武汉深厚淤泥地段超深基坑支护工法研究

方山耀, 曾　执, 邓　薇

(湖北省地质局 武汉水文地质工程地质大队,湖北 武汉　430051)

0　引言

武汉市竹叶山、三眼桥路、香港路、新华下路一带被称为武汉地基工程的“百慕大三角区”。该地段的基坑工程事故频发,基本原因是地质条件极差,沉积了厚度达14～19 m的淤泥或淤泥质土,该类土具触变性、流变性、高灵敏度等。

1　工程概况

本项目主要为 1栋 51层高层办公楼(A栋，含 5层裙楼,结构类型为框架核心筒)及 3栋 39层小户型公寓(B1、B2、B3栋,结构类型为框架剪力墙),满铺地下室,规划用地面积 25 011 m2,总建筑面积 236 613.9 m2。采用钻孔灌注桩基础。

建筑±0.000高程为21.70 m,设四层地下室。基坑深度18.45～22.85 m,基坑支护面积约15 698.0 m2,基坑周长633.53 m*武汉地质工程勘察院，中华城商业社区一期地下室基坑支护设计书,2010。。基坑安全等级为一级。

2　环境地质条件

场地位于武汉市江汉区,北邻香港路，东临建设大道,周边环境较为紧张。地貌单元属长江冲积一级阶地,场区地势较为平坦,地面高程在20.15～20.61 m之间。

2.1　地层*武汉市勘测设计研究院，中华城商业社区一期岩土工程勘察报告书,2009。

表1　场地土主要物理力学参数一览表Table 1　Schedule of main physical and mechanical parameters of site soil

2.2　水文地质条件

场区地下水按赋存条件及含水层性质可分为上层滞水和孔隙承压水,上层滞水赋存于人工填土中,无统一自由水面,其水位变化较大,勘察期间实测上层滞水的静止水位位于自然地面下0.6～1.5 m,水量随大气降水及地表排水强度波动,总体有限,但不容忽视。孔隙承压水赋存于场地下部的⑤层砂土中,与长江有较密切的水力联系,其水位变化幅度受长江水位涨落影响,年变幅3.0～4.0 m,标高17.0～21.0 m左右,水量较大。基坑开挖已挖到砂层,需采取井点降水(图1)。

3　设计思路

3.1　基坑特点分析

(1) 基坑开挖深度大，其深度在18.45～22.85 m。

(2) 基坑开挖深度范围内软土层厚度巨大:第①层填土,结构十分松散,土质不均匀；②层淤泥,流塑状,工程性能差,对基坑的稳定极为不利。

(3) 基坑周边环境条件及支护方式的选择。基坑开挖面积大,平面不规则,开挖深度大,周边环境条件差(要求基坑变形小),且地质条件极差。综合考虑地质条件、建设周期、经济最优、施工可行性、对周边环境及结构施工影响等因素,经过多次专家论证,最终确定基坑支护方案为:基坑上部放坡0.6 m,采用大直径桩+三层混凝土支撑+浅层被动区换土、坑内局部高喷桩加固的支护方案,同时在桩间高压喷旋桩(到基岩面)和单独高压喷旋桩止水配合深井降水的水处理方案。支撑平面布置见图2。

图1　典型地质剖面图Fig.1　Profile of typical geology

图2　基坑支护平面图Fig.2　Planar graph of foundation pit support

3.2　邻近基坑工程概况

汉口香港路一带有深厚流塑状淤泥或淤泥质粘土,系湖塘相沉积物,强度很低,对基坑的稳定十分不利,此地区是基坑事故的多发区。前期有桥苑小区B栋(18层楼已拆除)等多个基坑工程周边出现较大变形。一般来说,建设大道及汉口香港路一带的一、二层地下室的基坑被动区在淤泥层中,容易引发基坑事故。一层地下室基坑不需降水,二层地下室基坑需降水,但降水幅度小。开挖10 m左右,电梯间深12～14 m,降水引起的沉降实际为40～60 mm。国贸大厦基坑的降水幅度与本工程类似,降幅16.0 m,设计布置17口排量为1 920 m3/d的降水井,降水引起的沉降实际为72.28～97.15 mm。

