某軟土深基坑設計及監測對比分析

喬麗平 李韻迪 黃文彬 王 源

(深圳市龍崗地質勘查局 深圳市巖土綜合勘察設計有限公司，廣東深圳 518172)

0 引言

地鐵安全保護區(以下簡稱“地鐵安保區”)是指地下車站與隧道周邊外側50m內，地面和高架車站以及線路軌道外邊線外側30 m內，出入口、通風亭、變電站等建筑物、構筑物外邊線外側10 m內的區域[1]。目前深圳市已完成地鐵軌道交通一期、二期和三期工程，地鐵軌道沿線的安保區范圍內出現了大量的深基坑工程。深圳市在歷史上由于城市建設需要曾進行過多次填海工程，因此，不少地鐵軌道線路也位于原填海地區。目前寶安中心區基本上位于原填海區，整個區域場地地質條件較差，普遍分布著深厚的流塑狀淤泥和強透水砂層，給基坑支護工程帶來了一定的難度和風險。目前，隨著地鐵建設發展，已有部分專家學者針對軟土地質條件下地鐵安保區內深基坑工程開展研究，許建峰等[2]分析了杭州軟土地質條件下基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響，劉念武等[3]針對軟土深開挖對地鐵車站基坑及鄰近建筑變形特性展開了研究。徐中華等[4]對鄰近地鐵隧道的軟土深基坑變形實測進行了分析。殷一弘等[5]詳細介紹了深厚軟土地層緊臨地鐵深大基坑分區設計思路。本研究以寶安中心區某軟土深基坑工程為例，針對地鐵安保區內的軟土深基坑設計過程作了全面介紹，并與實際監測結果進行了對比分析，可供類似工程參考。

1 工程概況

1.1 項目概況

該項目位于深圳市寶安中心區，新湖路與甲岸路交匯處北側，場地東北側及西北側為空地，場地東南側緊鄰甲岸路，西南側與新湖路相距約30 m(新湖路下有正在運營的地鐵1號線)。

項目總占地面積19359.5 m2，擬建工程地下三層，基坑呈不規則四邊形，開挖深度約14.1 m，周長約525.0 m，面積約15000 m2。

1.2 地質條件

場地內地層為雜填土(Qml)、第四系全新統海漫灘相沉積層(Qm(b))、第四系沖洪積層(Qal+pl)、殘積層(Qel)、下伏基巖為燕山第三期花崗巖(γ53(1))，其典型地質剖面見圖1。

圖1 典型地質剖面圖

基坑所在場地主要巖土層的物理、力學指標見表1。基坑坑底以上主要為雜填土和淤泥層，坑底以下為粗砂、礫質黏性土，局部為全—強風化花崗巖。開挖范圍內巖土體力學性質較差，給基坑支護帶來的挑戰較大。

表1 各土層物理、力學指標

1.3 水文地質條件

場地地下水主要有兩種類型：一是孔隙潛水，賦存于第四系粗砂層③2中，其透水性較強，為區內主要含水層；二是花崗巖中的風化裂隙水，主要賦存于強、中等風化巖風化裂隙中，其透水性及富水性受裂隙發育程度控制，總體上屬于弱透水層，其余各土層屬弱透水層。勘察期間測得穩定地下水位埋深1.0～1.8 m。地下水主要由大氣降水滲入及鄰近地下水的側向滲入補給。地下水位主要受大氣降水的影響，水位隨季節變化較大。

2 基坑支護難點分析

(1)工程地質條件復雜：場地內原填海填筑體基本為軟弱土層(素填土、淤泥)，厚度達6.0～12.1 m，基本上在基坑開挖深度范圍內均有分布，且在基坑底部附近分布有厚度3.3～11.2 m的強透水層(粗砂層)，地質條件極為復雜，給支護設計和止水帷幕設計都帶來了一定的困難。

(2)基坑規模大、受力模式復雜：基坑周長約525 m，開挖面積約15000 m2，基坑深度14.1 m，屬于超深基坑，如何選擇合理的受力模式和計算模型將是一個難題，直接關系到基坑工程的安全性和經濟性。

