城区复杂地质条件下深基坑支护方案研究

闫尚德，张鑫

（中国水利水电第三工程局有限公司，西安 710000）

1 引言

城市地下空间开发和大量高层建筑建设促使深基坑工程的规模和深度不断加大，在城市建筑物密集区的深基坑工程也越来越多。深基坑周围既有建筑物密集，管线道路错综复杂，施工场地狭窄是处在城市建筑密集区深基坑工程的显著特点。如何优化选择一种既能保证深基坑开挖施工过程中的安全稳定性，又能取得较好经济效益的深基坑支护结构方案，一直以来都是基坑工程研究的首要问题。同时，在城市中的深基坑工程开挖要求严格控制开挖对周围环境的影响，因此，综合考虑安全、经济和环境评价等各方面因素探索深基坑支护优化设计方法，解决深基坑开挖引起的城市环境地质问题无疑具有重要的理论意义和工程实践价值。

2 工程背景

牛栏江滇池补水出口（瀑布公园）—七水厂—松华坝连通应急供水工程是构建昆明主城区城市供水及生态环境用水的供水保障网水源连通工程。工程位于昆明市盘龙区龙泉街道，引水流量7.3 m3/s，为Ⅲ等中型工程。工程由取水口、输水管道、提水泵站、提水管道和高位水池等主要建筑物组成。工程从瀑布公园上池取水，通过输水管道自流至提水泵站进水池，经泵站提水后通过提水管道引水至高位水池，为昆明市七水厂、一水厂及五水厂供水。

结合昆明市盘龙区总体规划要求，工程提水泵站采用全地下式泵站。提水泵站基础主要置于圆砾层中，该层厚度较深，局部夹杂有粉质黏土，力学强度指标小，承载力不能满足需求。同时，由于泵站长期处于振动状态，可能会导致局部底层液化从而影响泵站稳定性。提水泵站开挖基坑坑壁主要由杂填土层、黏土层、有机质土层及圆砾层组成。泵站开挖基坑坑壁均位于地下水位以下，基坑存在渗（涌）积等不利工程问题。基坑开挖过程中，坑壁地基土层在开挖扰动及渗（涌）积水浸泡下，基坑坑壁土层易于软化、泥化，易产生片帮垮塌，基坑坑壁稳定性差[1]。

3 基坑支护方案选择

牛栏江滇池补水出口（瀑布公园）—七水厂—松华坝连通应急供水工程泵站型式为全地下式，泵站基坑开挖深度较深（14.5 m），按JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》[2]，提水泵站基坑支护结构的安全等级为二级。

泵站基坑支护结构选型时，应综合考虑下列因素：（1）基坑深度；（2）土的性状及地下水条件；（3）基坑周边环境对基坑变形的承受能力及支护结构一旦失效可能产生的后果；（4）主体地下结构及其基础形式、基坑平面尺寸及形状；（5）支护结构施工工艺的可行性；（6）施工场地条件及施工季节；（7）经济指标、环保性能和施工工期。

针对基坑开挖深度大于12 m 的深基坑，基坑支护的方式通常有：（1）灌注桩加支撑；（2）SMW 工法(即水泥土搅拌桩、墙）；（3）地下连续墙；（4）逆作法、半逆作法[3]。

地下连续墙施工主要优点是振动小、噪声低，墙体刚度大，防渗性能好，对周围地基无扰动，可以组成具有很大承载力的任意多边形连续墙代替桩基础、沉井基础或沉箱基础。同时，地下连续墙对土层的适应范围很广，在软弱的冲积层、中硬地层、密实的砂砾层以及岩石的地基中都可施工。综合考虑本工程泵站基坑深度、地质条件及地下水条件、基坑周边建筑物分布、基坑平面尺寸及形状（矩形，55 m×27.5 m×14.5 m）、施工工期紧等因素，选用地下连续墙作为本工程提水泵站基坑的支护结构。

