赵家条软土深基坑支护类型选择及稳定性分析

赵卫龙

(武汉铁路局工务处，湖北武汉430063)

随着我国城市的发展和生活水平的提高，建筑群越来越密集，基坑工程的应用也越来越广泛。基坑支护结构的功能除了要保证基坑的稳定可靠外，还需要严格控制坑壁的水平位移及周边地表沉降，这大大提高了对基坑开挖的要求［1］。不同的地质条件及施工方案需采用不同形式的支护类型［2］。本文通过对赵家条软土深基坑进行合理可靠的支护结构设计，可以达到既保证安全又控制经费的目的。

1 项目概况

赵家条软土基坑位于武汉地铁3、8号线赵家条站旁，整个车站包括1#楼和2#楼，左侧1#大楼底板埋深32.15 m，基坑底埋深35.15 m;右侧2#大楼底板埋深36.65 m，基坑底埋深39.65 m。根据地质勘查报告，场地属Ⅰ类复杂地层条件;同时基坑西北侧为建设大道，东南侧为赵家条路及空军雷达学院11层楼，南侧为江大路，故基坑安全等级为一级。

1.1 工程地质概况

根据钻孔揭露，结合区域地质资料，本区分布有人工填土、淤泥、淤泥质土及粉、细砂等工程性质较差的地层。各地层岩性特征分述如下:

(1)人工填土。

以混凝土地坪、碎石、砖块等建筑垃圾与生活垃圾、工业废料为主的人工填土，结构松散，多呈架空状，部分为黏性土充填，厚1.2 ～4.9 m，局部达7.1 m，分布较连续。堆填时间一般在10 a以上。

(2)淤泥、淤泥质土夹粉土。

灰黑—灰褐色，软—流塑，其顶部、底部往往呈可塑状，有臭味，有机质含量1.52% ～2.22%，厚 1.1 ～9.8 m，为湖泊、池塘淤塞形成，断续分布。

(3)粉质黏土、粉土、粉砂互层。

深灰—灰褐色，粉质黏土呈软—可塑状，粉土、粉砂呈松散—稍密状，本层是上部黏性土层与下部砂土层之间的过渡层，底部往往与其下部的砂层呈渐变关系。最大厚度16.3 m，其它区段相对较薄，厚度一般在1.0～4.5 m之间，最大7.5 m，埋深6.3 ～32.5 m。

1.2 水文地质概况

本区对工程有影响地下水为第四系孔隙水，按埋藏条件分为上层滞水和承压水两种类型。上层滞水主要赋存于人工填土层中，地下水位不连续，埋深1.85～3.4 m。承压水为本区主要地下水，主要赋存于第四系冲积粉质黏土、粉土、粉砂互层、粉砂、粉细砂、中粗砂及砾卵石层中，含水层上部为微弱透水的黏性土，含水层顶板埋深为6.3～10.0 m，埋深最大为19.5 m，底板为白垩系砾岩，埋深 39.8 ～46.8 m，含水层(粉细砂、中粗砂及砾卵石层)厚度一般10.5～34.8 m，承压水头4.4～16.6m。

赵家条软土基坑各土层设计参数见表1。

表1 赵家条软土基坑各土层设计参数统计表

2 支护类型选择

软土基坑开挖一方面要保证基坑本身及围护结构的安全与稳定;另一方面要保证施工便利、经济合理，因此软土基坑支护类型的选择需从工程地质条件、安全控制、效益比选、工艺要求、工期控制、环境保护等6个方面综合考虑［3］。

本工程开挖深度内地层主要为淤泥、黏性土、粉砂、细砂，坑底为粉砂、细砂，地下水位高，要求基坑围护结构既要有较大的支护强度与刚度，能承受水土压力，又要有较理想的止水能力。由此本工程可供选择的支护结构型式有:①地下连续墙方案;②钻孔灌注桩结合止水帷幕;③钻孔咬合桩(墙)。