(3)基坑位于地鐵安保區內：基坑東側緊鄰正在運營的深圳地鐵1號線區間隧道，該側地下室外墻距地鐵隧道凈間距約45.0 m，且該側基坑走向基本與隧道走向平行，地鐵區間隧道埋深比基坑深度略深。在距離地鐵隧道如此近且地質條件非常差的情況下進行超深基坑的開挖，如何確保鄰近地鐵隧道的變形控制在地鐵安保要求的允許范圍內是一個極其有挑戰性的難題，無論是經濟影響還是社會影響都是十分巨大的。

(4)場地周邊地下管線復雜：西南側新湖路和南側甲岸路下均分布有雨污水、燃氣等重要地下管線，基坑開挖若引起周邊地下管線變形超限(尤其是燃氣管線)，造成的社會影響非常大。

3 基坑支護設計、計算

3.1 基坑支護設計

基坑整體采用排樁+二道鋼筋砼支撐，排樁采用直徑D1200咬合樁，咬合樁間距1.0 m(咬合搭接0.2 m)，樁長根據各側地質情況而不同，第一道鋼筋砼支撐截面為1.0 m×1.0 m(寬×高)，第二道鋼筋砼支撐截面為1.0 m×1.2 m(寬×高)，基坑四個角局部采用300 mm厚鋼筋砼板封閉。基坑北側局部為規劃幼兒園待建用地，現狀較為空曠，基坑頂無對變形敏感的建(構)筑物，該側擬采用咬合樁+預應力錨索支護，從上至下設置四道預應力錨索，錨索長度為25～30 m。

基坑西側，考慮到該側有地鐵1號線通過，對基坑的止水及變形要求非常高，該側在外側再布設一排高壓旋噴樁做止水帷幕。具體支撐布置見圖2，典型支護剖面見圖3、圖4。

圖2 基坑圍護平面示意圖

圖3 基坑圍護典型剖面圖(樁撐型式)(單位：m、mm)

圖4 基坑圍護典型剖面圖(樁錨型式)(單位：m、mm)

3.2 基坑支護計算

采用理正深基坑7.0軟件對主要典型圍護剖面(樁撐型式)進行了單元計算[6-7]，主要計算結果見表2和圖5。

表2 典型剖面主要計算結果

圖5 典型剖面計算結果

由單元計算結果可得出結論如下：

(1)基坑開挖至坑底時，支護結構最大水平位移26.77 mm，最大水平位移發生在基坑深約10.0 m處，大致位于基坑2/3深度處。

(2)施工完第二道支撐向下開挖至坑底設計標高時，整個開挖過程中支護結構水平位移發生一次突變，由16.59 mm增大至26.77 mm，增大10.18 mm。

(3)在拆除第二道支撐時，支護結構水平位移略有增大，總體保持穩定狀態。

(4)整個基坑工程施工(含拆撐工況)過程中，支護結構最大水平位移未超過30 mm，滿足一級基坑變形控制要求。

4 基坑開挖三維模擬分析

采用商業有限元軟件Midas/GTS建立了三維有限元模型，模擬基坑開挖的全過程[8-10]。

4.1 三維模型建立

本次模型包括基坑開挖區、地鐵隧道區和周邊場地。模型南側(靠地鐵隧道側)以地鐵隧道外側外擴70 m；其余各側以基坑側壁外擴60 m。這樣確定計算模型平面上為260 m×250 m的矩形。模型的深度取約2.5倍基坑開挖深度(底部為全—強風化花崗巖)，深度為40 m，計算模型見圖6。

圖6 模型網格圖

4.2 計算基本假定

(1)巖土體本構模型采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型，單元類型為四面體單元；

(2)結構體均采用線彈性材料，單元類型為板單元和梁單元；

(3)支護樁按照等效剛度法簡化為板結構(僅考慮咬合樁中配筋樁的剛度)，錨索腰梁采用梁單元模擬，水泥攪拌樁采用硬質土層模擬，噴射混凝土和隧道襯砌采用板單元模擬；

(4)忽略土體與圍護結構之間的相對位移，假定土體和支護樁無相對滑移，結構與土節點位移耦合；

(5)迭代計算方法采用Newton-Raphson法；

(6)收斂標準采用位移收斂標準；

(7)彈塑性材料流動法則為相關聯流動法則。

4.3 計算結果及分析

典型計算結果見圖7—圖9，由圖可知：

圖7 基坑開挖至坑底后支護結構水平變形

圖8 基坑開挖至坑底隧道水平位移

圖9 基坑開挖至坑底隧道沉降

(1)隨著基坑開挖深度的增加，支護結構最大變形逐步增大，基坑開挖至坑底的過程中支護結構最大水平位移約18.55 mm，整個基坑施工過程中支護結構最大水平位移達到18.75 mm。