根据统计的国内外基坑深度与地下连续墙厚度的关系如图1 所示。

由图1 可以看出：地下连续墙厚度取值一般取0.5 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.5 m。调研样本中使用地下连续墙围护的基坑共38 个。其中，厚度为0.8 m 的地下连续墙应用最多，为22个。厚度为0.5 m 的和1.5 m 的地下连续墙应用最少，均为2 个。厚度1.0 m 的和1.2 m 的地下连续墙应用较少，均为6 个。采用地下连续墙作为围护结构的基坑，深度分布范围为12.8～49.8 m。当基坑深度为12.8～30 m 时，地下连续墙的厚度普遍0.8 m，少量采用了0.5 m 和1 m 的厚度；当基坑深度大于30 m时，地下连续墙厚度均在1.0 m 以上，当基坑深度超过40 m时，地下连续墙体厚度可达1.5 m。综上所述，类比类似工程，本工程提水泵站基坑地下连续墙厚度选择0.8 m。

图1 基坑深度与地下连续墙厚度关系

4 基坑支护方案设计

4.1 支护结构设计

泵站地下连续墙沿泵站墙体外围布置，地下连续墙厚0.8 m，其中主泵房部分69.5 m 范围内地下连续墙嵌固深度18 m，电气副厂房部分21.59 m 范围内地下连续墙嵌固深度12 m。地下连续墙共分40 幅，采用C35 混凝土（抗渗等级W8），地下连续墙开挖之前设导墙，导墙采用C25 混凝土，连续墙顶部设2.3 m×1.5 m 的C35 钢筋混凝土冠梁。冠梁顶部高程为EL.1 910.30 m，底部高程为EL.1 908.00 m，冠梁底部与地下连续墙顶部齐平。

地下连续墙共设置3 道水平支撑，布置高程自上而下为1 908.90 m、1 904.00 m 及1 900.00 m，其中第一道支撑采用1 800 mm×1 000 mm（主泵房部分）及1 500 mm×800 mm（电气副厂房部分）的C35 钢筋混凝土支撑，第一道钢筋混凝土支撑与泵站主体结构的撑梁采用“永临结合”的方式布置。第二道支撑采用直径609 mm，壁厚16 mm 的钢支撑，其中主泵房部分布置13 根直撑，6 根斜撑，电气副厂房部分布置2 根直撑，4 根斜撑，钢支撑与地下连续墙之间采用双拼Ⅰ45c 的钢围檩连接。第三道支撑采用直径609 mm，壁厚16 mm 的钢支撑，全部布置于主泵房范围内，共布置13 根直撑，7 根斜撑。在第一道钢筋混凝土支撑竖撑与横撑的交点处设置格构柱，格构柱采用4L160 mm×16 mm 角钢焊接，尺寸为460 mm×460 mm，共布置21 根。为满足泵站主体结构沉降要求，泵站基础设置φ800 mm 的混凝土灌注桩，共布置73 根。

4.2 支护结构计算

4.2.1 计算说明

基坑稳定数值模拟计算过程为边挖边撑，挖至基坑底部时浇筑主体混凝土，拆撑之前在主体结构上面换撑之后再拆撑，计算开挖及主体结构浇筑过程中连续墙及支撑结构稳定。

4.2.2 计算原则

1） 围护结构的安全等级为二级，基坑侧壁重要性系数γ0=1.10；变形控制标准如下：地面最大沉降量≤0.2%H（H 为基坑深度）；支护结构最大水平位移≤0.3%H[4，5]。

2）围护结构应满足基坑稳定要求，不产生倾覆、滑移和局部失稳，基坑底部不产生管涌、隆起，支撑体系不失稳。围护结构构件不发生强度破坏。围护体系应保证周边建（构）筑物、城市道路、地下各类管网不致位移、应力过大而损坏，必须保证其安全。

