佛山市某深基坑设计方案选择及实践应用

陈海东

（1 建材广州工程勘测院有限公司；2 中国建筑材料工业地质勘查中心广东总队）

0 引言

随着社会发展，城市建设如火如荼，建设规模不断扩大，对地下空间也日益重视。地下停车场、地铁等基坑项目屡见不鲜，基坑面积越来越大，开挖也较深。珠三角地带，由于其特殊的地理环境和地质构造，软土发育，覆盖土层较厚，基坑开挖既要满足安全稳定，又要保证土体的变形不能影响既有管道和建筑物的使用，同时还要兼顾经济性和施工难易性，因此对基坑支护设计提出了很高的要求。结合佛山某基坑项目，通过支护方案选型和分析，探讨基坑设计的要点。

1 概况

1.1 工程概况及周边环境

拟建南海桂城某项目位于佛山市南海区桂城海八路北侧，中央大街以南，东面为华翠北路，西面为宝翠北路，基坑形状较规则，呈矩形状，基坑周长901.8m，设3层地下室，基坑开挖深度为14.50m。本基坑支护结构安全等级为一级，基坑环境等级为一级[1]。

基坑周边环境及建筑物：基坑位于佛山市南海区，基坑东侧距建筑用地红线5m，红线东侧为华翠北路，坑顶存在地下管线，管线距基坑5.6m；基坑南侧距红线5～10m，距红线约100m 为佛山地铁，坑顶存在地下管线，地下管线距基坑4m；基坑西侧为宝翠北路，距基坑6m 处，为一2 层售楼部，坑顶存在地下管线，管线距基坑1.5～4m；基坑北侧距红线10m，红线外侧为中央大街，坑顶存在地下管线,地下管线距3.5m。四周均为市政主干路，管线多为燃气、高压电缆、自来水和通信管线。

1.2 工程地质条件

地基土主要由填土（Q4ml）、第四系冲积层（Q4al）、残积土（Qel）及第三系（E）基岩泥质粉砂岩，自上而下分层为：

1 杂填土：全场分布。灰色，杂色，主要以粘性土、细砂及建筑垃圾为主，部分钻孔顶部为混凝土面，大部分呈松散状，未经压实。

2-1 淤泥：全场28 个钻孔揭露。灰色，饱和，流塑为主，局部软塑，含有机质，韧性中等，部分钻孔夹有粉砂。

2-2 粉细砂：全场42 个钻孔均有揭露。灰色，灰黄色，灰白色，饱和，松散～稍密，局部中密，石英质，棱角形，局部含淤泥质粉砂。

2-3 淤泥质土：全场33 个钻孔揭露。灰色，饱和，流塑～软塑，含有机质，腐殖质，干强度中等，韧性中等，局部含淤泥质粉砂。

2-4 粉质黏土：全场仅2 个钻孔揭露。褐黄色，青灰色，以黏粒为主，含少量粉粒，稍有光泽，干强度高，韧性中等，湿，可塑为主。

2-5 粉细砂：全场30 个钻孔揭露。灰黄色，灰白色，青灰色，饱和，稍密～中密，局部密实。石英质，棱角形，局部含淤泥质粉砂。

2-6 淤泥：全场仅6 个钻孔揭露。深灰色，饱和，软塑为主，局部含有机质，腐殖质，干强度中等，韧性中等。

3 残积土：全场24 个钻孔揭露。青灰色，紫红色，原岩为泥质粉砂岩，湿，可塑。

4-1 强风化泥质粉砂岩：全场41 个钻孔揭露。紫红色，风化强烈，岩质软，手折易断，岩芯呈半岩半土状，干钻较难钻进。遇水易软化崩解。属极软岩，岩体较破碎，综合评定岩体质量级别为Ⅴ级。

4-2 中风化泥质粉砂岩：全场35 个钻孔揭露。紫红色，泥质胶结，砂状结构，层状构造，岩芯较完整，呈短柱状，局部碎块状，RQD 约为87%，遇水易软化、崩解。风化不均匀，局部夹强风化岩。软岩，岩体较完整，综合评定岩体质量级别为Ⅳ级。

4-3 强风化泥质粉砂岩：全场18 个钻孔呈透镜体揭露。紫红色,岩质疏松，性软，手折易断，岩芯呈半岩半土状,干钻较难钻进，局部夹少量中风化岩。极软岩，岩体较破碎，综合评定岩体质量级别为Ⅴ级。

4-4 中风化泥质粉砂岩：全场仅7 个钻孔揭露。紫红色，泥质胶结，砂状结构，层状构造，岩芯较完整，多呈中-长柱状，局部碎块状，岩质坚硬。较软岩，岩体较完整，综合评定岩体质量级别为Ⅳ级。

