孝感市汇金国际大厦深基坑支护设计实录

熊扬福，刘明文，吕传成，初 亮，张 波

(湖北省地质局第六地质大队，湖北孝感 432000)

随着孝感市当地经济的发展，孝感市基本建设规模逐渐加大，高层建筑、地下建筑等工程大幅度增加，为了节约地上空间，节省土地，充分利用地下空间的深基坑工程随之增加，这使得深基坑工程在技术和经济上对整个建筑施工起着举足轻重的影响。近几年，孝感市基坑支护设计与施工工艺也得到了不断地发展，开挖5．0～6．0 m的基坑设计和施工都日渐成熟。根据周边环境的不同特点，目前孝感地区常用的基坑支护方案有放坡开挖、土钉墙、排桩以及桩锚等形式，随着开挖深度的加大及相关规范［1-3］的出台，锚杆施工不得出红的限制，较成熟的桩锚支护必然要被桩撑等内撑支护形式所取代。

1 工程概况

1．1 建筑概况

孝感市汇金国际大厦工程位于孝感市文化路以北、北京路步行街以西。该项目由一栋27F办公楼及一个整体地下室组成(两层)，总建筑面积约36 000 m2，建筑结构类型为框架—剪力墙结构。

1．2 基坑概况

基坑平面呈矩形，周长约220．0 m，实际开挖面积约2 854．96 m2。东侧为富康小区道路，道路宽7．60 m，外侧为富康小区2F别墅;东南侧距离5F湖北银行7．60 m;南侧为文化东路，距离4．40 m;西侧距离孝南区财政局办公楼2．20 m;北侧距离6F工行宿舍楼14．85 m;基坑东侧冠梁外边线1．2 m为一Φ85天然气管道，埋深0．8 m;基坑南侧冠梁外边线2．30 m有2根Φ110天然气主管，埋深 0．8 m，13．80 m 外为国防光缆。

总体来说，该基坑为深基坑，处于闹市区，环境紧张，周边环境复杂。基坑开挖时需对周边建筑及管线进行保护，具体见图1。

图1 基坑周边环境布置图Fig．1 Layout chart of surrounding environment of foundation pit

1．3 地质概况

根据勘察报告，场地原为小区用地，较为整平，地貌上属老环河II级阶地，主要基坑围护设计参数见表1。

表1 基坑支护岩土参数表Table 1 Geotechnical parameter of foundation pit support

岩土工程勘察报告显示，与基坑密切相关的岩土层主要为:(1)素填土层，结构松散，土质不均匀，强度低;(2)粉质粘土层，硬塑—坚硬状态，工程性能好;(3)粉质粘土夹粉砂层，粉质粘土呈可塑状态，粉砂呈松散状态，工程性能一般，为(2)层的相对软弱下卧层;(4-1)层中细砂层，呈中密—密实状态，工程性能较好;(4-2)层砾砂层，呈中密—密实状，工程性能较好。基坑底部主要位于第(4-1)层中细砂层内。各土层的分布埋藏及主要特征见表2。

表2 土层的分布埋藏及主要特征表Table 2 Distribution burial soil and main features

1．4 地下水条件

本场地地下水可分为两种类型:上部填土层中的上层滞水和下层赋存于砂土层中的潜水。

上层为赋存于(1)素填土层及上层滞水，其水位、水量随季节变化，主要由大气降水、生活排放水渗透补给，稳定水位埋深为0．6～1．4 m，对应的绝对标高为22．31～23．05 m;下层为赋存于砂土层中的潜水，勘察期间，测得其水位埋深为9．8 m，对应标高为14．19 m，根据地区经验，该地下水的年变化幅度约为2 m左右;上下层地下水之间因粘性土阻隔而无水力联系。

2 基坑支护设计方案

2．1 工程特性

本工程是当地一个重点和难点工程，具有以下几个明显的特性:

(1)基坑周边环境复杂，紧邻已有建筑，无放坡空间，必须垂直开挖。

(2)基坑施工过程中需保护的老旧建筑物、市政道路及周边地下管线，对变形控制要求较高。

(3)基坑开挖面积虽不大，但基坑开挖深度较大，业主对工程造价和工期要求均较高。

(4)当地＞10．0 m的基坑较少，且无桩撑施工先例。

2．2 基坑支护设计原则及目标

(1)基坑支护设计原则。鉴于本工程的复杂性与特殊性，必须以岩土力学作为理论基础，以信息化施工法，现场监测的资料作为反馈信息，借助工程经验，对设计方案等进行再验证，及时补充、修改原设计，采用动态设计、信息化施工的方法。

