廣州設計之都基坑工程設計實例分析

楊開彪

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

隨著我國城市化水平的不斷提高，在城市建成區進行工程建設時所面臨的外部環境愈發復雜，而城市開發的高密度化又導致地下空間越來越深，如何在城市復雜環境下開展深基坑支護選型已成為城市建設的重要課題[1]。

近年來，針對緊鄰現狀建構筑物的深基坑支護選型，相關學者進行了一系列研究。高武等[2]對緊鄰地鐵盾構區間的深大基坑支護選型、地鐵保護措施、開挖方式等作了有益的分析；王翼[3]對臨近現狀廠房的泵站基坑支護選型及一體化設計進行了介紹；汪浩等[4]介紹了復雜環境及風化巖條件下臨近地鐵超大深基坑的支護選型；王海成等[5]分析了復雜環境下軟土基坑的支護選型及設計要點；付憲章等[6]對緊鄰既有住宅建筑的深基坑支護選型及應對措施進行了分析研究；肖淑君等[7]對復雜條件下超期服役深大基坑設計選型進行了綜合比選分析。

本文基于前人研究的基礎上，以廣州巖溶地區某復雜環境下大尺寸深基坑工程為例，探討了復雜環境下基坑圍護結構的選型原則及設計要點；采用多種計算軟件進行分析，并結合現場監測結果進行印證，以期為類似條件下的其他深基坑工程提供參考。

1 工程概況

本工程為廣州設計之都基礎設施綜合開發項目二期工程，項目位于廣州市空港大道以東，解放莊路以北，黃邊北路以南。項目西北側為現狀黃邊地鐵站，基坑西側緊鄰現狀空港大道，埋設有雨水、污水、電力、通信等市政管線，道路下方為廣州地鐵2 號線區間隧道，空港大道西側為廣州設計之都一期聯合基坑；基坑東側和南側緊鄰陂塘排渠；基坑北側臨近擬建卜蜂蓮花地塊。項目總用地面積為22 457 m2，該工程場地大致呈梯形，項目周邊環境圖見圖1。

圖1 項目周邊環境圖（單位：m）

本項目由4 個商業地塊和中部的地下空間組成。本項目除西南地塊設3 層地下室外，其余均為2 層地下室，基坑底面標高為廣州城建標高5.05 m（西南K1地塊局部為0.4 m），基坑開挖深度為9.95 m（西南K1 地塊局部為14.6 m）。

2 工程地質概況

2.1 地形地貌

擬建場地原地貌為珠江三角洲中上游沖洪積平原地貌單元，地面起伏變化不大，場地北側為菜地、農田、荒地，南側已被人為改造，原建有居民住房、廠房等，現已完成拆遷，存在局部低洼地勢。

2.2 地層分布

該場地地層按地質成因及力學性質依次分為：第四系人工填土（Q4ml）、沖洪積層（Q4al+pl）、殘積層（Qel）及下覆基巖二疊系（P）的炭質灰巖。各土層特征綜述如下：

（1）人工填土層（Q4ml）：雜填土（層序號1-1）呈灰褐色、灰黃色、雜色，稍濕，松散-稍密，主要以填碎石、碎磚、碎混凝土等建筑垃圾為主，以拆遷建筑垃圾舊基礎為主，局部為填黏性土及砂土，以雜填土為主，硬雜質含量大于25%，場地普遍分布的上部拆遷建筑垃圾填筑時間小于1 a，底部填筑時間大于5 a。

（2）沖洪積層（Q4al+pl）：粉質黏土（層序號2-1）呈灰黃色、褐黃色、灰色，稍濕，以可塑為主，沖洪積而成，以粉黏粒為主，含少量砂粒。該層在42 個鉆孔有揭露，部分鉆孔中呈多層分布。粉細砂（層序號2-2）呈灰黃色、灰色，稍濕，以稍密為主，局部松散，沖洪積而成，礦物成分為石英、長石，含少量黏粒。中粗砂（層序號2-3）呈灰黃色、灰褐色，稍濕，以稍密為主，局部松散，沖洪積而成，礦物成分為石英、長石，含少量黏粒。

（3）殘積相地層（Qel）：粉質黏土（層序號3-1）呈灰黃色、褐黃色、灰褐色，稍濕，以可塑為主，局部硬塑，由泥巖、砂巖風化殘積而成，以粉黏粒為主，含少量砂礫。粉質黏土（層序號3-2）呈灰褐色、灰黑色，稍濕，以軟塑為主，由泥巖、砂巖風化殘積而成，以粉黏粒為主，含少量原巖碎屑。

（4）基巖（P）：本場地基巖為二疊系（P）炭質灰巖，鉆探揭露深度內主要為強風化及中風化炭質灰巖。強風化炭質灰巖（層序號4-1）呈灰黑色、灰色，巖芯呈碎塊狀，少呈半巖半土狀，局部可見中風化巖塊，裂隙發育，原巖結構已完全破壞，礦物成分顯著變化，但尚可辨認。該層巖石堅硬程度分類為極軟巖，巖體完整程度分類為破碎，巖體基本質量等級分類為Ⅴ類。中風化炭質灰巖（層序號4-2）呈灰色、灰黑色，巖芯呈短柱狀、扁柱狀、大塊狀，隱晶質結構，層狀構造，主要由碳酸鹽礦物組成，局部可見方解石脈，風化裂隙較發育，錘擊聲脆，巖質較硬。該層巖石堅硬程度分類為較硬巖，巖體完整程度分類為較破碎-較完整，巖體基本質量等級分類為Ⅲ～Ⅳ類。