2.1 地下连续墙方案

地下连续墙施工工法主要优点是可集挡土、截水、防渗于一体，施工无噪声，无振动，止水效果良好，可兼作永久结构，适宜于城市环境中施工，墙体混凝土浇筑，用泥浆护壁，无需降低地下水位，对各种土质适应性强，墙体长度和深度可任意调整，特别对深大基坑，其结构的合理性和经济性能比较充分地体现出来。缺点是施工中对成槽技术、墙体搭接部位连接技术要求高，需专业设备进行施工，施工成本高。选用此方案需注意墙体在成槽过程中粉性土坍落及饱和粉砂性土的流砂危害，确保导孔的垂直度和完整性。

2.2 钻孔灌注桩结合止水帷幕

钻孔灌注桩结合止水帷幕作为一种成熟的工法，其施工工艺简单、质量易控制，施工时对周边环境影响小，在长三角地区应用广泛，尤其适用于顺作法基坑工程。其止水帷幕可根据工程的土层情况、周边环境特点、基坑开挖深度以及经济性等要求的综合因素选用合适的工艺。

钻孔灌注排桩围护结构施工便捷，造价经济。且采用钻孔灌注桩作为围护体与主体结构的设计关联程度相对较小，可以在地下室外轮廓及各层楼板、底板标高及底板厚度确定的情况下即可设计钻孔灌注桩围护体，并且在围护桩施工过程中完成主体结构的设计，待主体结构的设计完成后可再进行围护结构的后续设计与施工。便于设计周期与施工工期相流水，节省项目的总工期，并尽可能提早项目的开工时间。

围护桩一般设置于地下室以外距离800 mm位置，仅在基坑开挖阶段用作临时围护体，在主体地下室结构平面位置、埋置深度确定后即有条件设计、实施。

但对于超深基坑，止水帷幕很难保证质量，易出现渗漏情况，不适宜于本基坑支护选取。

2.3 钻孔咬合桩方案

咬合桩是一种新型的基坑支护形式，垂直度控制好，桩间搭接可靠，可省去止水帷幕，造价相对地下连续墙低。缺点是需要专用设备，噪声大，振动大，施工时应注意起始桩的止水处理，深度15 m以下易分叉漏水，需严格控制桩身质量，地下障碍物(如抛石)对咬合桩的质量影响很大。对深度较深的基坑，尤其是填土较厚区段，需谨慎选用。

结合拟建场地工程地质、水文地质条件，考虑到基坑深以及地下水位高的特点，且开挖深度内土层工程地质性质较差，为此围护结构拟选用地下连续墙支护方案。

地下连续墙深度应通过基坑整体稳定性、抗隆起稳定性、抗渗流或抗管涌稳定性以及考虑围护结构的强度、稳定性和变形等验算后确定。由于基坑较深，基坑围护同时考虑加内支撑体系。

3 围护稳定性分析

本工程基坑总体支护方案为基坑表层1 m以1∶1的坡度放坡，采用地下连续墙+两道圆环内支撑方案。地下连续墙厚度为1.0 m，顶上设一道1 200 mm×800 mm冠梁，中间－7.0 m设一道1 200 mm×800 mm腰梁，支撑体系采用1 000 mm×800 mm现浇钢筋混凝土，立柱采用φ800 mm C30钻孔灌注桩。

基坑围护按施工过程采用“增量法”进行受力分析，开挖期间围护结构作为支挡结构，承受全部的水土压力及路面荷载，取单位宽度的地连墙作为竖向放置的弹性地基梁，支撑简化为弹簧支座，基坑内开挖面以下土体采用弹簧模拟。施工阶段受力分析模拟了施工过程，遵循“先支撑，后开挖”的原则，采用弹性有限元法进行结构计算，最终的位移及内力值为各阶段累加值。

图1 赵家条软土基坑围护计算简图

3.1 内力变形计算结果

通过对赵家条软土基坑弯矩、剪力、支撑轴力等进行计算，得出计算结果见表2。

表2 赵家条软土基坑支护内力变形计算表(标准值)

