深厚软土地区紧邻既有高层建筑物的城市下穿隧道基坑的设计分析

陈继灿

[济南市市政工程设计研究院(集团)有限责任公司广州分公司,广东 广州 510000]

0 引 言

在珠三角区域,中山市是软土主要分布的城市。该地的软土主要是②层的沉积性淤泥质土,其特征是高含水率、高压缩性、流动性好以及抗剪切强度低等。[1]在这种土质下开挖基坑带来的风险问题比较多,环境影响也相对较大。[2]本文以中山市的某城市下穿隧道基坑项目为研究对象,详细阐述了临近既有高层建筑的隧道基坑工程的设计及施工中的要点和困难以及实施效果,对其他工程来说具有较好的借鉴意义。

1 项目概况

1.1 基坑概况

工程位于中山市石岐区,隧道总长1.299 km。目前项目分两个阶段施工,先施工段起于岐峰路东侧(K0+420),至岐港公路(K0+760),合计340 m。基坑呈长条形,基坑开挖深度7.5～11.6 m。北侧紧邻已建的高层住宅区,南侧为未开发的地块,正在整平场地,地形开阔。基坑与周边环境关系如图1所示。

图1 基坑与周边环境关系图

1.2 工程地质

拟建场地位于珠江三角洲平原中部地区,属冲积平原地貌。第四系土层为填土、冲积土、残积土;基岩为燕山期地层,岩性为花岗岩。各土层的物理力学性质参数见表1。

表1 岩土参数表

2 基坑难点分析

(1) 地质差:基坑地基土属于珠三角地区典型软土,软土为灰黑色的淤泥质土,②-1层平均厚度为12.6 m,②-4层平均厚度为4.4 m,不仅厚度大,而且分布广。基坑开挖深度大多位于②-1层的深度内,基坑支护及土方开挖难度较大。

(2) 地下水位高:勘察稳定水位埋深0.2～3.01 m,虽然②-6粗砂层中为潜水,但仍存在支护桩和止水帷幕施工打穿该粗砂层后,沿着桩位突涌的风险。

(3) 周边环境保护:基坑北侧临近已建3栋30层高层住宅和1层地库,距离基坑边7.6～10.54 m,位于1倍基坑深度影响范围内,保护要求高。

3 支护方案

3.1 支护措施

由于基坑开挖超过8 m,基坑北侧已建建筑物须重点保护,软土深厚,因此根据地区基坑设计及施工经验,综合比较方案的经济性和合理性,支护结构采用直径1.0 m钻孔灌注桩@1.3 m+内支撑+三轴搅拌桩止水的方案。具体剖面图如图2所示。

图2 基坑支护剖面图

3.2 剖面计算

现行规范并未明确规定如何处理桩基础建筑基底附加荷载的问题,参考《河南省基坑工程技术规范》(DBJ 41/139—2014)第5.5.5条:作用于既有建筑基底(桩基础底远超基坑底)的超载值q1可按基底天然承载力特征值的10%～20%取用。[3]②-1层淤泥质土天然地基承载力特征值为60 kPa,本剖面计算按照20%计算,即12 kPa,考虑一定安全储备,按照20 kPa计算,得到支护结构最大水平位移为15.89 mm。同时下文通过数值模拟计算,检验该条文中取值的合理性。

4 模型计算

4.1 计算模型

本次采用PLAXIS有限元软件对距离基坑较近的11#、12#的高层住宅区域在基坑开挖阶段进行模拟分析。本研究模型范围长132.5 m,宽125 m,如图3所示。

图3 整体模型轴视图

土体本构模型采用HSS硬化土小应变本构模型[4,5],参数如表1所示。结构与土体之间的接触面强度参数在原状土强度的基础上按0.7考虑[6,7]。按照实际施工工序进行模拟,共分为11个施工工况,见表2。

表2 计算工况

4.2 计算结果

(1) 根据模拟结果,支护结构最大位移发生在工况7基坑开挖至基坑底时,支护结构水平变形为9.854～10.35 mm,如图4所示。在拆撑过程中,变形结构变化不大,主要因为隧道地板施工后,可以有效控制支护结构位移。

图4 水平位移(工况7)

(2) 本次计算主要关注基坑开挖对临近的11#和12#建筑的影响。通过查看桩基的变形情况,桩基础在基坑开挖过程中的总位移为4.274 mm。查看位移监测点的数据情况,如图5所示。随着基坑的开挖,桩基变形逐渐增大,而且有2个明显的位移增加的过程,这与两次开挖工况是相对应的,在底板浇筑完成后,基坑位移基本稳定,但后续的换撑时,基坑位移有一定增加,但增量较小。比较11#和12#监测点位移,12#楼距离基坑更近,受到的影响相对敏感,但总体上基坑开挖对桩基础的影响是很小的。

图5 数值模拟监测点位移变化

4.3 监测数据分析

本段工程共进行了130次监测,监测点布置如图6所示。监测数据显示,当基坑挖掘到基底,围护桩(S17～S23点)的水平向形变范围为9.96～17.09 mm。这与有限元计算及剖面计算的结果是基本一致的,也从侧面验证了剖面计算时对于既有桩基础建筑基底(桩底远超基坑底部)的超载值q1可按基底天然承载力特征值的10%～20%取用是合理的。

图6 建筑物监测点布置图

10#～12#高层住宅沉降监测共布置24个点(J17～J40),每栋建筑设置8个。在基坑施工过程中,10#住宅监测点沉降值为2.95～5.15 mm,11#住宅监测点沉降值为3.61～5.73 mm,12#住宅监测点沉降值为5.09～8.28 mm。实际沉降远小于设计控制值24 mm的要求。与模拟结果比较,实际沉降与模拟结果比较一致。从变化趋势看,以J31、J32点监测数据为例,其沉降变化趋势与模拟结果基本是一致的,如图7所示。

图7 建筑沉降观测

5 结 论

(1) 本工程为中山地区紧邻既有高层建筑深基坑的典型案例。在深厚软土地区基坑支护结构选用刚度较大的钻孔灌注桩+内支撑体系,结合地下水控制措施,并严格按照施工方案进行开挖,能取得较好的支护效果。监测数据结果表明,高层建筑整体沉降相对均匀,沉降较小,且远小于沉降控制值,满足基坑对周边环境的保护要求,为周边类似项目提供参考。

(2) 验证了规范条文中对于既有桩基础建筑基底(桩底远超基坑底部的情况)的超载值q1按基底天然承载力特征值的10%～20%取用是合理的,说明其他地区的规范对于本地区的基坑设计是有参考价值的。

(3) 有限元计算在预测基坑开挖对周边环境的影响方面是有指导意义的,但要得到合理、可信的分析结果需要工程师对土体本构模型的优缺点及参数确定有清晰的认识,并基于工程实践规律对分析结果的合理性进行判断。