基坑设计的整个过程综合考虑设计、施工、工期、造价、气候等诸因素，采用动态设计法及信息化施工法，以达到优化设计、降低造价和缩短工期的目的。

(2)基坑支护设计目标。①基坑支护设计的首要目标是确保坑内工程桩及周边建筑、环境的安全。②基坑支护设计必须充分考虑支护体施工工期，目标是在安全的前提下尽可能地缩短施工工期。③在满足安全可靠、技术可行、工期较短的前提下，充分利用一切有利条件，优化支护设计方案，尽可能降低造价、节省投资。

2．3 方案优化选择

深基坑工程是一个集地下水控制、土方开挖、基坑支护及周边环境保护于一体的综合科学。其核心是基坑周边环境保护，这也是基坑设计的主要目标之一。

(1)地下水控制系统。根据勘察报告，结合孝感当地经验，且本基坑施工时处于枯水季节，影响基坑施工的主要为赋存(1)层素填土中的上层滞水。基坑开挖时，对于上层滞水可采用明排措施解决。

(2)基坑支护及周边环境保护系统。本工程基坑周边环境极为复杂，邻近的建(构)筑物变形控制要求高，同时，由于基坑开挖深度较深，故整体上以采用桩撑支护结构。

针对不同地段基坑开挖深度的差异以及基坑周边环境的不同，本着满足环境保护及变形要求的原则，设计时将基坑边坡划分为若干个不同的支护单元，对各单元的支护方案在定性分析的基础上进行定量计算分析。然后对整个围护系统进行典型类比分析和综合集成分析，要求每个单元既满足自身的环境保护及变形要求，又能与相邻单元协调一致。基坑西侧作为基坑支护的重点部位，设计时通过在支护桩间采取高压旋喷措施，以防止由于桩间土的流失，使基坑外侧建筑造成不均匀性沉降。

在整个基坑设计与优化过程中，充分考虑了孝感当地基坑工程设计与施工经验，认真进行了分析研究。

2．4 各区段支护设计方案

(1)基坑支护桩设计。支护桩桩型采用钻孔灌注桩，桩身砼采用C30强度等级混凝土，基坑各段支护平面见图2、图3。

(2)冠梁设计。支护桩顶设置冠梁，增加桩排的整体刚度。

冠梁弯矩取最大弯矩设计值1 203．7 kN·m。冠梁尺寸为1 000 mm×800 mm，混凝土采用C30混凝土，受弯主筋采用HRB400级螺纹钢，主筋9×Φ25，上下面筋2×2Φ25，箍筋A8@200 mm。

图2 基坑支护平面布置图Fig．2 Plane arrangement chart of foundation pit support

(3)换撑设计。逆工况涉及到换撑的设计，考虑到地下室结构与支撑布置高度，除车道处外的逆工况设计外，整个基坑施工过程中需要进行两次换撑。

第一次换撑与地下结构底板施工同时进行，换撑截面根据底板边与支护桩边间距进行调整，暂定为500 mm×1 500 mm。

(4)拆撑。支撑梁采用控制爆破法进行拆除，必须坚持先换撑、回填再拆撑的原则，梁身施工应预留药眼(见图4)。为避免爆破时对冠梁有撕裂性破坏，应采用小孔径(d=40 mm左右)，密布孔(300～400 mm)多段微差爆破技术，拆除按先连梁，再次梁，最后主梁的顺序进行，冠梁与支撑梁的连接处先切割隔开，保证冠梁及边坡强度不受破坏。支撑爆破拆除应由具有相应资质的单位实施，确保坑内外的安全，同时注意保护周边环境。

(5)立柱设计。为了减小支撑长细比，同时为了承受支撑的自重及施工误差引起的偏心而产生的弯矩，在支撑中部设置立柱。立柱下段12 m采用灌注桩，桩顶标高为基础承台底标高，立柱桩配筋为12Φ20。上部采用4L140×140δ14等边角钢焊接成支架，角钢下端插入灌注桩2．6 m。钢架在承台中段设计止水片一道。

图3 基坑支护剖面图Fig．3 Profile of foundation pit support

图4 支撑预留炮眼详图Fig．4 Detailed drawing of pre-mold of blasting hole

(6)桩间土处理。帷幕的设置能有效地控制桩间水土流失问题，但桩间存在的土体，特别是上部杂填土还是会因干裂或遇水剥落。为控制桩间土体的剥落，在桩间采取挂钢筋网喷射砼进行处理。在支护桩上打入Φ12膨胀螺栓焊接固定钢筋网片。

(7)坡顶底排水设计。为防止地表水从坡顶渗入边坡，需要对坡顶以外1 m范围内的地面进行硬化，坡顶排水沟沿硬化带布设，排水沟内净空规格为300 mm×300 mm，沟壁采用素喷C20砼硬化处理，沟底坡率为 1．5‰。

