深厚軟土地區地下立體車庫深基坑設計與變形分析

蔡豐錫，張振凱，鄭亞寧

(浙江嘉華建筑設計研究院有限公司，浙江 瑞安 325200)

0 引 言

隨著我國城市化進程的不斷推進，大量人口向城市中心流入和集聚，城市中心交通擁堵和停車位短缺問題日益嚴峻，為了解決這些問題與矛盾，一些城市利用城市形象提升的契機在市中心綠地、老小區空地或休閑廣場修建地下立體車庫。伴隨著地下立體車庫的快速發展，其深基坑工程也向著更深更復雜方向發展，給深基坑設計和施工帶來更大的難度和挑戰，尤其是在深厚軟土地區。本文結合實際工程案例，對深厚軟土地區類似工程的設計方案選型、施工措施以及變形控制進行了詳細的闡述，積累了寶貴的工程經驗，為地下立體車庫的發展提供支撐。

1 工程概況

此次研究對象為擬建的瑞安市安陽路地下立體車庫，工程位于瑞安市安陽路和塘河北路交叉口。地上建筑為2層，地下停車層數為4層，框架結構，工程樁采用鉆孔灌注樁，基坑開挖深度為11.15～11.45 m，電梯井坑等深坑開挖深度為12.85 m。

基坑開挖深度范圍內，淺層為素填土和黏土硬殼層，兩者合計厚度1.7～3.4 m，下部為2-1淤泥和2-2淤泥，兩者合計厚度為21.2～25.0 m，淤泥層往下為厚度在25.0～32.0 m黏土層。開挖影響深度范圍內所取原狀土樣做水平、垂直滲透試驗和剪切試驗，土的黏聚力с、內摩擦角Φ通過固結快剪試驗得到，經數理統計后得到以下基坑支護計算所需地基土參數指標(表1)。

表1 基坑支護地基土設計參數表

本基坑工程周邊環境非常復雜，東側為楊家橋河，基坑與河道之間距離為1.55～7.45 m，河道水面較地面低約1.2 m，水深約2.5 m，該河道駁坎為漿砌駁坎，修建于20多年前；南側為塘河北路，基坑與道路之間距離約為10.5 m，道路下埋設有給水管、煤氣管和電力；西側為已建安陽路，道路寬度約為20 m，基坑與道路紅線之間最小距離為1.94 m，安陽路下埋設有雨水管、電力、給水管、污水管和煤氣管；北側為公園綠地，屬于本次綠地改造提升范圍?；涌偲矫鎴D如圖1所示。

圖1 基坑總平面圖

2 基坑方案選型

2.1 工程特點

從基坑的形狀、開挖深度、地質條件以及周邊環境來分析，該基坑工程具有以下4個特點：

(1) 本基坑開挖深度為11.15～12.85 m，開挖深度范圍內影響土層自上而下依次為雜填土層、黏土層、淤泥層和黏土層，其中淤泥層厚度為21～25 m，含水量高達65.1%，呈流塑狀，抗剪強度極差、承載力極低，易出現坑底土體隆起現象，基坑設計中需充分考慮場地地質條件的不利影響。

(2) 場地西側為已建安陽路，安陽路作為瑞安市南北交通主干道，平時交通流量大且道路剛完成提升改造，同時道路下有較多地下管線(包括給水管、燃氣管等壓力管線)分布，在基坑開挖期間需予以重點保護，要求本基坑設計需充分控制圍護體的側向變形和穩定，確?；娱_挖和地下室施工期間道路的正常使用。

(3) 基坑東側為河道，圍護設計需對基坑采取有效的防滲漏措施，防止強降雨期間河水漲幅對基坑施工的不利影響。同時，由于河床埋深與地面高差較大，而西側主干道平時車流量較大，導致東、西兩側主動土壓力不平衡，需考慮采取適當措施消除其不利影響。

(4) 基坑與周邊用地紅線之間距離極小，且基坑地處瑞安市中心地段，場地狹長，給基坑施工和出土帶來很大不便，將大大增加施工工期和基坑暴露時間，給基坑安全帶來不確定因素。

2.2 基坑圍護方案選型

綜合考慮本基坑開挖深度、周邊環境和地質情況，可考慮的圍護方案有：

(1) 方案一：地下連續墻加兩道鋼筋混凝土內支撐方案；

(2) 方案二：排樁加兩道鋼筋混凝土內支撐方案；

(3) 方案三：排樁加三道鋼筋混凝土內支撐方案；

(4) 方案四：排樁加一道鋼筋混凝土+兩道預應力組合型鋼內支撐方案。

典型設計剖面如圖2所示。

2.2.1 方案一

即地下連續墻加兩道鋼筋混凝土內支撐方案。該方案圍護結構剛度大，對周邊環境變形控制相對比較有利，但施工技術要求較高，工程造價也高，為確保地下室外墻不滲水，常需設置襯墻，這樣既增加了費用，也減小了地下室空間。

