長江三級階地超深基坑工程的應用與分析

權 威,趙小龍,朱浦棟

(1.中南勘察基礎工程有限公司，湖北 武漢 430081； 2.湖北楚程巖土工程有限公司，湖北 武漢 430000)

武漢地區地處長江與漢江交匯處，市區及郊區橫跨長江中游主要地貌單元，包括長江一級階地、二級階地及三級階地[1]。長江二、三級階地為老黏性土(Q3，Q2的超固結土、粉質黏土)，具有強度高、壓縮性低、承載力高的特點[2-4]。在武昌漢陽的平原湖區與殘丘之間，老黏土以剝蝕堆積垅崗的地貌形態分布，地形波狀起伏，垅崗與坳溝相間，相當于長江三級階地[5]。老黏土在浸水條件下均具有膨脹力，失水條件下均產生收縮變形的特性，因此在基坑開挖后，土體中應力釋放，裂隙張開，各種水源會迅速浸入裂隙中，從表層淺部的土塊漸進式破壞，沿裂隙面崩落、滑塌開始的。裂隙發育后，土體中應力又通過裂隙向深層作用，促使裂隙向深層發展，最終引起邊坡事故。漢陽地區大部分區域地層組合為上部老黏性土，下部為泥質巖[6]，但部分地段具有完整的二元結構地層組合，上部為老黏性土并存在局部碎石夾層，下部為細、中砂，底部為卵漂礫層或碎石層，其中上部屬于弱不透水層，下部含承壓水層，且承壓水水頭較高。老黏性土層間碎石土所含層間水及下部承壓水對基坑開挖存在較大不利影響[7-11]。本文以位于長江三級階地的武漢建工科技中心基坑工程為研究對象，結合計算結果和現場監測成果，對三級階地老黏性土基坑進行了分析研究。

1 工程概況

武漢建工科技中心位于武漢經濟技術開發區創業路與沌陽大街交匯處西北角。基坑開挖平面大致呈矩形狀多邊形；東西向長約95 m，南北向長約100 m，圍護結構總長度約400 m,開挖面積約10 000 m2；擬建物±0.000 m=36.20 m；地下為3層滿鋪地下室，地下室及主樓基礎形式均為筏板基礎。基坑周邊環境如圖1所示。

2 地質水文

2.1 地質條件

擬建場地地貌單元屬剝蝕堆積壟崗(相當于長江沖洪積三級階地)，場地地勢較平坦，地面標高在34.91 m～37.27 m之間變化。

表1 基坑土體物理參數

2.2 地下水影響

1)淺層水影響。

本場地上層滯水賦存于①層素填土層中，勘察期間發現水量較豐富。在基坑開挖時淺部土層中的地下水會以匯水點的形式滲入基坑。同時基坑開挖過程中③-2層黏土夾碎石層含有弱淺層水，需要通過明排進行及時疏干。地下水流動可能對坑側土體進行潛蝕破壞，引起局部土體坍塌，最終威脅基坑邊坡及周邊建構筑物安全。

2)承壓水影響。

據勘察期間實測的孔隙承壓水水頭標高在16.4 m，低于基礎底板標高，故基坑施工時底部不會發生突涌破壞。

3 基坑支護方案設計

本基坑重要性等級一級，設計使用期限1 a。因基坑勘測過程中地下水水量較小，本基坑不考慮止水帷幕施工。基坑東西兩側存在地面高差，其中東面地面絕對標高為35.00 m，基坑西側地面標高為37.00 m，東西兩側相對高差為2.00 m。本基坑±0.00 m=36.20 m，坑底標高為20.80 m(地下室區)～19.80 m(主樓筏板底)17.900 m(主樓區電梯井)，基坑深度為14.20 m～17.20 m。

依據湖北省地方標準，變形控制指標Δ≤30 mm，被動區抗力系數ktk≥1.5，上部自穩邊坡整體穩定性安全系數khd≥1.35。采用鉆孔灌注樁+樁頂放坡卸載+1道混凝土內支撐的方案。采用φ1 000 mm@1 300 mm～1 500 mm灌注樁，樁頂卸載高度為4 m～6 m。樁頂統一高程31.00 m，樁頂卸載主要為避免圓環內支撐整體受力不均。典型基坑剖面圖如圖3,圖4所示。基坑支護基本參數見表2。

表2 基坑支護基本參數

內支撐布置選擇能充分發揮混凝土抗壓性能，受力合理，經濟性較好，無支撐面積最大，出土空間大和出土速度快的圓環支撐形式，對于內力傳遞復雜，容易應力集中的圓環邊中部區域增設連系梁和現澆鋼筋混凝土板，加強該區域支撐剛度，控制基坑變形。布設平面如圖5,圖6所示。

支撐截面參數如表3所示。

表3 支撐截面尺寸一覽表 mm

4 基坑監測

根據設計要求，在基坑開挖過程中，由于地面高差、土方非對稱開挖、圍護墻體側向壓力差的變化等原因，基坑將發生豎向及水平位移，同時影響周邊地下土體及周邊管線、建筑物，因本項目不存在管井降水，因此本項目在基坑施工期間，主要進行坑外土體深層側向變形(測斜)、樁頂水平位移、地表沉降、管線等監測。監測點布置如圖7所示。

4.1 基坑高差引起的支護樁變形分析

本項目西側與東側高差2.0 m，且基坑西側為項目部主要辦公區及加工區，當基坑開挖到底時，基坑西側普遍位移均較東側及南側大，平均高出10 mm，監測結果與計算結果趨勢基本一致，如圖8所示。實際監測結果均較計算結果大，基本分析為平面二維計算無法考慮時空效應；實際施工工況與設計工況有較大出入，土方開挖未分層、對稱開挖；黏土夾碎石土層中含有弱淺層水的流失與沖刷，對基坑側壁土體強度有較強軟化作用。支撐環向變形基本趨勢可分析為越靠近圓環薄弱處，支護樁變形越大，越靠近平面陰角部位，支護樁變形越小，環向受力情況下基坑變形由樁撐模式逐步向懸臂樁模式過渡。

4.2 非對稱開挖下內支撐薄弱部位水平位移時程分析

通過分析內支撐東側GS7、西側GS17、南側GS12、北側GS2水平位移時程曲線可知：最終水平位移變形基本在25 mm附近，呈對稱分布，監測結果如圖9所示。但因分區分段土方開挖速度不同，造成不同點位樁頂水平位移起始點不同，但最終基本趨于一致。

5 結論

本項目根據實際工程案例，在長江三級階地側壁含碎石土層及下覆土層含承壓水情況下，分析超深基坑開挖效果，基本結論如下：

1)老黏土具有強度高、壓縮性低的特點，設計變形指標與實測指標基本一致。但是基坑工程在開挖卸荷、浸泡、干裂的外界環境下，土體強度將急劇降低，因此對于三級階地老黏土的基坑施工，應及時進行坡面噴護，隔絕吸水膨脹，失水干縮的特性。

2)本項目位于沌陽老黏性土分布區域，綜合地質成因等因素，下臥碎石混黏土層含深層承壓水，水頭較高，基坑施工過程中容易因地勘孔封堵不達標或抗浮錨桿施工，將深層承壓水引出，從而造成事故。

3)本項目西高東低的地勢起伏對環形受力有較大影響，但通過卸載減荷方式規避基坑受力不均衡，避免環形內支撐整體漂移，保證基坑安全。

4)大型深基坑支護工程，合理的支撐系統平面布置，不僅有利于后期的施工效率，在滿足安全的前提下，最大化達到建設方對于工期的訴求，而且能達到最優的經濟效益。