各土层物理力学指标如表1 所示。

表1

1.3 水文地质

⑴本场地地下水主要为上层滞水、孔隙潜水和基岩裂隙水等，场地地下水的补给主要来源于大气降水、地表水向下渗透补给，排泄方式以侧向径流和蒸发为主。

⑵本场地地下水较丰富，地下水涌水量受降水和地表水回渗量影响较大，选取有关水文地质参数时需充分考虑该因素。

⑶抽水试验结果得出综合渗透系数K 为1.65×10-3～2.03×10-3㎝/s，渗透等级为中等透水。淤泥为高含水、微透水层，易产生渗透变形；粉细砂和细中砂为中等透水层；其它土层为微透水层。

2 基坑支护设计要点与方案选择

2.1 设计难点

⑴基坑周边均为市政主干道，管线较多，西侧存在既有建筑物，基坑支护等级为一级，对土体变形要求严格。

⑵勘察资料显示，基坑开挖深度范围内填土层及淤泥层较厚，部分地段其厚度达16.3m，土层工程力学性质不良，自稳能力极差，易受扰动。

⑶地下水丰富且埋深较浅，渗流稳定性差，地下水控制较难。

⑷红线距基坑开挖线较近，几乎无放坡空间。

2.2 基坑支护方案分析与选型

基坑支护设计将安全可靠放在首位，结合当地基坑支护经验及施工水平，选取了适合本工程的两种方案。

⑴钻孔灌注桩作为支护桩，三轴搅拌桩作止水帷幕，两层内支撑方案。三轴搅拌桩止水效果较好，同时可以加固基坑外侧土体，提高其自稳性；大直径钻孔灌注桩加内支撑方案，可以有效地控制基坑变形和周边土体的位移，本支护选型对周边的地下空间没有占用。

⑵三轴搅拌桩止水帷幕，上部采用直立(或放坡)+三轴(大直径)搅拌桩+锚索+型钢，下部采用灌注桩+可回收式预应力锚索+三轴搅拌桩止水支护方案，坡面挂钢筋网喷C20 混凝土。外侧大直径搅拌桩和内部三轴搅拌桩结合使用，止水效果较好，两排搅拌桩中间的格栅搅拌桩改良了上部软弱土体，有效地减小了放坡的长度。大直径支护桩+可回收锚索，保证了土体位移变形，考虑到佛山对于建筑红线控制较严，采用了可回收锚索的设计。

两种方案都采用了水泥土搅拌桩作为止水帷幕，该工艺在广东省内较成熟，应用广泛，三轴搅拌桩的止水效果较好。通过理正基坑支护软件计算，这两种方案的支护结构均稳定可靠，不会发生局部或整体破坏；基坑侧壁的位移也都在容许范围值内，周边的售楼处和市政管线等不会因产生过大位移而破坏。从造价节省、方便施工等分析，内支撑的工程造价较高；同时混凝土硬化后才能起到支撑作用，因此该方案的施工工期较长；由于开挖面积较大，混凝土的收缩变形量不可忽视，对施工要求较高。综合这几点因素，本基坑支护方案选型为第二种，即大直径桩+可回收锚索+搅拌桩方案。

基坑根据资料及周边环境分11 个剖面进行支护，基坑安全等级为一级。基坑开挖范围按地下室外墙线外扩1.5m 作为防水层空间，基坑开挖深度为14.50m，基坑周边承台采取跳挖方式进行。基坑周边荷载按20kPa计算，道路荷载按40kPa 计算，基坑周边2m 范围内严禁堆载。基坑出土口为东南两侧，分别为T1-T1 剖及T2-T2 剖，经复核可作为出土口。

围护混凝土灌注桩采用φ1200@1400，插入比1:1.0，桩间挂锚固筋及竖向筋，喷射C20 混凝土。三轴搅拌桩桩端穿越砂层进入不透水层不小于1m，水泥标号采用P.O.42.5R。水泥掺入比不小于170㎏/m，水灰比0.4～.5。基坑土方开挖在桩身水泥土28 天抗压强度达到1.0MPa 后进行。内外搅拌桩为φ850@600，外侧桩长18m，内侧桩长20.7m，实际长16.7m。搅拌桩中间加固区采用格栅式搅拌桩φ550@400，加固9m，实桩长5m。锚索采用成孔采用泥浆护壁成孔，若淤泥质砂层较厚，泥浆护壁成孔困难时，可采用套管跟进；锚索成孔直径为150mm。锚杆钢筋采用HRB400 级，锚杆成孔直径为90mm，采用孔底常压注浆法，浆液水灰比为0.4～0.5，应进行补浆，以确保注浆饱满，锚杆抗拔力设计值为10KN/m。注浆材料选用0.45～0.55 纯水泥浆，水泥标号为42.5R 普通硅酸盐水泥,并加入适量的早强剂及膨胀剂，注浆体强度不低于20MPa，一次注浆压力为0.5～1.5MPa。并采用二次注浆，注浆时间可根据注浆工艺试验确定或一次注浆锚固体强度达到5MPa 后进行，注浆材料选用水灰比为0.50～0.55 的纯水泥浆，注浆压力为2～3MPa。锚索回收：待地下室完成至相应标高，回撑强度达到设计的85%后再进行锚索的回收。代表性剖面详情见图1 及图2。