(2)由于拆撐時充分利用了結構樓板作為傳力體系，整個施工過程中，后期拆除第二道鋼筋砼和拆除第一道鋼筋砼支撐對基坑支護結構的變形影響不大。

(3)基坑開挖中隧道會發生水平變形和豎向變形，且隨著基坑開挖深度逐漸增加，隧道朝基坑方向的水平位移略有增加，增加幅度基本可以忽略不計；拆撐換撐階段的變形則基本趨于穩定。整個基坑施工過程中隧道水平位移最大約0.5 mm，沉降最大約3.2 mm，均滿足深圳地鐵結構保護的技術要求。

5 監測數據分析

目前基坑已經施工完畢，圖10為基坑工程施工過程中的全貌衛星圖片，整個基坑施工過程中，按設計要求進行了第三方監測工作，監測結果表明基坑工程變形滿足規范要求。現將各個工況下支護結構最大水平位移累計值的實測結果、有限元計算結果及理正計算結果匯總于圖11。

圖10 基坑全貌現場照片

圖11 支護結構水平位移變化曲線

由圖11可知：

(1)采用理正軟件單元理論計算的最大水平位移值和三維模擬計算的最大水平位移值均大于實際監測的最大水平位移值(個別工況除外)。分析其原因，一方面由于地勘單位為保險起見根據經驗降低了勘察報告中的巖土體力學參數，使得計算理論值會偏大。另外一方面現有的計算模型為了計算的方便大多在假設條件的前提下進行了相應簡化，跟支護結構本身的受力形態有一定差異。

(2)三種方式反映的基坑開挖過程中支護結構水平位移的變化趨勢基本相同：隨著基坑向下開挖，支護結構最大水平位移逐漸增加，但變化幅度有一定的差異。

(3)相比較而言，采用理正軟件計算的結果要遠大于實測值，尤其是基坑開挖至一半深度以后，理正軟件計算的位移值增加幅度較大。而三維模擬計算雖然也大于實測值，但其差值幅度不大，其計算位移值更接近于實測值。

(4)在深厚淤泥層中進行超深基坑工程，采用咬合樁+鋼筋砼支撐的支護形式是可行的，其變形控制能力完全可以達到相關規范要求，基坑開挖施工對鄰近地鐵隧道產生的影響也在地鐵保護要求的允許范圍內。因此，在地鐵安保區內進行軟土深基坑工程設計時應優先考慮采用咬合樁+鋼筋砼支撐形式。

6 結論

(1)深圳填海地區普遍分布著深厚的流塑狀淤泥層和強透水砂層，淤泥層力學性質較差，對深基坑變形控制極為不利。因此，在填海區和地鐵安保區內進行深基坑工程設計時應充分考慮填海區地質條件較差的影響因素。

(2)工程實踐表明，咬合樁+剛度較大的鋼筋砼支撐結構應用于較差地質條件下的軟土深基坑工程中時，在變形控制及減小基坑工程對周邊環境影響等方面均具有較高的可靠度，建議這種支護形式優先應用于地鐵安保區內的深基坑工程。

(3)無論是三維有限元分析計算還是理正單元計算，其理論計算結果的準確性還有待于土體本構模型、土體力學參數等因素的完善而逐步提高。雖然理論計算值與實際第三方監測值有一定差距，但理論計算值反映的變化趨勢符合工程實際情況，可用于指導基坑工程的施工。

(4)在深基坑工程中應切實做好第三方監測工作，將實時監測數據用到三維有限元模擬分析中進行反演分析，以預測下一步施工工況時支護結構及鄰近地鐵隧道的變形情況，根據預測的變形情況針對性地調整支護措施，以確保基坑工程的安全。