3）基坑开挖及内部结构施工全过程必须保证基坑安全和正常使用。

4.2.3 计算参数

1）土层参数：泵站基础范围内土层计算参数如表1 所示。

表1 土层计算参数

2）基坑周边荷载：地面超载取：20 kPa。

3） 基坑围护结构主要材料：混凝土及导墙：C25；冠梁：C35；地下连续墙及内衬结构：C35（抗渗等级W8）；钢筋：受力钢筋及分布钢筋均采用HRB400， 箍筋及拉筋均采用HPB300。

4.2.4 1-1 剖面（电气副厂房部分）计算结果

1）1-1 剖面（电气副厂房部分）计算工况见表2。

表2 1- 1 剖面（电气副厂房部分）计算工况

2）整体稳定计算：整体稳定安全系数Ks=1.975＞1.30,满足规范要求。

3）抗隆起验算：Ks=2.906≥1.900，坑底抗隆起稳定性满足。

4）流土稳定验算：安全系数K=3.418≥1.50，满足规范要求。

5）嵌固深度构造验算：根据公式:嵌固构造深度= 嵌固构造深度系数×基坑深度=0.3×11=2.7 m；嵌固深度采用值12 m≥3.300 m，满足构造要求。

6）地表沉降：地表最大沉降量20 mm＜0.2%H=22 mm，满足变形控制标准要求。

7）结论：电气副厂房部分基坑开挖及主体结构浇筑过程中地下连续墙及支撑结构均满足规范要求。

4.2.5 2-2 剖面（电气副厂房部分）计算结果

（1）2-2 剖面（主泵房部分）计算工况见表3。

表3 2- 2 剖面（主泵房部分）计算工况

2）整体稳定计算：整体稳定安全系数Ks=1.975＞1.30，满足规范要求。

3）抗隆起验算：支护底部抗隆起安全值：Ks=8.593≥1.600，抗隆起稳定性满足；坑底抗隆起安全值：Ks=2.817≥1.900，坑底抗隆起稳定性满足。

4）流土稳定验算：K=3.381≥1.50，满足规范要求。

5）嵌固深度构造验算。根据公式：嵌固构造深度= 嵌固构造深度系数×基坑深度=0.2×14.5=2.9 m，嵌固深度采用18 m≥2.9 m，满足构造要求。

6）地表沉降：地表最大沉降量26 mm＜0.2%H=31.4 mm，满足变形控制标准要求。

7）结论：主泵房部分基坑开挖及主体结构浇筑过程中地下连续墙及支撑结构均满足规范要求。

5 现场监测数据分析

本工程泵站基坑施工过程中，共布置如下监测点：（1）地表沉降监测点17 个；（2）冠梁竖向位移监测点19 个；（3）冠梁水平位移点16 个；（4） 地下水位孔2 个。本工程泵站基坑施工从2019 年12 月初开始，至2020 年5 月中旬结束，现把2020 年03 月31 日至2020 年05 月3 日时段内的监测数据进行分析，监测成果表如表4 所示，测点数据曲线图如图2~ 图5 所示[6]。

图2 地表沉降曲线图

图5 地下水位曲线图

表4 监测成果表

该时段内共进行了31 次监测，其中地表沉降累计变化量值9.7 mm，冠梁竖向位移累计变化量值-4.1 mm，冠梁水平位移累计变化量值-4.9 mm，地下水位累计变化量值4.6 mm，各测项监测数据变化量和累积量较小，均远小于累计控制指标±30 mm 的预警值，监测数据无异常。

图3 冠梁竖向位移曲线图

图4 冠梁水平位移曲线图

6 结语

本文结合牛栏江滇池补水出口（瀑布公园）—七水厂—松华坝连通应急工程提水泵站基坑工程，详细研究了以下几个方面的内容：（1）综合对比各种基坑支护方案的优缺点及收集国内外基坑工程的相关资料，结合本基坑工程位置及地质条件，合理选择了适用于本工程深基坑的支护方案；（2）对深基坑支护方案进行了详细的设计，通过数值模拟手段论证了支护方案的合理性及安全性；（3）实时收集现场监测数据，通过对监测数据的分析，进一步论证了基坑支护方案的可靠性。上述研究成果可为为类似基坑工程设计提供参考。