3.3　挡土结构选型

钻孔灌注桩是目前武汉市基坑支护最常用的挡土方式,工程经验多,理论计算方法也比较成熟。不受场地和地层条件限制,安全,质量易控制。

地下连续墙是武汉地区基坑支护采用较多的另外一种方式,可以三墙合一,既挡土又防水,还可直接作为地下室外墙,但由于场地存在厚度巨大的淤泥,地下连续墙必须先施工导墙,两侧的导墙须达到淤泥层底以下,否则在施工地下连续墙时极易引起周边地面塌陷。一般情况下矩形截面的自稳性低于圆形,成桩性能比圆形状差。地下连续墙部分替代地下室内墙可能得不偿失,总造价大于桩支护+侧壁防水+地下室外墙三项。因此,不宜选择造价高昂的地下连续墙。

3.4　浅层被动区换土

基坑浅部存在厚层软土,三层混凝土内支撑均位于淤泥或淤泥质土层中,这类软土的强度不满足混凝土梁支模的要求,极易造成混凝土梁支模变形。采取局部换填的办法,在每层支撑梁下采用建筑砖渣挤密换土,该方法材料费用低,效果好,能保证混凝土梁的浇筑质量。

4　地下水处理

4.1　基坑侧壁止水方案

填土中上层滞水量有限,水压力小,工程实践证明,施工喷锚(土钉)网时采取分段开挖引流措施、分段喷锚挂网护面止水,一般能保证顺利开挖填土层。

侧壁的淤泥质粘土局部地段底部夹不均匀粉土薄层,基坑底部接近粉砂。粉土、粉砂结构松散,透水性强,易发生水土流失,引发地面沉陷,需要设置侧壁止水。由于降深大,侧壁止水深度尽可能深一些。止水方法常见的为搅拌桩、花管压注水泥浆,其止水效果难以保证,侧壁隔水帷幕选用高压旋喷桩。高压旋喷桩的止水性能远高于搅拌桩,其施工受深度影响较小,但工艺要求较高,造价相对较高。

4.2　基坑降水方案

场地离长江很近,水量很丰富,本场区承压含水层顶板埋深15.4～21.7 m,基坑开挖深度18.5～22.9 m,底高程为2.65～-1.15 m,已挖到含水层,必须进行基坑降水,且降幅较大。枯水季节,设防的承压水位17.0 m；丰水季节,设防的承压水位20.0 m。采取深井降水。共设有32口降水井,井径650 mm,单井抽水量1 920 m3/d。

4.3　基坑降水对环境的影响

对降幅不大(13～14 m 以内)的浅、中基坑,中深井降水是武汉地区目前应用较多的承压水处理方法。软土区沉降率约为降水1m 产生沉降0.3～0.5 cm。基坑以外10 倍降深处的沉降约为基坑边缘最大沉降的45%左右,地面倾斜率多数在1‰以内,个别地面倾斜率可能达到1.5‰。控制含砂量小于十万分之一,对周边环境影响很小。本场区降幅19～21 m,降幅较大,在深厚软土层降水,预测基坑周边的沉降100～120 mm。对降水影响半径内的周边环境影响较大。

4.4　解决降水对环境影响的办法

解决沉降过大的方法有封底、落地式帷幕。该类工程实例主要有泰合广场和世贸广场,两工程均为二层地下室,最大的开挖深度在14 m 以内。采用高压旋喷或摆喷工艺,但泰合广场和世贸广场基坑的封底或落地式帷幕并不完全成功,最后都补打降水井才得以开挖到底。主要原因是:高喷桩偏斜过大或高喷或摆喷直径达不到设计取值,封底难以保证重叠系数。侧封时,底部砂层强度高,止水桩易偏斜,难以保证重叠系数。另一方面高喷工艺要求高,准确定位和保证连续供浆非常关键。综上所述,本方案采取支护桩和桩间高喷桩形成落地式帷幕,再配合深井降水的方法。

5　基坑支护设计

5.1　支护桩设计

为限制桩顶位移,采用钻孔灌注桩加3层内支撑的支护方法,支护桩采用大直径钻孔灌注桩,桩径为1 500 mm,桩端深入到基岩一定深度,砼标号C30,桩间距1.7 m,桩顶用冠梁连结,冠梁高800 mm。

5.2　内支撑设计

选用角撑+对顶式对撑,场地土压力大,为保持支撑密度,冠梁和腰梁上的支撑跨度一般≤9 m。一层支撑采用C30混凝土,主撑截面:宽×高=800×800,联系撑截面:宽×高=400×600。二层、三层支撑采用C40混凝土,主撑截面:宽×高=1 000×800,次撑截面:宽×高=800×800,联系撑截面:宽×高=400×600。

