长江三级阶地超深基坑工程的应用与分析

权 威,赵小龙,朱浦栋

(1.中南勘察基础工程有限公司，湖北 武汉 430081； 2.湖北楚程岩土工程有限公司，湖北 武汉 430000)

武汉地区地处长江与汉江交汇处，市区及郊区横跨长江中游主要地貌单元，包括长江一级阶地、二级阶地及三级阶地[1]。长江二、三级阶地为老黏性土(Q3，Q2的超固结土、粉质黏土)，具有强度高、压缩性低、承载力高的特点[2-4]。在武昌汉阳的平原湖区与残丘之间，老黏土以剥蚀堆积垅岗的地貌形态分布，地形波状起伏，垅岗与坳沟相间，相当于长江三级阶地[5]。老黏土在浸水条件下均具有膨胀力，失水条件下均产生收缩变形的特性，因此在基坑开挖后，土体中应力释放，裂隙张开，各种水源会迅速浸入裂隙中，从表层浅部的土块渐进式破坏，沿裂隙面崩落、滑塌开始的。裂隙发育后，土体中应力又通过裂隙向深层作用，促使裂隙向深层发展，最终引起边坡事故。汉阳地区大部分区域地层组合为上部老黏性土，下部为泥质岩[6]，但部分地段具有完整的二元结构地层组合，上部为老黏性土并存在局部碎石夹层，下部为细、中砂，底部为卵漂砾层或碎石层，其中上部属于弱不透水层，下部含承压水层，且承压水水头较高。老黏性土层间碎石土所含层间水及下部承压水对基坑开挖存在较大不利影响[7-11]。本文以位于长江三级阶地的武汉建工科技中心基坑工程为研究对象，结合计算结果和现场监测成果，对三级阶地老黏性土基坑进行了分析研究。

1 工程概况

武汉建工科技中心位于武汉经济技术开发区创业路与沌阳大街交汇处西北角。基坑开挖平面大致呈矩形状多边形；东西向长约95 m，南北向长约100 m，围护结构总长度约400 m,开挖面积约10 000 m2；拟建物±0.000 m=36.20 m；地下为3层满铺地下室，地下室及主楼基础形式均为筏板基础。基坑周边环境如图1所示。

2 地质水文

2.1 地质条件

拟建场地地貌单元属剥蚀堆积垄岗(相当于长江冲洪积三级阶地)，场地地势较平坦，地面标高在34.91 m～37.27 m之间变化。

表1 基坑土体物理参数

2.2 地下水影响

1)浅层水影响。

本场地上层滞水赋存于①层素填土层中，勘察期间发现水量较丰富。在基坑开挖时浅部土层中的地下水会以汇水点的形式渗入基坑。同时基坑开挖过程中③-2层黏土夹碎石层含有弱浅层水，需要通过明排进行及时疏干。地下水流动可能对坑侧土体进行潜蚀破坏，引起局部土体坍塌，最终威胁基坑边坡及周边建构筑物安全。

2)承压水影响。

据勘察期间实测的孔隙承压水水头标高在16.4 m，低于基础底板标高，故基坑施工时底部不会发生突涌破坏。

3 基坑支护方案设计

本基坑重要性等级一级，设计使用期限1 a。因基坑勘测过程中地下水水量较小，本基坑不考虑止水帷幕施工。基坑东西两侧存在地面高差，其中东面地面绝对标高为35.00 m，基坑西侧地面标高为37.00 m，东西两侧相对高差为2.00 m。本基坑±0.00 m=36.20 m，坑底标高为20.80 m(地下室区)～19.80 m(主楼筏板底)17.900 m(主楼区电梯井)，基坑深度为14.20 m～17.20 m。

依据湖北省地方标准，变形控制指标Δ≤30 mm，被动区抗力系数ktk≥1.5，上部自稳边坡整体稳定性安全系数khd≥1.35。采用钻孔灌注桩+桩顶放坡卸载+1道混凝土内支撑的方案。采用φ1 000 mm@1 300 mm～1 500 mm灌注桩，桩顶卸载高度为4 m～6 m。桩顶统一高程31.00 m，桩顶卸载主要为避免圆环内支撑整体受力不均。典型基坑剖面图如图3,图4所示。基坑支护基本参数见表2。

表2 基坑支护基本参数

内支撑布置选择能充分发挥混凝土抗压性能，受力合理，经济性较好，无支撑面积最大，出土空间大和出土速度快的圆环支撑形式，对于内力传递复杂，容易应力集中的圆环边中部区域增设连系梁和现浇钢筋混凝土板，加强该区域支撑刚度，控制基坑变形。布设平面如图5,图6所示。

支撑截面参数如表3所示。

表3 支撑截面尺寸一览表 mm

4 基坑监测

根据设计要求，在基坑开挖过程中，由于地面高差、土方非对称开挖、围护墙体侧向压力差的变化等原因，基坑将发生竖向及水平位移，同时影响周边地下土体及周边管线、建筑物，因本项目不存在管井降水，因此本项目在基坑施工期间，主要进行坑外土体深层侧向变形(测斜)、桩顶水平位移、地表沉降、管线等监测。监测点布置如图7所示。

4.1 基坑高差引起的支护桩变形分析

本项目西侧与东侧高差2.0 m，且基坑西侧为项目部主要办公区及加工区，当基坑开挖到底时，基坑西侧普遍位移均较东侧及南侧大，平均高出10 mm，监测结果与计算结果趋势基本一致，如图8所示。实际监测结果均较计算结果大，基本分析为平面二维计算无法考虑时空效应；实际施工工况与设计工况有较大出入，土方开挖未分层、对称开挖；黏土夹碎石土层中含有弱浅层水的流失与冲刷，对基坑侧壁土体强度有较强软化作用。支撑环向变形基本趋势可分析为越靠近圆环薄弱处，支护桩变形越大，越靠近平面阴角部位，支护桩变形越小，环向受力情况下基坑变形由桩撑模式逐步向悬臂桩模式过渡。

4.2 非对称开挖下内支撑薄弱部位水平位移时程分析

通过分析内支撑东侧GS7、西侧GS17、南侧GS12、北侧GS2水平位移时程曲线可知：最终水平位移变形基本在25 mm附近，呈对称分布，监测结果如图9所示。但因分区分段土方开挖速度不同，造成不同点位桩顶水平位移起始点不同，但最终基本趋于一致。

5 结论

本项目根据实际工程案例，在长江三级阶地侧壁含碎石土层及下覆土层含承压水情况下，分析超深基坑开挖效果，基本结论如下：

1)老黏土具有强度高、压缩性低的特点，设计变形指标与实测指标基本一致。但是基坑工程在开挖卸荷、浸泡、干裂的外界环境下，土体强度将急剧降低，因此对于三级阶地老黏土的基坑施工，应及时进行坡面喷护，隔绝吸水膨胀，失水干缩的特性。

2)本项目位于沌阳老黏性土分布区域，综合地质成因等因素，下卧碎石混黏土层含深层承压水，水头较高，基坑施工过程中容易因地勘孔封堵不达标或抗浮锚杆施工，将深层承压水引出，从而造成事故。

3)本项目西高东低的地势起伏对环形受力有较大影响，但通过卸载减荷方式规避基坑受力不均衡，避免环形内支撑整体漂移，保证基坑安全。

4)大型深基坑支护工程，合理的支撑系统平面布置，不仅有利于后期的施工效率，在满足安全的前提下，最大化达到建设方对于工期的诉求，而且能达到最优的经济效益。