濟南地區典型基坑工程信息統計分析*

王國富 路林海 王婉婷 徐前衛 王永吉

(1.濟南軌道交通集團有限公司，250101,濟南；2.同濟大學交通運輸工程學院，201804,上海//第一作者，高級工程師)

近年來，隨著城市建設的發展，出現了越來越多的深基坑工程。基坑工程作為巖土工程的重要組成部分，具有很強的區域性，不同的工程地質和水文地質條件下，基坑工程的設計與施工方法差異較大。因此，必須結合具體的地域環境，開展典型基坑工程信息的統計，以便更好地為基坑支護結構的設計理論、計算方法和施工技術的不斷完善和進步服務。

本文主要采用國內外相關文獻資料查閱、工程現場資料調研和典型案例分析相結合的方法，對457個濟南地區基坑工程典型案例進行了歸納和分類[1～5]。內容包括：典型地質條件，基坑概況，基坑設計方案，以及關于基坑問題的數值模擬計算等。總結濟南地區既有基坑工程的特點，為今后濟南地區基坑工程的設計與施工提供參考。

1 基坑工程典型地質條件統計

1.1 典型土層及土性參數

濟南地區共分為以下11個區、縣(市)：歷下區、槐蔭區、天橋區、市中區、高新區、歷城區、長清區、濟陽縣、商河縣、平陰縣及章丘市。根據統計范圍內基坑工程的工程地質條件來看，不同地區的地質結構不盡相同。總體來看，濟南地區基坑工程影響范圍內的場地揭露存在如下四類典型地層：①人工填土/黏性土/砂性土地層,②人工填土/黏土—粉土地層,③人工填土/黏性土/碎石/巖石(殘積土)地層,④人工填土/黏性土/粉細砂—中細砂地層。大多數基坑工程都位于此四類典型地層或由其組成的混合地層中。

表1給出了對所收集資料統計得到的濟南地區基坑工程典型巖土體物理力學參數的參考指標。

統計資料中所有基坑工程揭露層土體中均包括沖積平原松軟堆積、山前沖積平原松軟、松散堆積及河谷平原松散堆積物，其堆積物中的粉土、粉質黏土、黏土等工程地質性能良好，地基允許承載力較高，適宜作為建筑地基。

揭露層土體中黏性土層中部分黃土為濕陷性黃土。濕陷性黃土是一種會在上覆土層自重應力作用下，或者在自重應力和附加應力共同作用下，因浸水后土的結構破壞而發生顯著附加變形的黃土，屬于特殊土。濕陷性黃土的這種特性，會導致地基上部結構大幅度沉降變形或折裂傾斜，影響結構正常使用和安全性能。目前，針對濕陷性黃土的地基處理方法有很多種，根據不同地基土質選用不同的處理方法，常用的方法有墊層法、強夯法和擠密法[6]等。

表1 濟南地區巖土物理力學參數參考指標

1.2 地下水類型

濟南地區不同區位地下水位埋深不盡相同，主要統計了地下水類型。濟南地區地下水賦存類型主要包括以下四類：

1) 松散層孔隙水，即第四系孔隙潛水；

2) 侵入巖裂隙水，主要賦存于巖漿巖風化裂隙和構造裂隙中，即基巖風化裂隙水；

3) 碳酸鹽巖裂隙巖溶水，含水介質為石灰巖，多為承壓水，即奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組；

4) 承壓水，即埋藏在地表以下兩個隔水層之間具有壓力的地下水。

四種類型地下水受到相鄰隔水層的控制，雖然形成了各自獨立的循環條件，但因受構造作用影響，在地下水總循環中又有機地聯系在一起。場地地下水為第四系孔隙潛水與基巖裂隙水，主要補給來源為大氣降水及地下徑流。