坡底排水沟沿坑底坡脚设置，且应在基坑开挖至基底前形成。基坑开挖后应在基底做盲沟排水，主要为疏排坑内积水、保护基底土层。排水沟规格为300 mm×300 mm。

坡底设置集水井，集水井应设在基坑拐角处(长边可在中间增加集水井)。集水井规格800 mm×800 mm×800 mm。

(8)桩间高压旋喷。为了基坑西侧孝南区财政局3F办公楼的安全稳定，在基坑西侧支护桩间增加高压旋喷，以防止桩间土及桩间砂层的流失，造成房子的不稳定性沉降。

3 计算分析

3．1 支护桩设计计算

(1)AB段计算深度9．0 m，桩身承受弯矩值为285．0 kN·m，剪力值为145．0 kN，桩身设计弯矩值为462．0 kN·m，设计桩长 15．0 m，桩径 0．8 m，桩间距1．4 m，配筋采用16Φ25 钢筋。

(2)BC、DE段计算深度9．0 m，桩身承受弯矩值为357．0 kN·m，剪力值为182．0 kN，桩身设计弯矩值为578．0 kN·m，设计桩长 15．5 m，桩径 0．8 m，桩间距1．4 m，配筋采用18Φ25钢筋。

(3)CD段计算深度10．4 m，桩身承受弯矩值为505．0 kN·m，剪力值为245．0 kN，桩身设计弯矩值为818．0 kN·m，设计桩长 17．5 m，桩径 0．8 m，桩间距1．3 m，配筋采用24Φ25钢筋。

(4)EF段计算深度9．0 m，桩身承受弯矩值为350．0 kN·m，剪力值为169．0 kN，桩身设计弯矩值为567．0 kN·m，设计桩长 15．5 m，桩径 0．8 m，桩间距1．4 m，配筋采用18Φ25钢筋。

(5)FA段计算深度9．0 m，桩身承受弯矩值为448．0 kN·m，剪力值为219．0 kN，桩身设计弯矩值为726．0 kN·m，设计桩长 16．0 m，桩径 0．8 m，桩间距1．3 m，配筋采用22Φ25 钢筋。

3．2 支撑梁设计计算

整个基坑支撑布置形式为桁架角撑，平面布置见图5。

图5 支撑平面布置图Fig．5 Plane arrangement chart of support

根据各杆件受力情况，经过计算，在整个支撑体系中存在有2种支撑截面形式，分别用L1、L2表示。其截面形式与相关参数如下:

主支撑杆件L1截面为900 mm×800 mm，杆件长度10 400．00 mm，混凝土采用C30混凝土，支撑杆件轴力设计值4 110．00 kN，弯矩为198 kN·m，L1支撑杆件上下均配5Φ20，左右均配4Φ20，上下、左右均采用A8@200四肢箍。

次支撑杆件L2截面为600 mm×700 mm，杆件长度7 200．00 mm，混凝土采用C30混凝土，支撑杆件轴力设计值2 276．00 kN，弯矩为84 kN·m，L2支撑杆件上下均配3Φ20，左右均配3Φ22，上下、左右均采用A8@200四肢箍。

梁配筋详见图6。

3．3 立柱及钢格构设计计算

(1)立柱计算。支撑重量按1/2分担法确定，桩竖向承载力标准值=水平支撑及立柱自重+支撑活载。

图6 支撑梁配筋图Fig．6 Reinforcement drawing of support beam

节点承受支撑最大重量约656 kN，钢立架重量约30 kN。

立柱抗压总荷载标准值P=656+30=686 kN，设计值686×1．35 ×1．0=926．1 kN。立柱桩桩径 800 mm，立柱桩长为12．00 m，经验算，立柱桩抗压、抗拔均满足要求。

(2)立柱钢架验算。总荷载标准值686 kN，钢架长度取为8．60 m。立柱钢架按下端固结，上端铰接，长度系数取为0．8。立柱钢架选4支L140×14角铁，方钢缀条，间距800 mm，长410 mm，缀条宽200 mm，厚10 mm。验算结果，强度及稳定性安全系数均＞1．2。

4 工程监测

4．1 监测点布设

此次监测的主要内容有基坑的水平位移、支护结构外侧土体深层位移、立柱桩的竖向位移、支撑轴力、周边建筑变形、周边管线变形。

在点位布设时，主要考虑以下几个方面:

