软土地基深基坑支护方案优化案例

上海建瓴工程咨询有限公司 上海 200032

1 工程概况

复旦大学新建江湾校区物理科研楼项目基坑总面积8 793 m2，围护总周长约390 m。基坑普遍区域开挖深度6.10～7.10 m，局部深坑落深1.50～2.25 m。

该场地四面均为校区道路，道路下方分布有十多根地下管线，周边环境条件相对较复杂，对道路下方管线的保护要求较高，特别是场地北侧的天然气管、南侧电力管线距离基坑较近。

本工程位于长江三角洲入海口东南前缘，地貌类型属滨海平原地貌。根据该工程岩土勘察报告，拟建场地在勘察深度75.00 m范围内揭露的地基土均属第四纪沉积物，主要由黏性土、粉性土及砂土组成。根据野外钻探、原位测试及室内土工试验资料分析，场地为古河道分布区，沉积了较厚的第⑤层，缺失第⑥层暗绿色粉质黏土。

该工程场地条件具有以下特点：

1）透水性强。基坑坑底为第②3层灰色黏质粉土，该层土透水性较强，在动水压力下易产生流砂、管涌等现象，对基坑开挖有不利影响。

2）坑底位于软土层中。基坑坑底以下的第③层淤泥质黏土，由于该层土呈饱和流塑状，因此对基坑整体稳定性极其不利。

3）拟建场地内普遍分布有第①层杂-灰黄色填土，厚度一般为2.7～3.5 m，局部厚度较大，达4～5.1 m，以杂填土为主，夹大量碎石、碎砖等建筑垃圾及少量生活垃圾；局部夹黏性土、少量植物根茎及小碎石等杂物，土质松散且不均匀。

2 基坑初始支护方案

2.1 初始支护方案

根据本工程基坑开挖深度及规模，从技术及经济角度考虑， 基坑初始设计方案拟采用φ650 mm型钢水泥土搅拌墙围护，内插500 mm×300 mm的H型钢，型钢插一隔一或插二隔一布置，坑内沿竖向设1道钢筋混凝土水平支撑。鉴于本工程基坑形状东、西向对称的特点，支撑平面布置中拟在基坑对称轴处设南、北向对撑，将基坑分为东、西2块，并在各分块内的南、北侧布设大角撑[1-3]。围护结构和支撑平面布置见图1。

图1 支撑平面布置示意

2.2 初始方案存在的问题

基坑初始支护方案确定后，通过综合分析发现该方案存在下列问题：

1）边界条件复杂。该工程基坑呈沿南北向中间轴左右对称分布，基坑东、西、北3侧存在较多凹口，造成基坑边界阳角众多。由于基坑阳角处有两侧土体出现临空面，应力状态异于规则深基坑开挖面，对地表应力水平位移、地下水位变化以及支护体系刚度等因素更为敏感。

2）围护结构桩径偏小。由于该工程浅层主要为②3层黏质粉土，该土层的渗透系数较大，而初始方案中φ650 mm型钢水泥土搅拌墙的桩径较小，不利于基坑的抗渗流作用。

3）角撑数量多，角撑覆盖面积大。初始方案在基坑4个角部均设有4个大面积的角撑，造成基坑支撑平面布置中角撑数量多、覆盖面积大。而角撑与钢筋混凝土围檩斜交，造成角撑与钢筋混凝土围檩节点处同时承受压力和剪力作用，不利于支撑受力。

3 方案调整优化

针对初始方案存在的上述问题，我们对原设计方案提出了如下调整意见：

1）调整基坑各边的边界线布置，尽量将基坑各边线的凹口拉直，以简化基坑边界形状，减小基坑边界的阳角数量，并在阳角部位增设坑内被动区加固，以利于基坑支护和变形控制。

2）将型钢水泥土搅拌墙围护的桩径增大至φ850 mm，增大了围护体的刚度，从而提高围护结构的抗变形能力和抗渗性能。

3）调整支撑平面布置，加强东西向和南北向的对撑，减少角撑的覆盖面积，并增大了基坑支护结构的整体性，从而利于基坑的时空效应控制，减小对周边环境的影响。

经上述调整后，基坑的围护和支撑平面布置见图2。

图2 调整后支撑平面布置示意

4 计算结果对比

方案调整前后，分别对基坑围护结构的受力和变形进行了计算分析，计算结果详见表1。将调整前后的2个方案的计算结果进行对比分析，发现方案调整优化后，围护结构的刚度增加，其受力明显增大，围护结构的位移变形明显减小，支护结构受力、变形更加合理。

由于该工程为不规则基坑，计算中将基坑的内框架支撑体系与挡土结构共同组成一空间结构体系，二者共同承受土体的约束及荷载的作用，按空间框架模型计算该空间结构体系的变形及受力。从支撑平面布置来看，方案调整后，支撑的平面位移变形整体减小[4-6]。

表1 方案调整前后围护结构计算结果

5 基坑监测结果

根据调整后的基坑支护方案，施工单位将坑内土分2层进行开挖，首层土方开挖至支撑底，二层土方开挖至坑底。其中首层土方采用东西两侧向中间、由北向南退挖；二层土方结合底板后浇带位置，分为18个分块，土方开挖采用自北向南退挖的方式进行，并在一个分区挖土和底板施工完成后，再进行下一个分区的土方开挖。基坑开挖前采用轻型井点降水，其中井点结合挖土分块进行布置。

经现场监测，截至底板浇筑完成工况，实测围护体系深层最大侧向变形为35 mm，小于累计报警值±45 mm；支撑最大轴力为2 886 kN，小于监测报警值3 000 kN；围檩最大侧向位移18.12 mm，小于累计报警值±45 mm。上述监测结果显示，通过对基坑关键技术的优化，基坑施工满足安全性要求，并减小了基坑施工过程中对周边环境的影响。

6 结语

在任何基坑施工方案确定过程中均应根据场地的现场条件，简化基坑的边线布置，减少基坑的不规则程度，使基坑的边界条件更有利于基坑变形控制和施工操作。

软土地区地基土具有强度低、含水量高、流变性大的特点，软土地区基坑变形是支护结构体系、基坑范围内土体、基坑施工、周边环境情况等多种因数相互作用的综合反映。故应根据基坑自身特点选择适用的围护结构和支撑布置，加强围护结构的刚度和抗变形能力，同时也便于基坑施工，以有效减小基坑施工对周边环境的影响。