复杂环境条件下的深基坑支护设计与分析

张萌萌

（上海勘察设计研究院（集团）有限公司 上海 200082）

0 引言

随着我国城市化进程的加快，城市地下空间开发工程发展迅速。越来越多的基坑工程呈现出周边环境复杂敏感的特点［1-4］，进行此类基坑支护设计时，需结合周边环境条件、工程地质条件、水文地质条件、基坑轮廓、施工要求等情况，进行围护方案比选，确保周边环境安全、支护方案经济合理［5-7］。本文对上海地区某周边环境复杂的深基坑的设计方案、计算结果进行了介绍，分析比选了不同影响因素对基坑变形的影响规律［8-9］，以期为类似基坑工程的设计提供参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

某工程位于上海市普陀区，总建筑面积14 385 m2，其中地上建筑面积10 032 m2，地下建筑面积4 353 m2。本项目地上为4～5层的3 栋办公楼，地下1层整体地下室，主体结构形式为框架结构。各塔楼及地库的基础形式为桩基承台+防水板，其中工程桩为钻孔灌注桩。主楼区域工程桩持力层为⑦细砂层，地库区域工程桩持力层为⑤3粉质粘土层。本工程的基坑普遍区域挖深为7.0 m，基坑开挖面积为4 500 m2，尺寸为105 m（长）×43.5 m（宽）。

1.2 周边环境

基坑周边环境较为复杂，其中南侧、西侧、北侧均有已建住宅，建筑年代均为20 世纪90年代。

基坑南侧共3 栋已建住宅（砖混结构），其中1 栋住宅楼（7层）基础形式为200 mm×200 mm 预制混凝土方桩复合桩基，桩长16 m，基础持力层为⑤1粘土层；另外2 栋住宅楼（6层）基础形式为天然筏基，基础埋深2.1 m。基坑开挖边线距离住宅边线的距离约为11.70～14.05 m。

基坑西侧有2 栋已建住宅（7层砖混结构），基础形式为复合桩基，基坑开挖边线距离住宅边线约14.24 m。

基坑北侧共有2 栋已建住宅（砖混结构），基础形式为复合桩基。基坑开挖边线距离住宅边线最近处约17.96 m。

基坑西侧南侧有已建小区围墙，距离基坑开挖边线约 5.5～6.2 m。

基坑东侧有高架路，项目所在位置为高架起坡处，基坑开挖边线距高架边线最近处约34.69 m。道路下分布有给水、信息等市政管线，与基坑开挖边线的最近距离为37.05 m。

1.3 工程地质条件

拟建场地属长江三角洲滨海平原相，本场地缺失上海地区第③层灰色淤泥质粉质粘土。拟建场地内原有建筑物已拆除，现为空地，地势较平坦。

基坑开挖深度影响范围内的土体主要为填土、粘土、粘质粉土、淤泥质粘土等，具体参数详如表1所示。

表1 土性力学性质指标表Tab.1 Physico-mechanical Index Table

2 基坑支护设计

2.1 基坑特点

综合分析场地地理位置、土质条件、基坑开挖深度及周围环境的影响，本工程具有以下特点：

⑴本工程基坑开挖面积约4 500 m2，挖深7.0 m，开挖面积一般，挖深较深。

⑵基坑周边环境复杂，基坑南侧、西侧、北侧三面均分布有6F～7F 住宅楼，基坑东侧为市政道路，基坑设计施工中应确保周边建筑物和道路的安全，采取相应措施对其保护。

⑶施工空间紧张，基坑西侧南侧距离已建小区围墙仅5.5～6.2 m。

⑷基坑开挖影响深度范围内涉及的土层主要为：②1粘土层、②3粘质粉土层、④层淤泥质粘土层。②3层粘质粉土层，渗透系数为1.0E-04 cm/s，渗透系数较大，在动水作用下易形成管涌、流沙现象，对基坑开挖有一定影响，对止水帷幕要求较高。④层土为典型的饱和软粘土，土质软弱，具流变特性，容易产生坑底隆起，该类土土性较差，对控制基坑变形不利。

2.2 基坑支护方案选型

根据上海地区类似工程经验，周边环境保护要求较高且施工空间紧张的情况下，基坑工程的围护方案一般选择SMW 工法、钻孔灌注桩。

考虑基坑周边环境复杂，且西侧南侧距已建小区围墙很近，施工空间狭小。SMW 工法桩施工时对周边环境有影响，且型钢拔除时会对周边环境产生二次变形，不利于周边环境保护。故本工程围护选型为钻孔灌注桩+三轴搅拌桩止水帷幕+1道水平支撑。

2.3 基坑支护方案介绍

⑴围护体系：普遍区域采用φ 800@1000 钻孔灌注桩挡土，桩长18.0 m；贴边深坑处（落深1.4～1.6 m）采用φ 850@1 050 钻孔灌注桩，桩长22.0 m。采用3φ 850@1 200 三轴搅拌桩止水帷幕，桩长14.0 m，钻孔灌注桩与止水帷幕间设置压密注浆。

⑵支撑体系：水平向设置一道混凝土支撑，考虑场地狭小，方便材料堆放及车辆行走，设置一道南北向栈桥。栈桥下立柱采用4L140×14 格构柱；立柱桩采用φ 800 钻孔灌注桩，桩长25 m。非栈桥区域立柱采用4L125×12 格构柱；立柱桩采用φ 700 钻孔灌注桩，桩长17 m。