3.2 整体稳定性分析

整体稳定性分析采用圆弧滑动条分法进行验算，其整体稳定性应符合下列规定［4］:

式中:Ks为圆弧滑动整体稳定安全系数。对于安全等级为一级的锚拉式支挡结构，Ks不应小于1.35。

图2 赵家条软土基坑整体稳定性计算模型

采用同济启明星基坑计算软件，通过计算模型计算出赵家条软土基坑整体稳定性安全系数为2.52.，满足规范要求。

3.3 坑底抗隆起稳定性分析

赵家条软土基坑坑底抗隆起稳定性应符合下列规范:

式中:Kb为抗隆起安全系数。对于安全等级为一级的支护结构，Kb不应小于1.8。

通过建立计算模型，得出赵家条软土基坑坑底抗隆起稳定安全系数为2.02.，满足规范要求。

4 软土深基坑变形控制措施

(1)基坑支护结构体养护时间满足规范要求后方可土方开挖，在开挖过程中，应充分考虑时空效应规律:遵循分区、分块、对称、平衡的原则，每次开挖深度不得大于2 m;基坑在开挖至基坑底面标高上20 cm处，应改为人工开挖至基底，不得超挖。土方开挖期间，应注意挖土机械不得损坏支护结构，不得在坡顶上碾压，土方开挖及地下结构施工期间，基坑四周严禁堆土或堆载。

(2)整个基坑开挖范围内土层为淤泥质土、粉质黏土，坑底为粉砂、细砂，属于透水层，基坑开挖时应考虑承压含水层水头压力对本工程的不利影响。因此本工程基坑内需要设置降水井对孔隙潜水及承压水进行降水，降至开挖面下0.5～1.0 m。同时，在坑外紧邻城市主干道、建筑物等区间，预留一定量的回灌井，防止抽水导致地面沉降，进而影响周边环境。

(3)对地下连续墙顶部水平位移、竖向位移、深层水平位移、支撑内力、周边地表竖向位移、水平位移、倾斜等进行重点监测。地下连续墙墙顶布置水平、竖向位移监测点，监测点间距按20 m考虑。地下连续墙布置深层水平位移监测点按30 m间隔布置，测斜管埋设于地连墙内，与墙等长。支撑内力监测点选支撑受力较大的3根杆件，监测截面选择在两支点间1/3部位。地下水位监测点分别在基坑内和外侧布置，坑内水位监测点布置在基坑中央;基坑外侧水位监测点布置在止水帷幕外侧约2 m处。

5 结论

赵家条基坑地质条件复杂，淤泥层及粉细砂层较厚，属于软土深基坑，通过研究对其支护类型的准确选择及稳定性分析，可以为软土地区深基坑的设计与施工提供重要指导意义。本文得出结论如下:

(1)软土深基坑支护类型的选择需结合拟建场地从地质条件、工艺要求、效益比选、环境保护因素等综合确定，考虑到赵家条基坑开挖较深以及地下水位高的特点，且开挖深度内土层工程地质性质较差，为此围护结构最终选用地下连续墙加内支撑支护方案为本软土深基坑的支护类型。

(2)软土深基坑结构体系应满足基坑整体稳定性、抗隆起稳定性以及考虑围护结构的强度、稳定性和变形等规范的规定，本文通过计算并建立模型，从而分析出支护结构最优的结构参数。

(3)软土深基坑在施工的过程中除了自身安全性，对周围建筑也有一定的影响，本文从施工开挖的深度要求，降水井的设置以及基坑位移监测等内容全面论述，为软土深基坑的施工运营安全提供可行性指导方案。

［1］周学明，袁良英，蔡坚强，等.上海地区软土分布特征及软土地基变形实例浅析［J］.上海地质，2005，(4):6－10

［2］Long M.Database for retaining wall and ground movements due to deep excavations［J］. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，ASCE，2001，127(3):203－225

［3］赵荣欣.软土地基基坑工程的环境效应及对策研究［D］.杭州:浙江大学，1999

［4］JGJ120－2012建筑基坑支护技术规程［S］