長江一級階地濱江基坑工程的優化與分析

權 威，朱浦棟，谷喜權

(1.中南勘察基礎工程有限公司,湖北 武漢 430082; 2.武漢路通市政工程質量檢測中心有限公司,湖北 武漢 430010)

0 引言

武漢地區地處江漢平原,被長江與漢江交匯分割為三鎮,地貌單元跨越長江一級階地(湖積相、沖積相平原)、二級階地和三級階地(剝蝕垅崗)[1]。根據湖北省及武漢市河道及堤防管理規定,防洪控制區為長江防汛墻后堤腳500 m,武漢防洪控制區基本位于長江一級階地,屬于地面沉降重點防控區。而防洪控制區內的長江一級階地為全新世(Q4)土層,上部以黏性土、粉質黏土為主,中下部為互層土(粉土、粉砂與粉質黏土互層)、粉細砂及底部卵礫石層,含水層厚度為30 m～45 m,顆粒上細下粗的沉積規律,具有滲透系數沿深度方向呈規律性增大的特性[2-3]。承壓水含水層厚度大、水頭高、水力聯系緊密成為武漢地區地下室抗浮設計[4-5]和深基坑工程[6-8]的一大特點。

根據武漢市相關規定:一級階地防控區內的建筑工程設置3層及以上地下室或基坑開挖深度不小于16.0 m,且需進行疏干降水時,應采用落底式止水帷幕或落底式地下連續墻[9-10]。上述規定中落底式止水帷幕的設計并未考慮場地地形標高、場區歷史最低水位、周邊已完工項目影響、長江水位變化引起兩岸承壓水水位變化、施工時間節點等影響因素,機械地套用不僅造成基坑工程投資過大,還會形成長江與兩岸水力互換的障礙,不僅不符合建筑產業綠色低碳轉型戰略,也不符合資源節約型的可持續發展戰略,因此有必要結合工程實踐對長江一級階地濱江基坑工程進行探討。

本文以嘉里漢正街B1地塊基坑工程為研究對象,結合場地標高、本場地歷史最低水位、周邊項目影響、歷史水位起伏等綜合因素,對濱江深基坑項目止水帷幕選型及基坑工程降本增效進行綜合分析研究。

1 工程概況

嘉里漢正街B1地塊項目位于武漢市區江漢區,地理位置屬于長江與漢江交匯處,民權路與民族路交匯處,與長江大堤距離370 m～600 m。項目北側為單行線的民權路,場地東北角區域為3層歷史保護建筑,距離基坑開口線8.5 m～11.8 m;東側為花樓街,主要分布2層—3層淺基礎民房,民房距離基坑開口線6.8 m～9.1 m;西側為統一街,施工期間暫為空地;南側為規劃二期用地及規劃地下環道空間。基坑周邊環境詳見圖1,施工過程如圖2所示。

本項目用地面積19 627 m2,基坑面積約18 800 m2,周長563 m,地下室滿鋪2層—3層,基坑開挖深度7.4 m～16.3 m。

2 巖土工程條件

2.1 區域地質及場地地形地貌

本場區地貌單元屬長江Ⅰ級階地,場地地勢較平整,場地地面標高在25.77 m～29.37 m之間,地面高差3.60 m,整平后地面標高25.55 m。根據統計,武漢地區長江兩岸地面標高整體位于21.00 m～24.00 m區間,該場區地形標高遠高于平均標高,為本場區重要有利條件。

典型斷面示意如圖3所示,土層物理力學性質如表1所示。

2.2 水文地質條件

影響本項目的水文因素主要為上層滯水、孔隙承壓水及基巖裂隙水。上層滯水主要賦存于①層雜填土層中,無統一自由水面,其動態變化受大氣降水、地表水下滲及人類生產、生活用水排放影響。孔隙承壓水主要賦存于③層、④層組、⑤層中,與長江水體具備密切的水力聯系,其水位變化受長江水位變化影響,水量較豐富,擬建場地的承壓水水頭標高約為16.45 m。區域水文資料表明,本場區承壓水水頭高度年變化幅度在3.0 m～4.0 m之間。孔隙承壓水歷史最高水位標高約為21.0 m。基巖裂隙水主要賦存于場地基巖裂隙中,總體水量較小且不均勻。影響本項目的孔隙承壓水層基本參數為K=18.60 m/d,影響半徑R=164.32 m。

3 基坑支護設計方案

3.1 項目重難點分析

施工條件緊張及地下結構標高的多樣性是本項目基坑工程的重難點問題。因本項目南側為規劃地下環道,地下環道用地紅線與本項目緊貼,同時本項目因建筑及結構要求,導致支護樁與止水帷幕空間僅有1.2 m左右,無法分期施工支護樁與止水帷幕。本項目局部2層,局部3層,北側主樓為2層—3層交界處,導致基坑北側主樓區電梯井坑中深度達到9.0 m。本項目西側為統一街借用地下空間,-1層未鋪設地下室,主要為規劃道路下埋設管線空間,-2層/-3層為臨時借用空間;2層地下室區域普挖深度8.7 m,3層地下室區域普挖11.3 m～13.6 m。整個地下室埋置深度多樣化,高差交界面過多,導致采用統一內支撐標高時必定顧此失彼。