南侧靠近浅基础房屋处，为控制基坑变形，设置斜抛撑换撑。换撑型钢为H400×400×13×21，平均间距5.0m。

⑶坑内加固：为控制南侧区域围护变形，基坑底设置双轴搅拌桩裙边加固，加固宽度5.2 m，加固深度自坑底以下5.0 m；加固体在坑底以上低掺量上翻至混凝土支撑底。

3 支护结构变形分析

本文对典型剖面进行计算分析。典型剖面1（见图1a）基坑外侧房屋为浅基础，房屋本身抗变形能力差，引起的地面超载很大。为控制基坑变形，在混凝土支撑拆除前需增设型钢换撑。典型剖面2（见图1b）基坑外侧房屋为复合桩基，房屋抗变形能力相对较强，复合桩基的存在使得房屋引起的地面超载相对小；仅设置1道混凝土支撑即可满足对周边环境保护的要求。

3.1 围护剖面计算分析

根据文献［10］，基坑设计安全等级为二级，基坑周边环境等级为三级。根据规范要求，基坑围护结构最大侧移限值为0.5%H。考虑到基坑周边房屋年代久远，为加强对周边房屋的保护，设计时对有房屋侧环境要求适当提高。基坑外侧房屋为浅基础处，围护侧向变形按照二级环境保护等级考虑，即基坑围护结构最大侧移限值为0.3%H；基坑外侧房屋为复合桩基处变形要求在此基础上适当放松，最大侧移控制在24.5 mm 以内。

对围护体系采用基坑设计计算软件FRWS8.2 进行验算，围护桩内力及变形如图2所示，稳定性计算结果如表2所示。由计算结果可知：各剖面计算位移及稳定性均满足规范要求。

3.2 基坑变形影响因素分析

基坑围护变形的主要影响因素包括坑边超载（含邻近建筑、工程堆载及车辆荷载）与基坑的距离、围护桩插入比、围护桩直径、坑边加固形式等。

本文以基坑典型剖面2 为例，选取超载（本工程中为周边房屋超载）与基坑边距、围护桩插入比（坑底以下部分桩长/基坑挖深）、围护桩直径3 种变量因素进行计算，分析不同变量对基坑变形的影响。

由图3可知，坑边超载在（0～1）H 范围内对基坑变形影响最为显著，超载引起的附加变形为基坑变形值的0.4～0.1 倍；在此范围，随着超载距离增大，围护变形呈指数下降。坑边超载在（1～2）H 范围内对基坑变形影响较为明显，超载引起的附加变形为基坑变形值的0.10～0.05 倍；坑边超载在2H 以外对基坑变形影响较小。

图1 基坑围护典型剖面Fig.1 Typical Section of Foundation

图2 围护桩内力与变形计算结果Fig.2 Internal Force and Deformation Calculation Results

表2 稳定性计算汇总表Tab.2 Stability Calculation Summarization

图3 坑边超载/基坑挖深与围护变形关系图Fig.3 Relationship between Pit Side Overload/Foundation Depth and Retaining Pile Deformation

由图4可知，基坑变形随着插入比的增大有减小趋势，当插入比增大到一定程度后，基坑变形不随插入比的增大进一步减小；基坑变形绝对数值随围护桩插入比变动幅度不大。本工程计算结果表明：基坑为地下1层且外侧超载较大，围护桩插入比由整体稳定性指标控制。

由图5可知，随着围护桩桩径的增大，基坑变形显著减小。可见：对于类似本项目的基坑增大桩径可显著控制基坑变形，但围护设计时需兼顾安全性及经济性，设计时可对不同桩径进行比选，将基坑变形控制在合理的范围内。

图4 基坑围护插入比与围护变形关系图Fig.4 Relationship between Foundation Pit Insertion Ratio and Retaining Pile Deformation

图5 围护桩直径与围护变形关系图Fig.5 Relationship between Retaining Pile Diameter and Retaining Pile Deformation

5 结语

⑴本工程位于上海软土地区，土质条件差，周边环境复杂，设计采用了钻孔灌注桩加一道钢筋混凝土支撑的设计方法，经实践证明，基坑围护及周边房屋变形量很小，取得了良好的效果。可为类似基坑工程支护设计提供参考。

⑵基坑外侧超载与基坑边的距离对基坑变形影响显著，有条件的情况下，施工超载尽量远离坑边设置。坑边超载在（0～1）H 范围内对基坑变形影响最为显著，超载引起的附加变形为基坑变形值的0.4～0.1倍；坑边超载在（1～2）H 范围内对基坑变形影响较为明显，超载引起的附加变形为基坑变形值的0.10～0.05倍；坑边超载在2H 以外对基坑变形影响较小。

⑶基坑变形随着插入比的增大有减小趋势，当插入比增大到一定程度后，基坑变形不随插入比的增大而进一步减小。

⑷围护桩桩径增大对于变形控制效果显著。基坑设计时应合理选择变形控制目标，对不同桩径进行比选，将基坑变形控制在合理的范围内，兼顾基坑工程的安全性与经济性。