图1

图2

2.3 基坑支护计算

选取8-8 剖面（HJ 段）进行验算，售楼部采用条基，基础埋深3.0m，基础宽2.4m，售楼部外墙距搅拌桩3.0m，其简化为40kPa 超载，外围附加20kPa 超载，基坑支护安全等级一级，重要性系数1.10，采用增量法计算，土压力采取水土合算（砂层采用分算法），工况采取开挖4.8m、8.3m、11.8m、14.5m 及加撑阶段分别进行计算。弯矩最大值为1984.94kN·m，剪力最大值604.41kN。详见图3。锚索采用钢绞线，水平间距1.4m，竖向间距4.3m，入射角30 度。1、2 道锚索长40m，锚固段30m，第3道锚索长36m，锚固段28m，预加力450kN，采用瑞典条分法，条分宽度0.4m，采用总应力法进行整体圆弧稳定性计算，Ks=1.887；嵌固深度满足要求。

图3 内力计算

由于该剖面处外侧有售楼部及市政管线，土体变形要求最为严格，采取了如下加固措施：外侧大直径搅拌桩中插入22b 型钢，插入深度7m，同时在该搅拌桩顶部冠梁处布设可回收锚索，采用3×15.2 钢绞线，水平间距1.2m。该两项措施作为控制变形的安全储备，计算中未予以考虑。

2.4 基坑变形分析与应对

基坑开挖后侧壁土体的变形特征与支护形式密切相关，当采用刚体支护模型（如悬臂桩支护）时，其变形呈现为基坑顶部位移大、底部位移小的三角形式的位移，基坑顶部土层的竖向位移也呈现为三角形。当采用桩锚结合的组合型支护时，其顶部的水平位移收敛，水平位移的最大值向基坑底部转移，形成类似弓形的变形特征，同时由于顶部水平位移的减小，基坑周边的竖向位移也得到了控制。详见图4。

图4

现今基坑支护设计中关于支护桩位移的计算多根据温科勒的弹性桩的内力计算方法，根据外力桩的挠曲变形微分方程来计算周边基坑土体的位移，其公式如下：

E 为桩的弹性模量，I 为桩的惯性矩，EI 为桩体刚度，q(x)是土体压力关于深度x 的函数，bs为该计算单元的宽度（可近似取桩中心距），y 代表水平向挠曲变形。由该微分方程可知，在基坑周边土体、超载、支护桩间距等条件确定的情况下，桩体刚度越大，桩的水平位移越小，因此增大支护的刚度可以有效减小水平变形。

支护结构外侧的土体变形更为复杂。Peck 通过大量的工程数据统计，提出了沉降分布曲线[2]；Mana 和Clough 于1981 年提出了稳定安全系数法，依靠某地区大量的实测数据，结合有限元法，预估外侧的变形量[3]。根据国内多位学者的研究，深基坑中，单一的被动悬臂支护体系中，墙后地表变形可近似为三角形，同时支护结构顶点的水平位移较大；采用锚拉+被动支护组合的体系，其变形复杂，多采用指数曲线[4]，锚固点距离基坑顶部越近，顶部的位移越小。

基坑周边由于建筑物和市政管线较密集，对基坑周边水平和竖向位移敏感，水平和竖向的允许变形量较小。基与控制变形的考虑，设计方案采取了加大支护体系刚度和增加端部锚索的方法，采用双排三轴大直径搅拌桩对上部填土与淤泥土层加固，改良了土体，起到稳定周边地基持力层的作用；另一方面作为止水帷幕有效地控制了地下水，保证了坑底的渗流稳定性；双排搅拌桩+内插型钢的设计，极大加强了支护结构整体的刚度，和内部大直径桩的组合，对控制变形起到了关键的作用。该处顶部冠梁的锚索设计，作为一种安全储备，虽对于整体稳定性贡献甚微，但对位移控制起到了相当作用。

基坑监测表明，其顶部水平位移均控制在20mm以内，达到了本基坑的设计要求。详见图5。

图5 支护结构顶水平位移累计曲线图

3 总结

南方地区软土层较厚，工程性质较差，深基坑的支护方案选择尤为重要。在保证安全可靠的前提下，经济效益、施工难度和工期成为方案比对的重点。本方案采用桩锚支护加搅拌桩的方案，经济效益较好，施工质量能够保证，工期与内支撑方案相比也较短。随着城市发展，建筑工程周边红线控制越来越严。佛山地区对于锚索越界的审查较严，综合考虑后，本工程使用了可回收锚索，解决了地下空间的侵占问题，施工获得了成功。深基坑设计是岩土工程的难点课题，稳定性的验算取得了很大的进步，但是土体的变形方面，由于本构模型尚不能完全模拟现实中的实际情况，有限元等计算和实际监测的数值还是有不少偏差，尚需要地方经验和工程实践去弥补。通过对该基坑支护方案的对比分析和基于位移控制考虑的几点应对措施，希望能对类似地层条件的深基坑支护设计起到一定的参考作用。