2.2.2 方案二

即排樁加兩道鋼筋混凝土內支撐方案。該方案屬傳統的基坑圍護方式，技術工藝成熟，施工質量有保障，但由于本工程開挖深度較深，設置兩道鋼筋混凝土內支撐，第一道支撐與第二道支撐、第二道支撐與開挖面之間的距離均超過5 m，圍護樁樁徑取為1 000 mm和1 100 mm，并結合被動區加固的情況下，經計算，圍護結構深層土體變形達51.8～59.50 mm，樁身彎矩達1 700～1 987 kN·m，對周邊環境控制比較不利，且樁身配筋過大不經濟。

2.2.3 方案三

即排樁加三道鋼筋混凝土內支撐方案。該方案屬于方案二的優化版本，通過設置三道鋼筋混凝土內支撐，減小第一道支撐與第二道支撐、第二道支撐與第三道支撐、第三道支撐與開挖面之間的距離，尤其是第三者，通過對支撐在豎向上的合理布置，可使土體變形得到有效控制，同時樁身彎矩又比較小，從而達到安全性和經濟性的最佳平衡，圍護樁樁徑取900 mm和1 000 mm，僅在關鍵部位設置被動區加固，被動區加固僅作為安全儲備考慮。經計算，圍護結構深層土體變形為50.0～59.8 mm，樁身彎矩為1 368～1 910 kN·m，變形控制和樁身配筋較方案二均有優勢。

圖2 典型設計剖面圖

2.2.4 方案四

即排樁加一道鋼筋混凝土+兩道組合型鋼內支撐方案。該方案屬于方案三的優化版本，將下面兩道內支撐調整為預應力組合型鋼內支撐，通過在鋼支撐上設置預應力或設置軸力伺服系統能更好地控制圍護結構變形[1]。但由于施工機械不能碰壓鋼支撐系統，同時本工程體型狹長的特征無法滿足盆式開挖的條件，只能采用先撐后挖的挖土方式。本工程基坑開挖深度范圍內基本均為流塑性淤泥，這將給基坑土方開挖帶來很大的難度，且本地區無該工藝成熟的施工隊伍。

綜合考慮施工便利、周邊環境、工程造價和工程進度等各方面因素，本工程確定采用方案三，即排樁加三道混凝土內支撐的支護形式。

2.3 基坑設計控制要點

2.3.1 止水帷幕

本工程基坑開挖深度較深，單軸水泥攪拌樁自身工藝限制無法滿足施工質量要求，因此本工程止水帷幕可采用三軸水泥攪拌樁或高壓旋噴樁?？紤]本工程緊鄰已建道路和河道，河道駁坎修建年代久遠工程質量難以保障，同時，三軸水泥攪拌樁施工需占用的空間較大，對場地承載力的要求也較高，臨近河道施工時存在安全隱患，故本工程采取高壓旋噴樁作為止水帷幕。但是高壓旋噴樁施工對周邊環境存在一定的影響[2]，且圍護結構與河岸距離過小，高壓旋噴樁施工存在漿液滲漏污染環境問題，因此在道路側與河道側高壓旋噴樁平面采取嵌樁的方式布置，施工工藝則采用定向擺噴的方式，以減小高壓旋噴樁施工對周邊環境的不利影響，布置方式如圖3所示。

圖3 高壓止水帷幕平面布置圖

另外，本工程基坑開挖面以下尚有10～15 m淤泥層，淤泥土層靈敏度高，相關工程案例表明坑底流塑性土體在機械開挖擾動后會在圍護樁間流動[3]，因此需對止水幕墻的入土深度提出一定的要求，本基坑設計采用繞止水帷幕底抗隆起穩定安全系數大于1.0的設計方法，以避免或減小坑外土體由圍護樁間向坑內隆起的可能性。

2.3.2 基坑漂移

本工程基坑東側為河道且河床埋深較大，而基坑西側安陽路平時車流量大、交通荷載大，造成東西兩側主動土壓力非常不平衡，如不采取有效的工程措施將導致基坑整體向東側漂移。本基坑設計采用在基坑東側河道處堆填沙包以增加該側主動土壓力，同時，在基坑西側道路側增設被動區加固以增加該側被動區土體抗力[4]，盡量減少基坑東西兩側主動土壓力的差異。另外，在基坑應急措施中明確圍護結構如發生反向變形時應及時在主動區增加沙包或土包進行反壓，確?；觾蓚葔毫Φ钠胶夂妥冃蔚目煽?。

2.3.3 淺層變形控制

本工程基坑距離西側安陽路最小距離僅1.94 m，開槽施工圍護樁和施工冠梁與第一道支撐時，需充分考慮開槽施工可能造成的淺層地表變形，本基坑設計將第一道支撐頂標高與現狀地表做平，盡量減少開槽施工的深度以控制淺層變形。

