深厚軟土地區(qū)緊鄰既有高層建筑物的城市下穿隧道基坑的設(shè)計分析

陳繼燦

[濟南市市政工程設(shè)計研究院(集團)有限責(zé)任公司廣州分公司,廣東 廣州 510000]

0 引 言

在珠三角區(qū)域,中山市是軟土主要分布的城市。該地的軟土主要是②層的沉積性淤泥質(zhì)土,其特征是高含水率、高壓縮性、流動性好以及抗剪切強度低等。[1]在這種土質(zhì)下開挖基坑帶來的風(fēng)險問題比較多,環(huán)境影響也相對較大。[2]本文以中山市的某城市下穿隧道基坑項目為研究對象,詳細闡述了臨近既有高層建筑的隧道基坑工程的設(shè)計及施工中的要點和困難以及實施效果,對其他工程來說具有較好的借鑒意義。

1 項目概況

1.1 基坑概況

工程位于中山市石岐區(qū),隧道總長1.299 km。目前項目分兩個階段施工,先施工段起于岐峰路東側(cè)(K0+420),至岐港公路(K0+760),合計340 m。基坑呈長條形,基坑開挖深度7.5～11.6 m。北側(cè)緊鄰已建的高層住宅區(qū),南側(cè)為未開發(fā)的地塊,正在整平場地,地形開闊。基坑與周邊環(huán)境關(guān)系如圖1所示。

圖1 基坑與周邊環(huán)境關(guān)系圖

1.2 工程地質(zhì)

擬建場地位于珠江三角洲平原中部地區(qū),屬沖積平原地貌。第四系土層為填土、沖積土、殘積土;基巖為燕山期地層,巖性為花崗巖。各土層的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 巖土參數(shù)表

2 基坑難點分析

(1) 地質(zhì)差:基坑地基土屬于珠三角地區(qū)典型軟土,軟土為灰黑色的淤泥質(zhì)土,②-1層平均厚度為12.6 m,②-4層平均厚度為4.4 m,不僅厚度大,而且分布廣。基坑開挖深度大多位于②-1層的深度內(nèi),基坑支護及土方開挖難度較大。

(2) 地下水位高:勘察穩(wěn)定水位埋深0.2～3.01 m,雖然②-6粗砂層中為潛水,但仍存在支護樁和止水帷幕施工打穿該粗砂層后,沿著樁位突涌的風(fēng)險。

(3) 周邊環(huán)境保護:基坑北側(cè)臨近已建3棟30層高層住宅和1層地庫,距離基坑邊7.6～10.54 m,位于1倍基坑深度影響范圍內(nèi),保護要求高。

3 支護方案

3.1 支護措施

由于基坑開挖超過8 m,基坑北側(cè)已建建筑物須重點保護,軟土深厚,因此根據(jù)地區(qū)基坑設(shè)計及施工經(jīng)驗,綜合比較方案的經(jīng)濟性和合理性,支護結(jié)構(gòu)采用直徑1.0 m鉆孔灌注樁@1.3 m+內(nèi)支撐+三軸攪拌樁止水的方案。具體剖面圖如圖2所示。

圖2 基坑支護剖面圖

3.2 剖面計算

現(xiàn)行規(guī)范并未明確規(guī)定如何處理樁基礎(chǔ)建筑基底附加荷載的問題,參考《河南省基坑工程技術(shù)規(guī)范》(DBJ 41/139—2014)第5.5.5條:作用于既有建筑基底(樁基礎(chǔ)底遠超基坑底)的超載值q1可按基底天然承載力特征值的10%～20%取用。[3]②-1層淤泥質(zhì)土天然地基承載力特征值為60 kPa,本剖面計算按照20%計算,即12 kPa,考慮一定安全儲備,按照20 kPa計算,得到支護結(jié)構(gòu)最大水平位移為15.89 mm。同時下文通過數(shù)值模擬計算,檢驗該條文中取值的合理性。

4 模型計算

4.1 計算模型

本次采用PLAXIS有限元軟件對距離基坑較近的11#、12#的高層住宅區(qū)域在基坑開挖階段進行模擬分析。本研究模型范圍長132.5 m,寬125 m,如圖3所示。