支撑梁截面已考虑自重、次撑自重、附加荷载、温度应力、安装偏差及杆件细长比的折减系数等影响,依据变形特点确定。典型支护断面设计见图3。

5.3　竖向支撑体设计

支撑重量按1/2分担法[1]确定,桩竖向承载力标准值=支撑自重+偏心荷载。其中最大的支撑自重=支撑重量+钢立架重量+支撑活载+偏心荷载,偏心荷载取支撑力的0.1。支墩形式采取钻孔灌注桩及钢架,钻孔灌注桩砼C30,直径1 000 mm,主筋保护层50 mm,支撑桩净长30 m,竖向井字形钢架,一层撑钢架采用4支16#×12角钢。缀板厚10 mm,宽200 mm。二层、三层钢架采用8支16#角钢,厚12 mm。

5.4　换撑设计

为不影响地下结构的施工,须换撑施工。换撑过程是:地下室建筑梁板达到强度后,利用地下室梁板作为支撑点,加设换撑以便代替支撑,换撑具强度后,拆除支撑。换撑设于地下各层楼面和支撑桩之间,换撑采用吊筋和预埋钢筋固定。本工程地下室外墙空间小,适合采用逐桩换撑;换撑剖面0.4 m×0.3 m,换撑间距1.7 m。在一期与二期之间换撑,一期换撑时,加设换撑顶到二期的同高度内支撑上,二期换撑时将采用槽钢顶到已建成的另一侧的地下室建筑梁板作为支撑点,然后再逐桩换撑。

5.5　出土栈桥设计

本基坑挖深大,土层极软,深厚软土区出土也是难点。土方运输采用出土栈桥,车辆按重载考虑,栈桥采取钻孔灌注桩,嵌岩桩基,部分利用工程桩,栈桥采取现浇C30混凝土,桥面平冠梁顶,进入基坑内长21.5 m,宽11.2 m,板厚0.4 m。车辆行使在坑内道路上采取建筑垃圾垫路,分层开挖,最后采取小型挖机,垂直出土收尾,清除栈桥下的余土。

图3　典型支护断面图Fig.3　Section of representative for foundation excavation

6　监测结果

本基坑工程已竣工二年多,在施工中基本保持了基坑底干燥,施工作业顺利。基坑最终监测可见,支护桩水平位移为25～35 mm*湖北万钧工程技术有限责任公司，中华城商业社区一期基坑变形监测报告，2011。,支护桩顶沉降量为16.8～27.4 mm,周边建筑最大沉降32.5 mm,周边道路最大沉降38.2 mm;支护桩体深层变形主要集中在桩顶;内支撑杆件的轴向受力处于受控状态。在整个基坑开挖和基础施工过程中,支护系统及周边环境安全、稳定。

7　结语

本工程采取钻孔灌注桩加内支撑的支护体系较好地解决了深厚淤泥地段超深基坑的支护问题，结束了武汉深厚软土地带不能开挖超深基坑的历史。根据本项目的成功实施可初步归纳为以下几点:

(1) 浅层被动区换土的办法有效地减少了桩的侧向位移,同时防止了内支撑梁的垂向变形,保证了支护体系的整体受力状态,内支撑杆件不产生过大的偏心荷载。

(2) 在砂砾层中落地式超深帷幕的施工,采取钻孔灌注桩的施工方法,用素混凝土桩加高压旋喷桩止水效果良好,基本保持了基坑底有干燥的作业环境。

(3) 在深厚淤泥或软土地区的超深基坑,采取钻孔灌注桩加内支撑的支护体系可以很好地解决基坑稳定问题,可以取代造价高昂的地下连续墙。

(4) 对于超大超深基坑采取多层桁架式对顶撑加角撑是一种受力明确、施工简明的内支撑体系,可以逐桩换撑,施工较灵活。

本工程实例是对深厚淤泥地段超深基坑支护方法的尝试,较好地解决了深厚淤泥地段超深基坑的支护问题。为以后类似的基坑工程提供了经验,本基坑支护工程采取的工法缩短了施工周期,取得了较好的经济效益和社会效益,可为类似基坑支护设计提供借鉴。

参考文献：

[1]DB42/T159—2012，湖北省深基坑工程技术规定[S].