3 基坑監測結果與變形分析

為確?；拥陌踩捅Ｗo基坑周邊環境，在整個施工過程中對基坑進行了全過程監測，實行動態管理和信息化施工并為優化設計提供依據。本工程共設置：9個深層土體水平位移監測孔，每層布置6個軸力監測點，4個立柱沉降觀測點，12個坑外地表沉降及水平位移監測點，12個圍護樁樁頂位移監測點，周邊地下管線、駁坎等布置19個監測點。監測工作從基坑土方開挖開始到地下室施工完成肥槽回填完成而結束，累計測量次數為132次。

根據設計計算要求，土體深層位移報警值為60 mm。根據現場監測結果顯示，開挖至底板墊層底時基坑周邊布置的9個測斜孔CX1～CX9的最大水平位移值分別為50.11 mm、52.43 mm、52.30 mm、47.95 mm、59.72 mm、61.50 mm、62.92 mm、56.65 mm，水平位移累計值基本在深層位移報警值之下或稍稍超出報警值一點，與設計計算結果基本吻合。以河邊測斜孔CX3和道路側測斜孔CX7為例，實測值與計算值對比如圖4所示，根據實測結果可知，河邊側各孔實測位移均小于計算值，道路側各孔實測位移基本與計算值持平，筆者分析其原因主要為河邊實際超載小于設計計算采用的15 kPa。

圖4 測斜孔CX3/CX7計算值與實測結果對比

地下室結構完成時測斜孔CX1～CX9的最大水平位移值分別為70.25 mm、57.29 mm、64.09 mm、57.34 mm、85.87 mm、86.86 mm、83.22 mm、83.35 mm、85.92 mm，除河道側以外，其余各側測斜孔水平位移累計值均超出規范規定的變形允許值0.5%h[5]、深層位移報警值和理論計算值較多，筆者分析出現這種情況的主要原因有以下幾點：

(1) 基坑東側距離河道很近，最小距離僅1.55 m，而且河道駁坎修建年代久遠現狀質量較差，基坑東西兩側土壓力存在較大不平衡，基坑存在整體漂移的情況，根據河道側測斜孔CX2～CX4實測結果(圖5)可以發現，圍護樁樁頂變形均有向基坑外發展的情況。因此，被動區加固等措施無法從根本上解決基坑受力不平衡的問題，此消彼長，道路側變形發展大大超出預期，由于西側安陽路剛完成改造提升，基礎整體性較好，在安陽路西側路緣石處發現約10 mm裂縫。

(2) 大量深厚軟土地區的深基坑工程實踐表明[6，7]，軟土存在流變性，基坑圍護結構變形隨著開挖暴露時間的延長而增加，同時，在附加交通動載的作用下，軟土流變效應尤為明顯。根據本工程施工日志可知，本基坑開挖期間由于中高考、渣土消納后場緊缺以及臺風天氣等客觀因素，在基坑開挖后出現累計約1個月的停工情況，大大增加了基坑暴露時間，道路側實際累計變形均超計算值約30%。

(3) 基坑西側安陽路為瑞安市南北向交通主干道，車流密集，設計考慮的25 kPa超載偏小，這些交通動載對流塑性土體的作用主要分為兩個部分，一方面造成土體的壓縮變形，另一方面對高靈敏度土體的擾動，隨著基坑實際暴露時間的增加，土體變形發展進一步加劇。

(4) 本基坑場地原為城市街頭綠地，地表雜填土最大厚度達3.2 m且含粒徑較大塊石，導致本工程圍護結構成樁質量和垂直度難以得到保障，根據現場開挖出來的情況可以發現，個別圍護樁露筋情況明顯，個別圍護樁垂直度遠超規范要求，致使被動區加固樁與圍護樁無法貼合且圍護樁之間凈間距過大存在樁間流土的情況，加大了坑外土體變形量。

圖5 測斜孔CX2～CX4實測結果

4 結束語

瑞安市安陽路地下立體車庫工程開挖深度深、土質條件差和周邊環境復雜，圍護設計采用鉆孔灌注樁加三道內支撐的支護體系是合理可行的，采用嵌樁式定向擺噴的高壓旋噴樁作為止水帷幕取得了預期效果。采用繞止水帷幕底抗隆起穩定安全系數大于1.0的設計方法，能有效減小坑底隆起風險和隆起量。被動區加固等措施不能從根本上解決基坑兩側土壓力不平衡問題，基坑存在整體漂移可能，加劇基坑變形的發展，以后類似工程中需予以重視。深基坑開挖過程中高靈敏度軟土的流塑性同樣不容忽視，尤其是基坑周邊存在附加動載的情況下，本案道路側深層累計變形超設計計算值約30%。對于深厚軟土地區深基坑工程，圍護樁施工過程中樁身垂直度控制尤為重要，垂直度控制不力將導致圍護樁間凈距加大，樁間土拱效應無法抵抗主動土壓力引起的樁間流土情況，從而加劇基坑變形的發展和對基坑周邊環境的不利影響。