3.2 總體方案

本項目采用鉆孔灌注樁+1道混凝土內支撐+850 mm三軸攪拌樁止水帷幕方案。內支撐布設滿足分區、分塊、快速、獨立、后期互不影響的施工要求;止水帷幕的設置同步考慮滿足基坑降水引起周邊環境要求及堤防管理部門的要求,設計基本參數如表2所示,典型斷面如圖4所示。

3.3 降水設計

本項目降水設計理念為兼顧場地歷史最高水位及最低水位的變幅,考慮長江水位變幅引起的周邊歷史沉降。經查詢,武漢地區長江最高洪水水位29.73 m(吳淞高程),最低枯水位8.87 m(吳淞高程)。2021年1月份現場實測承壓水水頭為黃海高程12.00 m,該數據同兩江四岸相同距離項目觀測水位一致,同時結合本項目臨江區域已完工漢正一號項目,該項目降水后水位標高低于本項目目標降水標高,且與本項目直線距離僅有200 m;綜合考慮上述因素,根據規范要求,設置降水井50口,井深31.0 m,實管長度14.0 m,濾管+沉淀管總長度17 m。經計算,本項目基坑降水引起周邊沉降為不大于4 mm,基坑降水引起的地面沉降對周邊環境影響可忽略不計;對長江大堤無影響。因此本項目止水帷幕選型為懸掛式止水帷幕,長度為坑底區域下3.0 m。經測算,止水帷幕選型的調整,可節約成本造價2 000萬元。

3.4 電梯井坑中坑設計

根據地方經驗采用高壓旋噴樁五面封措施,概算價約1 800萬元,其中空樁約1 000萬元,實樁800萬元,主要原因為電梯井坑中坑均處于主樓以下,空孔部分較多,且施工為地面施工,施工質量難以把控。參考相鄰項目經驗,高壓旋噴樁在互層土及粉細砂層中容易產生“冰糖葫蘆”型的效果,從而無法解決側壁及坑底漏水問題。因此本項目結合止水帷幕選型計算及地面沉降計算結果,將五面封措施調整為深井降水+側壁止水帷幕+放坡卸載方案,深井降水解決承壓水突涌問題,側壁止水帷幕防止互層土或砂層流失垮塌,放坡卸載不僅加快工期,還可降本增效。經設計優化后,坑中坑概算價僅為300萬元,直接節約成本1 500萬元。施工過程圖如圖5所示。

3.5 支護樁與止水帷幕共中心線

本項目南側為規劃地下環道,根據相關建設單位要求,B1地塊地下室外墻與地下環道距離不得小于3.0 m,且地下環道需提供0.8 m施工肥槽。本項目無法實現支護樁與剪力墻合并設計,考慮將支護樁與止水帷幕合并設計,止水帷幕與支護樁共中心線,詳見圖6。其中止水帷幕先行施工,后施工支護樁,節約部分空間。

4 監測數據反饋

基坑監測周期自2020年11月份—2022年2月份,監測項目包括周邊道路、建筑物、支護樁樁身測斜、冠梁水平/豎向位移、立柱樁豎向位移、內支撐軸力、基坑內地下水位監測等內容進行檢測,共設置監測點56個,監測點布設如圖7所示,結果如表3所示。

表3 基坑監測成果匯總表

隨著基坑的開挖,地面沉降基本滿足樁身測斜與地面沉降0.8倍～1.0倍關系,另外基坑東側建構筑物總體變形不大于12 mm,滿足要求,基坑監測各項指標均在規范要求范圍內,周邊環境及建筑物未受到影響,土方開挖及地下結構施工過程中支護結構無異常現象,沒有出現異常變形,整個實施過程中沒有出現險情,圓滿完成了基坑支護和地下水控制任務。樁身測斜結果及東側冠梁水平位移結果如圖8,圖9所示。

5 結論

本項目結合場地歷史水文,考慮武漢近30年發展引起的地下水水位下降,綜合考慮本項目周邊類似深度項目降水影響,以信息化、實時化的方法解決了長江一級階地深厚軟土沉降嚴控區3層地下室的開挖采用懸掛式止水帷幕,僅基坑工程中止水帷幕設計及電梯井坑中坑方案實施,為建設單位節約直接成本3 600萬元。基本結論如下:

1)武漢都市發展區長江一級階地沉降防控區基坑方案,不可機械照搬3層地下室或基坑深度超過16.0 m必須設置落底式止水帷幕或落底式地下連續墻方案的規定,而是應綜合考慮地面標高、長江歷史水位起伏、本場區內歷史最高、最低承壓水水位,周邊已施工項目對本場區影響等因素綜合評估基坑開挖引起地面沉降對周邊環境的影響后進行確認止水方案。

2)長江一級階地電梯井坑中坑設計采用五面封的設計方案過于浪費,且施工效果難以保證。結合本項目經驗,應根據現場實際,在確定降水對周邊環境影響可控的前提下,可采用深井降水防止坑中坑突涌,側壁止水防止互層土或砂層流失垮塌,放坡卸載提高施工效率的方式,大幅度降低坑中坑支護成本并提高工期。

3)支護空間狹窄時,可采用同軸施工的方法,先期施工止水帷幕,后期施工支護樁,在保證樁位及垂直度的前提下,可直接解決施工空間不足的難題。