软土地区基坑变形控制措施研究

梅海青

(上海申元岩土工程有限公司,上海 200011)

0 引言

近年来,随着工业化、城市化进程推进,我国城市地下空间开发利用进入快速增长阶段,并逐渐呈现大规模趋势。与之相应,基坑工程也取得了飞速的发展。目前基坑工程愈来愈呈现出以下特点：①基坑数量越来越多；②基坑面积大、基坑深度深；③基坑周边环境保护要求高。基坑施工过程中怎样保证基坑以及周边保护对象的安全成为确定围护设计方案的关键因素。在地层较好的地区(如可塑、硬塑黏土地区,中等密实以上的砂土地区,软岩地区),基坑开挖所引起的周围地层变形较小[1]；而软土地区(如上海、天津、福州、宁波等沿海地区)工程地质和水文地质条件相对较差,土体具有高含水量、高压缩性、低渗透性及流塑等特性,基坑变形往往较大,基坑施工过程中变形控制更为困难。

1 基坑变形控制措施

通过分析软土地区多个基坑工程的实施情况,控制基坑变形的措施主要通常包括：

(1)合理的围护结构选型。围护结构的选型往往决定基坑工程的成败,周边环境保护高的工程应选用变形控制能力强的板式围护结构结合内支撑体系。

(2)增大围护结构的刚度。在周边环境保护要求高的区域可选用钻孔灌注桩、地下连续墙等刚度较大的围护结构。

(3)支撑布置加强。一般位于地铁、历史保护建筑等重要保护对象周边的基坑工程支撑形式多采用对撑布置形式,且支撑竖向布置进行加密。

(4)被动区加固。土体加固可改善土体的物理力学性能、提高被动区土体抗力、减小基坑的变形及增强基坑的稳定性。土体加固多采用水泥土搅拌桩、高压旋喷桩或注浆等措施,少数变形控制要求高的项目也采用设置混凝土素墙。

2 工程概况

2.1 结构概况

某商业办公项目用地面积9815m2,拟建建筑物包括两栋9～10层办公楼,下设两层地下室。基坑形状呈L型,开挖面积约7870m2,基坑挖深11.5～13.0m,集水井局部落深1.5m,电梯井局部落深2.5～2.7m。

2.2 环境概况

本工程位于上海市黄浦区,周边环境情况如下：

(1)北侧地下室外墙距离用地红线约3.0m,红线外为宽约22m的规划会馆街。

(2)东侧地下室外墙距离红线约3.0m。红线外为中山南路及南浦大桥引桥。中山南路下有正在运行的轨道交通4号线通过,地铁隧道埋深约22.3～28.6m,距离本工程地下室约31.4m。红线外道路下有大量的信息、配水、供电等市政管线,距离地下室约11.4m～21.7m不等。

(3)南侧地下室外墙距离红线约3.0m,红线外是宽约16m的规划东江阴街。

(4)西侧地下室外墙距离红线约3.0m,红线外是宽约16m的规划青龙桥街。基坑西南角为一历史保护建筑—商船会馆,该建筑始建于1715年,为上海市文物保护单位。会馆总体分为大殿和戏台两部分,戏台为一幢两层砖木结构房屋,大殿为一幢单层砖木结构房屋。

总体来看,本工程周边分布有地铁隧道、历史保护建筑等众多保护对象,环境保护要求要求高。

周边环境概况可参见图1。

图1 基坑周边环境总图

2.3 地质概况

本工程场地浅层土层为①杂填土、①1粘质粉土、④淤泥质粉土、⑤1-1粘土、⑤1-2粉质粘土及⑥粉质粘土层组成。基坑开挖范围内以上部填土及深厚粉土土为主,基坑开挖面以下为淤泥质土层,场地内深厚的粉土层渗透性强,易出现渗漏及流砂现象,需重点考虑基坑止水设计。相关物料力学指标参数见表1。其中φ及c值为勘察报告提供的固结快剪峰值指标。

场地浅部土层分布有潜水,其补给来源为大气降水及地表水入渗补给,以大气蒸发为主要排泄方式,水位埋深一般在0.50～1.00m。

表1 土层物理力学指标

3 基坑设计

3.1 基坑围护选型

本工程在围护设计选型时有以下几点需重点考虑：①本工程周边存在地铁隧道、历史保护建筑等保护对象,变形控制要求高；②基坑挖深较深；③浅层地基土为软弱土层。

按照上海市《基坑工程技术规范》[2]要求,本工程安全等级为二级；地铁及商船会馆侧环境保护等级为一级,围护体变形控制值为20mm(1.8‰H),其他区域环境保护等级为二级,围护体变形控制值为34mm(3‰H)。