(1)对围护体系支撑系统中相当敏感的区域加密测点数和项目，进行重点监测。

(2)对勘察工程中发现地质变化起伏较大的位置、施工过程中有异常的部位进行重点监测。

(3)除关键部位布设测点外，在系统性的基础上均匀布设监测点。

4．2 监测结果

基坑监测工作自2014年3月10日支护桩施工开始，监测工作紧随工程进展，在围护桩及各层楼板、支撑施工时同步埋设各类监测元件、布设监测点(完成各类监测工作量见表3)，到2014年9月10日，第一道支撑破撑结束，监测数据基本稳定为止，总历时6个月。根据监测数据分析(见图7-图10)，基坑各监测点的变形数据均在设计验算范围内。

图7 基坑顶部垂直位移变化曲线(坑顶01号点)Fig．7 Change curve of vertical displacement of top foundation pit

表3 监测工作量统计表Table 3 Statistical table of monitoring workload

图8 立柱桩垂直位移变化曲线(立柱01号点)Fig．8 Change curve of vertical displacement of erect column

基坑顶部变形监测共设置15个监测点，其最大变形点为坑顶01号点(变形曲线见图7)，水平位移为9．0 mm，设计值为18．0 mm。由于该点处于电梯井处，开挖深度大于其他段的开挖深度，可能是该处土压力过大使围护桩发生位移。支撑梁应力共设置32个监测点，最大轴力监测点为支撑04号点(应力变化曲线见图9)，测得轴力为4 100 kN，设计值为4 110 kN，基本达到设计值，其他的均远小于设计值。周边建筑物沉降共布设55个监测点，最大沉降点为建筑03号点(位移变化曲线见图10)，最大位移为10．5 mm。该点位于文化路，由于该处支护桩桩间土局部流失较大，造成沉降量相对其他监测点较大。但该点沉降值与设计及规范变形允许值相比均满足要求。

图9 支撑梁应力变化曲线(支撑04号点)Fig．9 Change curve of beam supporting stress

图10 周边道路和建筑物垂直位移变化曲线(建筑03号点)Fig．10 Change curve of vertical displacement of surrounding roads and buildings

根据监测结果和工程实际情况，本基坑工程开挖所产生的变形值均在设计允许范围内，满足规范规定的一级基坑变形控制值。在基坑的开挖、换撑、回填过程中，未对周边、道路建筑造成影响，本基坑设计与施工取得圆满成功。

5 结语

(1)基坑围护桩开始施工，到拆撑完成，围护结构经受了大开挖等外力的考验，由于采取了科学的施工流程，周密的监测手段，成功地保障了周边建筑、地下管线及围护结构正常运行。根据监测结果分析，基坑监测数据与设计计算值基本吻合，也表明了本基坑方案是成功的。

(2)本设计对压杆稳定进行了深入研究，计算时结合了钢结构理论及其他相关的设计规范，通过实践证明，本次设计的支撑体系能够满足工程要求。压杆稳定的计算方法应用的成功，证明了本次支撑立柱计算方法的可行性。

(3)在设计过程中，专家提出要充分考虑内支撑力的平衡，否则可能对临近已建建筑，特别是对已有地下室外墙造成影响，在今后的设计中将借鉴本次工程的经验，不断细化和完善设计理念。

(4)本基坑方案为孝感市第一例采用内支撑支护形式的基坑，内支撑支护方案在实际应用中获得成功，为今后在孝感地区的基坑工程设计、施工、监测等提供了可借鉴的经验。

(5)通过计算值与监测值的对比，实测变形值均小于设计值，并且大部分远小于设计值。数据表明，本设计在满足安全可靠、技术可行的前提下，还可以充分利用一切有利条件，进一步优化支护设计方案。为在以后类似项目的设计中提供借鉴。

(6)基坑设计是一项复杂、严谨、综合性很强的工作，涉及岩土、结构等多方面的学科，不确定因素很多。这就要求在设计和施工过程中要认真仔细，考虑每一个可能影响的因素，同时特别要注重现场环境的调研，遵循“信息法”原则，勤监测，勤巡视，及时反馈信息，并根据信息指导施工、优化设计。只有本着对人民群众生命财产高度负责的态度，才能设计出安全可靠的方案。

［1］ 中华人民共和国住房和城乡建设部．建筑基坑工程技术规程:JGJ 120—2012［S］．北京:中国建筑工业出版社，2012．

［2］ 湖北省住房和城乡建设厅，湖北省质量技术监督局．基坑工程技术规程:DB42/T159—2012［S］．武汉:湖北省建设工程标准定额管理总站，2012．

［3］ 武汉市城乡建设委员会．武汉市基坑工程设计文件编制规定:WBJ-1—2014［S］．武汉:武汉市城乡建设委员会，2014．