在基坑內和外側布置，坑內水位監測點布置在基坑中央;基坑外側水位監測點布置在止水帷幕外側約2 m處。

5 結論

趙家條基坑地質條件復雜，淤泥層及粉細砂層較厚，屬于軟土深基坑，通過研究對其支護類型的準確選擇及穩定性分析，可以為軟土地區深基坑的設計與施工提供重要指導意義。本文得出結論如下:

(1)軟土深基坑支護類型的選擇需結合擬建場地從地質條件、工藝要求、效益比選、環境保護因素等綜合確定，考慮到趙家條基坑開挖較深以及地下水位高的特點，且開挖深度內土層工程地質性質較差，為此圍護結構最終選用地下連續墻加內支撐支護方案為本軟土深基坑的支護類型。

(2)軟土深基坑結構體系應滿足基坑整體穩定性、抗隆起穩定性以及考慮圍護結構的強度、穩定性和變形等規范的規定，本文通過計算并建立模型，從而分析出支護結構最優的結構參數。

(3)軟土深基坑在施工的過程中除了自身安全性，對周圍建筑也有一定的影響，本文從施工開挖的深度要求，降水井的設置以及基坑位移監測等內容全面論述，為軟土深基坑的施工運營安全提供可行性指導方案。

［1］周學明，袁良英，蔡堅強，等.上海地區軟土分布特征及軟土地基變形實例淺析［J］.上海地質，2005，(4):6－10

［2］Long M.Database for retaining wall and ground movements due to deep excavations［J］. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，ASCE，2001，127(3):203－225

［3］趙榮欣.軟土地基基坑工程的環境效應及對策研究［D］.杭州:浙江大學，1999

［4］JGJ120－2012建筑基坑支護技術規程［S］