軟土地基深基坑支護方案優化案例

上海建瓴工程咨詢有限公司 上海 200032

1 工程概況

復旦大學新建江灣校區物理科研樓項目基坑總面積8 793 m2，圍護總周長約390 m。基坑普遍區域開挖深度6.10～7.10 m，局部深坑落深1.50～2.25 m。

該場地四面均為校區道路，道路下方分布有十多根地下管線，周邊環境條件相對較復雜，對道路下方管線的保護要求較高，特別是場地北側的天然氣管、南側電力管線距離基坑較近。

本工程位于長江三角洲入海口東南前緣，地貌類型屬濱海平原地貌。根據該工程巖土勘察報告，擬建場地在勘察深度75.00 m范圍內揭露的地基土均屬第四紀沉積物，主要由黏性土、粉性土及砂土組成。根據野外鉆探、原位測試及室內土工試驗資料分析，場地為古河道分布區，沉積了較厚的第⑤層，缺失第⑥層暗綠色粉質黏土。

該工程場地條件具有以下特點：

1）透水性強。基坑坑底為第②3層灰色黏質粉土，該層土透水性較強，在動水壓力下易產生流砂、管涌等現象，對基坑開挖有不利影響。

2）坑底位于軟土層中。基坑坑底以下的第③層淤泥質黏土，由于該層土呈飽和流塑狀，因此對基坑整體穩定性極其不利。

3）擬建場地內普遍分布有第①層雜-灰黃色填土，厚度一般為2.7～3.5 m，局部厚度較大，達4～5.1 m，以雜填土為主，夾大量碎石、碎磚等建筑垃圾及少量生活垃圾；局部夾黏性土、少量植物根莖及小碎石等雜物，土質松散且不均勻。

2 基坑初始支護方案

2.1 初始支護方案

根據本工程基坑開挖深度及規模，從技術及經濟角度考慮， 基坑初始設計方案擬采用φ650 mm型鋼水泥土攪拌墻圍護，內插500 mm×300 mm的H型鋼，型鋼插一隔一或插二隔一布置，坑內沿豎向設1道鋼筋混凝土水平支撐。鑒于本工程基坑形狀東、西向對稱的特點，支撐平面布置中擬在基坑對稱軸處設南、北向對撐，將基坑分為東、西2塊，并在各分塊內的南、北側布設大角撐[1-3]。圍護結構和支撐平面布置見圖1。

圖1 支撐平面布置示意

2.2 初始方案存在的問題

基坑初始支護方案確定后，通過綜合分析發現該方案存在下列問題：

1）邊界條件復雜。該工程基坑呈沿南北向中間軸左右對稱分布，基坑東、西、北3側存在較多凹口，造成基坑邊界陽角眾多。由于基坑陽角處有兩側土體出現臨空面，應力狀態異于規則深基坑開挖面，對地表應力水平位移、地下水位變化以及支護體系剛度等因素更為敏感。

2）圍護結構樁徑偏小。由于該工程淺層主要為②3層黏質粉土，該土層的滲透系數較大，而初始方案中φ650 mm型鋼水泥土攪拌墻的樁徑較小，不利于基坑的抗滲流作用。

3）角撐數量多，角撐覆蓋面積大。初始方案在基坑4個角部均設有4個大面積的角撐，造成基坑支撐平面布置中角撐數量多、覆蓋面積大。而角撐與鋼筋混凝土圍檁斜交，造成角撐與鋼筋混凝土圍檁節點處同時承受壓力和剪力作用，不利于支撐受力。

3 方案調整優化

針對初始方案存在的上述問題，我們對原設計方案提出了如下調整意見：

1）調整基坑各邊的邊界線布置，盡量將基坑各邊線的凹口拉直，以簡化基坑邊界形狀，減小基坑邊界的陽角數量，并在陽角部位增設坑內被動區加固，以利于基坑支護和變形控制。

2）將型鋼水泥土攪拌墻圍護的樁徑增大至φ850 mm，增大了圍護體的剛度，從而提高圍護結構的抗變形能力和抗滲性能。

3）調整支撐平面布置，加強東西向和南北向的對撐，減少角撐的覆蓋面積，并增大了基坑支護結構的整體性，從而利于基坑的時空效應控制，減小對周邊環境的影響。

經上述調整后，基坑的圍護和支撐平面布置見圖2。

圖2 調整后支撐平面布置示意

4 計算結果對比

方案調整前后，分別對基坑圍護結構的受力和變形進行了計算分析，計算結果詳見表1。將調整前后的2個方案的計算結果進行對比分析，發現方案調整優化后，圍護結構的剛度增加，其受力明顯增大，圍護結構的位移變形明顯減小，支護結構受力、變形更加合理。

由于該工程為不規則基坑，計算中將基坑的內框架支撐體系與擋土結構共同組成一空間結構體系，二者共同承受土體的約束及荷載的作用，按空間框架模型計算該空間結構體系的變形及受力。從支撐平面布置來看，方案調整后，支撐的平面位移變形整體減小[4-6]。

表1 方案調整前后圍護結構計算結果

5 基坑監測結果

根據調整后的基坑支護方案，施工單位將坑內土分2層進行開挖，首層土方開挖至支撐底，二層土方開挖至坑底。其中首層土方采用東西兩側向中間、由北向南退挖；二層土方結合底板后澆帶位置，分為18個分塊，土方開挖采用自北向南退挖的方式進行，并在一個分區挖土和底板施工完成后，再進行下一個分區的土方開挖。基坑開挖前采用輕型井點降水，其中井點結合挖土分塊進行布置。

經現場監測，截至底板澆筑完成工況，實測圍護體系深層最大側向變形為35 mm，小于累計報警值±45 mm；支撐最大軸力為2 886 kN，小于監測報警值3 000 kN；圍檁最大側向位移18.12 mm，小于累計報警值±45 mm。上述監測結果顯示，通過對基坑關鍵技術的優化，基坑施工滿足安全性要求，并減小了基坑施工過程中對周邊環境的影響。

6 結語

在任何基坑施工方案確定過程中均應根據場地的現場條件，簡化基坑的邊線布置，減少基坑的不規則程度，使基坑的邊界條件更有利于基坑變形控制和施工操作。

軟土地區地基土具有強度低、含水量高、流變性大的特點，軟土地區基坑變形是支護結構體系、基坑范圍內土體、基坑施工、周邊環境情況等多種因數相互作用的綜合反映。故應根據基坑自身特點選擇適用的圍護結構和支撐布置，加強圍護結構的剛度和抗變形能力，同時也便于基坑施工，以有效減小基坑施工對周邊環境的影響。