圖3 整體模型軸視圖

土體本構(gòu)模型采用HSS硬化土小應(yīng)變本構(gòu)模型[4,5],參數(shù)如表1所示。結(jié)構(gòu)與土體之間的接觸面強度參數(shù)在原狀土強度的基礎(chǔ)上按0.7考慮[6,7]。按照實際施工工序進行模擬,共分為11個施工工況,見表2。

表2 計算工況

4.2 計算結(jié)果

(1) 根據(jù)模擬結(jié)果,支護結(jié)構(gòu)最大位移發(fā)生在工況7基坑開挖至基坑底時,支護結(jié)構(gòu)水平變形為9.854～10.35 mm,如圖4所示。在拆撐過程中,變形結(jié)構(gòu)變化不大,主要因為隧道地板施工后,可以有效控制支護結(jié)構(gòu)位移。

圖4 水平位移(工況7)

(2) 本次計算主要關(guān)注基坑開挖對臨近的11#和12#建筑的影響。通過查看樁基的變形情況,樁基礎(chǔ)在基坑開挖過程中的總位移為4.274 mm。查看位移監(jiān)測點的數(shù)據(jù)情況,如圖5所示。隨著基坑的開挖,樁基變形逐漸增大,而且有2個明顯的位移增加的過程,這與兩次開挖工況是相對應(yīng)的,在底板澆筑完成后,基坑位移基本穩(wěn)定,但后續(xù)的換撐時,基坑位移有一定增加,但增量較小。比較11#和12#監(jiān)測點位移,12#樓距離基坑更近,受到的影響相對敏感,但總體上基坑開挖對樁基礎(chǔ)的影響是很小的。

圖5 數(shù)值模擬監(jiān)測點位移變化

4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

本段工程共進行了130次監(jiān)測,監(jiān)測點布置如圖6所示。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)基坑挖掘到基底,圍護樁(S17～S23點)的水平向形變范圍為9.96～17.09 mm。這與有限元計算及剖面計算的結(jié)果是基本一致的,也從側(cè)面驗證了剖面計算時對于既有樁基礎(chǔ)建筑基底(樁底遠超基坑底部)的超載值q1可按基底天然承載力特征值的10%～20%取用是合理的。

圖6 建筑物監(jiān)測點布置圖

10#～12#高層住宅沉降監(jiān)測共布置24個點(J17～J40),每棟建筑設(shè)置8個。在基坑施工過程中,10#住宅監(jiān)測點沉降值為2.95～5.15 mm,11#住宅監(jiān)測點沉降值為3.61～5.73 mm,12#住宅監(jiān)測點沉降值為5.09～8.28 mm。實際沉降遠小于設(shè)計控制值24 mm的要求。與模擬結(jié)果比較,實際沉降與模擬結(jié)果比較一致。從變化趨勢看,以J31、J32點監(jiān)測數(shù)據(jù)為例,其沉降變化趨勢與模擬結(jié)果基本是一致的,如圖7所示。

圖7 建筑沉降觀測

5 結(jié) 論

(1) 本工程為中山地區(qū)緊鄰既有高層建筑深基坑的典型案例。在深厚軟土地區(qū)基坑支護結(jié)構(gòu)選用剛度較大的鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐體系,結(jié)合地下水控制措施,并嚴格按照施工方案進行開挖,能取得較好的支護效果。監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果表明,高層建筑整體沉降相對均勻,沉降較小,且遠小于沉降控制值,滿足基坑對周邊環(huán)境的保護要求,為周邊類似項目提供參考。

(2) 驗證了規(guī)范條文中對于既有樁基礎(chǔ)建筑基底(樁底遠超基坑底部的情況)的超載值q1按基底天然承載力特征值的10%～20%取用是合理的,說明其他地區(qū)的規(guī)范對于本地區(qū)的基坑設(shè)計是有參考價值的。

(3) 有限元計算在預(yù)測基坑開挖對周邊環(huán)境的影響方面是有指導(dǎo)意義的,但要得到合理、可信的分析結(jié)果需要工程師對土體本構(gòu)模型的優(yōu)缺點及參數(shù)確定有清晰的認識,并基于工程實踐規(guī)律對分析結(jié)果的合理性進行判斷。