2 基坑工程分類信息統計

2.1 基坑工程概況

2.1.1 基坑開挖深度

根據中華人民共和國住房和城鄉建設部于2009年印發的《危險性較大的分部分項工程安全管理辦法的通知》規定：一般深基坑是指開挖深度超過5 m或地下室三層以上，或深度雖未超過5 m，但地質條件和周圍環境及地下管線特別復雜的工程。根據既有的濟南地區典型基坑工程實例，將基坑工程依據開挖深度的不同依次分為以下六個類別：淺基坑(<5 m)、常深基坑(5 m≤·<8 m)、中深基坑(8 m≤·<13 m)、頗深基坑(13 m≤·<22 m)、特深基坑(22 m≤·≤30 m)以及超深基坑(>30 m)。由圖1可以看出，濟南地區既有基坑工程中，基坑開挖深度主要集中在常深基坑和中深基坑兩個范圍內，據統計現階段開挖深度最大的是某科研樓樁基工程，基坑深度為30 m。

圖1 濟南地區基坑工程類型分布

2.1.2 基坑工程位置

統計范圍內的基坑工程，在濟南地區的區域分布情況如圖2所示。濟南地區的基坑工程主要分布在歷下區、槐蔭區及天橋區等城市繁華地段。不同區域由于區域性性質不同，各種基坑類型分布也不相同。對于比較繁華的歷下區、槐蔭區及天橋區等區域，基坑類型比較豐富，且以常深基坑和中深基坑為主。其他各區域由于區域功能和性質的限制，基坑類型相對不是很豐富。尤其是濟陽縣和商河縣，在信息統計中基坑工程數量較少，且都是常深基坑工程。淺基坑工程多分布在歷下區、槐蔭區、天橋區及市中區等城市中心地段；常深基坑、中深基坑在各區域都有所分布，但也是主要分布在城市中心的繁華地段；頗深基坑在各個區域都有所分布；特深基坑主要分布在歷下區、市中區和高新區。歷下區和市中區處于繁華地段，高新區作為高新技術產業開發區頗深基坑工程較多。

圖2 濟南地區基坑工程分布

2.2 基坑設計方案

2.2.1 支護結構設計

基坑工程支護結構選型設計須結合場地工程地質和水文地質、基坑開挖深度、施工條件、場地周邊環境等眾多客觀因素而定。常見的支護結構形式分類如圖3所示。

圖3 常見支護結構分類

信息統計結果顯示，濟南地區既有基坑工程共采用過以下九種支護結構：土釘墻(復合土釘墻)、噴錨支護、樁錨、鋼管樁、灌注樁排樁、地下連續墻、高壓旋噴樁墻、CFG(水泥粉煤灰碎石樁)墻以及微型樁。實際基坑工程由于基坑開挖面積較大，不同開挖區域地質條件和水文條件不同，常采用以上九種支護結構的組合支護方案。濟南地區基坑工程支護結構分類情況如圖4所示。

圖4 濟南地區基坑工程支護結構分類

在濟南地區工程地質及水文地質條件下，土釘墻支護結構在基坑工程中的應用占了較大的比重，其次是噴錨支護。實際上，工程多采用復合土釘墻支護結構。復合土釘墻支護是一種將土釘墻與深層攪拌樁、旋噴樁、各種微型樁、鋼管及預應力錨桿等結合起來，根據具體工程條件進行多種組合而形成的一種復合基坑支護。統計范圍內絕大部分基坑工程都是常深基坑和中深基坑，基坑開挖深度在此范圍內且土質較好的基坑工程采用土釘墻或復合土釘墻支護結構形式是較為合理的方法[7]。對于常深基坑、中深基坑以及頗深基坑所用支護結構形式較為豐富，根據濟南地區工程地質條件來看，基坑開挖深度在5～22 m之間地層結構較為復雜，地下水也較為豐富，所以針對不同地質條件要采用靈活多變的支護結構。

2.2.2 降水排水設計

合理確定控制地下水的方案是保證工程質量、加快工程進度、取得良好社會效益和經濟效益的關鍵。通常應根據地質、環境和施工條件以及支護結構設計等因素綜合考慮。地下水控制方法有集水明排法、降水法、截水和回灌等方法。由于通常采用地下連續墻、高壓旋噴等形式的封閉止水帷幕，阻擋了地下水向坑內滲透，故坑內多采用管井降水來降低地下水位[8]。