通过比较分析,本工程围护体系选用板式围护结构结合多道内支撑。

1)挡土结构可考虑采用Φ900@1100钻孔灌注桩与800厚地下连续墙,两种围护结构变形计算如图2。

图2 钻孔灌注桩与地墙变形计算结果

通过计算可知,采用800厚地墙最大变形25.0m,Φ900@1100钻孔灌注桩最大变形31.0mm,地墙变形为钻孔灌注桩变形的81%。考虑周边保护要求,围护结构采用800mm地下连续墙。

2)本工程一般区基坑挖深11.5m,类似工程支撑竖向布置多采用两～三道水平支撑,两种支撑布置形式围护结构变形计算如图3。

图3 支撑竖向布置变形计算结果

通过计算可知,竖向布置三道支撑围护体最大变形25.0m,发生在开挖面附近,竖向布置两道支撑围护体最大变形28.8mm,开挖面以上围护体变形均超过20mm。考虑周边保护要求,本工程基坑内部设置三道水平支撑。

3.2 挡土结构设计

本工程一般区挖深11.5～13.0m,本工程挡土结构采用800厚地下连续墙,地墙长度24.5～30.0m,地墙混凝土强度等级为C35(水下)。

本工程场地分布有较厚粉土,该土层渗透性强,渗透系数约2.0E-05cm/s,为保证地墙成墙质量,地墙两侧采用Φ850@600三轴水泥土搅拌桩槽壁加固,外侧搅拌桩套接一孔法施工,内侧采用搭接施工,搅拌桩水泥掺量20%,搅拌桩桩长17.0～25.5m。

围护剖面如图4所示。

图4 支护剖面图

3.3 加固结构设计

通过计算可知,一般区围护体变形约31.0mm,被动区加固后围护体变形减小至约25.0mm,变形减小约20%。两种形式围护结构变形计算结果如下图所示：

图5 围护变形计算结果

本工程东侧为地铁4号线区间隧道,西北角为商船会馆。邻近上述保护对象侧采用被动区裙边加固,加固桩采用Φ850@600三轴水泥土搅拌桩,加固自第二道支撑至坑底以下5m,水泥掺量20%。第一道支撑至第二道支撑采用10%水泥回掺,以保证加固空搅土体的强度不低于原状土。

此外,考虑平行于地铁隧道边长约130m,为减小基坑跨中变形,本工程基坑中部设置一道800mm厚素地墙,自第一道支撑至坑底以下5m范围设置,素地墙随着基坑开挖凿除。

加固平面布置如图6所示。

图6 加固平面图

3.4 支撑结构设计

本工程基坑面积约7870m2,呈L形,东西长约114m,南北长约130m。结合基坑形状,支撑平面布置形式可采取角撑、对撑结合边桁架以及对撑为主布置形式。两种支撑形式计算对比分析如下(图7，图8)。

图7 支撑平面布置图

图8 第二道支撑变形计算图

支撑平面位移计算采用平面杆系有限元法,将围护剖面在支撑点的计算轴力作为荷载施加在支撑四周的围檩上。从计算结果可以看出,角撑+对撑布置形式支撑变形最大值约27.5mm,第二道支撑采用对撑为主布置形式变形最大计算值约20.0mm,变形可减少27%。

4 工程监测结果

本工程面积大,开挖深度较深,周边环境保护要求较高,为充分了解基坑施工过程中围护结构受力和变形情况以及对周边环境的影响,根据规范[2]要求,在基坑施工过程中进行了大量的信息化监测。本文主要选取代表性测斜变形监测点进行对比,分析不同条件下围护结构的变形特点。

表2 典型测斜孔变形表

根据基坑监测结果：①围护墙测斜孔最大水平变形为56.5mm,最大变形发生在南侧西部,与计算位置基本吻合。②测斜孔最小变形为CP04监测孔,变形为30.0mm,最小变形在东

北角。③裙边加固区变形约40.0mm,墩式加固区变形约50.0mm,被动区加固效果明显。④基坑跨中变形大于角部变形。⑤素地墙设置可有效控制跨中区测斜变形。

5 结语

本文以软土地区具体工程为背景,通过计算分析及监测结果可知：

(1)基坑围护设计应根据周边保护要求确定针对性的选型,增大围护体刚度可有效减小基坑变形；

(2)被动区加固是控制基坑变形的有效措施；

(3)合理的支撑布置形式也可有效减小基坑变形。

(4)基坑跨中易出现变形过大情况,进行围护设计时需重点考虑变形控制。

[1]刘国斌,王卫东.基坑工程手册[M].第二版,北京:中国建筑工业出版社,2009.

[2]DG/TJ08-61-2010.基坑工程技术规范[S].2010．