據信息統計，濟南地區基坑工程的降水、排水方法有集水明排法、管井井點降水法、輕型井點降水法、深井泵降水法等；部分地下水較豐富地區增設了高壓旋噴樁或雙排深層攪拌樁作為止水帷幕；部分地區為防止回灌，在基坑四周設置了回灌井；部分地表水豐富地區設置了擋水墻。濟南地區的基坑降水、排水方案設計如圖5所示。

圖5 濟南地區降水排水方案設計

濟南地區基坑工程大部分采用管井井點降水或輕型井點降水相結合的集水明排法來控制地下水；80%的區域采用了高壓旋噴樁或水泥攪拌樁樁作為止水帷幕，說明濟南地區地下水比較豐富；只有少部分地區需采用擋水墻截水，說明濟南地區地表降水不是特別豐富。濟南地區常深基坑和中深基坑場地所揭露范圍內地下水較為豐富，需采用多項降水排水方案相結合的方式，才能有效控制地下水對于基坑及周圍建筑物的影響。

2.2.3 監測方案設計

基坑工程的監測既是檢驗基坑設計理論正確性和發展設計理論的重要手段，又是及時指導正確施工、避免基坑工程事故發生的必要措施。基坑工程的環境監測主要指的是在基坑開挖過程中，用科學儀器設備和手段對基坑支護結構及周邊環境(如土體、建筑、道路和地下設施等)的各項指標變化進行監測。基坑的信息化施工是指充分利用前期基坑開挖監測到的巖土及結構體變化和行為的大量信息，通過與勘察、設計的比較分析，反饋和修正巖土力學參數，預測后續工程可能出現的新行為，進行施工設計與施工組織的優化。嚴格按照監測方案對基坑變形重要部位進行監測，記錄其變化情況并進行綜合分析，及時掌握基坑變形發展趨勢，對保證深基坑工程安全、快速的施工，具有十分重要的意義[9]。

根據資料統計結果，將基坑工程監測內容、對象與方法歸納總結如表2所示。

表2 基坑工程監測內容及對象與方法

3 基坑研究現狀統計

3.1 研究方向

基坑的研究主要集中在兩個方面：變形和穩定性研究。濟南地區基坑工程的研究方向：基坑開挖變形分析,基坑支護結構優化,基坑降水對周圍建筑物的影響分析,以及大面積基坑開挖對周圍建筑物的影響分析等。根據統計資料整理出濟南地區基坑工程問題的研究分類如圖6所示。

3.2 研究方法

對于基坑工程問題的研究一般都基于軟件計算或者模型分析。資料統計結果顯示，在基坑工程設計階段98%的工程采用理正深基坑支護設計軟件，2%的工程采用同濟啟明星基坑軟件；在關于基坑問題的數值模擬研究分析中，有70%的工程計算都采用FLAC3D有限元分析軟件進行模擬分析，15%的工程采用ANASYS有限元分析軟件，7.6%的工程采用MIDAS/GTS軟件，7.6%的工程采用Plaxis軟件。

圖6 濟南地區基坑工程問題研究分類

資料統計結果顯示，基坑工程采用FLAC3D模擬分析的過程中，對于土的本構模型選擇有98%采用的是摩爾-庫倫模型，有2%采用Druker-Prager模型。一般用shell單元模擬鋼筋網混凝土面層，cable單元模擬錨桿和土釘。

4 結語

1) 濟南地區工程地質條件較好。場地內揭露的地層結構中的粉土、粉質黏土、黏土等工程地質性能良好；對于濕陷性黃土等不良土和特殊土，需在進行基坑工程開挖前要對地基進行加固處理。

2) 濟南地區地下水類型豐富。在進行基坑開挖之前，要根據場區勘察到的地下水位情況，進行相應的降水排水處理。常用的設計方案為管井井點或輕型井點降水并結合集水明排，以疏干排解地下水。

3) 濟南地區基坑工程大部分為常深基坑和中深基坑，多采用復合土釘墻或噴錨支護作為基坑開挖的支護結構。

4) 濟南地區對于基坑工程的研究較為單一，針對傳統基坑工程變形和穩定性的研究較為普遍。但對于開發設計新型基坑工程支護結構方面并沒有很深的研究。