本場地54 個鉆孔中揭露溶洞的鉆孔有8 個，見洞率為14.81%，為巖溶中等發育場地。溶洞主要位于灰巖上部，平均厚度為2.63 m，溶洞以全充填及半充填為主，充填物多為黏土、碎塊狀巖塊、角礫等。

擬建場地典型地質剖面見圖2。

圖2 場地典型地質剖面圖

2.3 水文地質條件

本場地位于珠江沖洪積平原上，地勢較平坦，擬建場地內無河流、水塘等大型地表水體，東區東南側存在1 條寬約6 m 的溝渠，水質較差，水深較淺，整體水量不大?？辈焓┕て陂g，測得初見水位埋深為1.00～3.80 m，高程在12.29～14.99 m；測得穩定水位埋深為1.30～4.30 m，高程在11.79～14.45 m，本場地地下水水位變化幅度約1.00～4.00 m。地下水類型主要以填土層上層滯水、砂層孔隙水、巖層中的裂隙水及巖溶水等為主。

2.4 場地巖土層物理力學參數

場地巖土層物理力學參數表見表1。

表1 場地巖土層物理力學參數表

3 基坑圍護設計方案

3.1 基坑支護的難點

本項目基坑支護的難點如下：

（1）基坑西側與現狀地鐵2 號線區間基本平行（區間長度約178 m）,支護結構距離地鐵結構邊線約22.1～28.16 m，地鐵區間為鋼筋混凝土單箱雙室矩形結構，采用天然基礎，基礎埋深與基坑基本齊平，且本工程地處巖溶發育區，地鐵區間對地下水位較敏感，基坑施工過程中不可中斷地鐵運營，如何確?；邮┕げ粫鹚幻黠@變化導致地鐵變形是本工程的難點。

（2）基坑西側緊鄰現狀空港大道（雙向6 車道），道路總寬度約為40 m，交通流量較大，道路下方市政管線密集，管線及路面等對變形較敏感，環境保護要求高。

（3）基坑距離道路西側廣州設計之都一期基坑約48.7 m，且本基坑西側全范圍與一期基坑無支撐支護段平行，如何合理布置基坑開挖次序以減少相互影響是本工程的難點。

（4）基坑東側和南側距離現狀陂塘排渠約6.2 m，對支護結構的止水要求較高。

（5）基坑內含多個地塊，各地塊開發時序各不相同，且地下室層數亦不同，基坑方案的確定需綜合考慮地塊開發時序、開挖深度不同等因素。

（6）本工程場地地處巖溶發育地區，巖土層存在溶洞、土洞等不良現場，支護施工時易產生漏漿、坍塌等現象，地面存在塌陷風險。

（7）基坑北側為擬建卜蜂蓮花地塊，基坑支護間凈距為20.6～22 m，該地塊為負3 層地下室，基底標高為3.40 m，采用厚1 m 地下連續墻+內支撐的支護形式，本基坑預應力錨索不能進入該地塊范圍，支護方案選擇及基坑開挖次序的協調是本工程的難點。

3.2 基坑支護選型

本工程周邊環境較復雜，地鐵、市政道路等環境保護要求高，且地處巖溶發育地區?；趶V州地區類似項目的建設經驗，確定采用地下連續墻+鋼筋混凝土支撐、地下連續墻+預應力錨索、格構式地下連續墻等基坑支護形式，本工程分為A～H 共8 個分區，基坑平面布置圖見圖3。

圖3 基坑平面布置圖

（1）基坑支護的選型及布置滿足了地塊獨立開發的需求，基坑東南側角部區域具備設置支撐條件，故采用厚0.8 m 地下連續墻+鋼筋混凝土內支撐的支護形式；J2 地塊因地處鈍角區域，故采用支撐和錨索組合設置的形式，為提高銜接處的支護剛度，防止出現結構局部失效，錨索和支撐設置搭接一定距離，錨索支護段斷面圖見圖4。

圖4 錨索支護段斷面圖（單位：mm）

（2）基坑西側臨近地鐵和現狀市政道路，周邊環境對變形較敏感，西北和西南角采用厚0.8 m 地下連續墻+鋼筋混凝土內支撐的支護形式（見圖5），中部地下空間區域不具備支錨條件，故采用厚0.8 m 格構式地下連續墻支護形式（見圖6），地下連續墻各肢長度滿足成槽機最小長度要求，中隔墻處采用鋼板十字剛性接頭，以提高墻體剛度及抗變形能力。為避免施工排水對地鐵造成不利影響，在地鐵側每隔10 m布置1 口回灌井，當地下水位下降幅度大于1 m 時即啟動自動回灌。

圖5 支撐區域基坑支護斷面圖（單位：mm）

圖6 格構式地下連續墻斷面圖（單位：mm）

（3）因西側為廣州設計之都一期基坑，為避免同時開挖對中部的地鐵及市政道路產生不利影響，本基坑與一期基坑開挖時序統籌考慮，兩側不同時開挖，本工程開挖時序為J2→K1→K2→地下空間→J1。

（4）K1 地塊地鐵保護范圍外側為負3 層地下室結構，基坑深度達15.2 m。本基坑僅考慮開挖至負2層，局部地塊緊鄰聯合基坑側利用本基坑支護結構，故該范圍采用厚1 m 地下連續墻+3 道鋼筋混凝土支撐支護（見圖7）；因該區域臨近陂塘排渠，為避免滲漏水風險，于地下連續墻接頭外側設置直徑800 mm 雙管旋噴樁止水封閉。

圖7 南側支撐區域支護斷面圖（單位：mm）

（5）為避免基坑施工過程中出現坍塌、涌水等風險，地下連續墻兩側3 m 范圍內的溶洞采用雙液漿+水泥漿的方式預處理；立柱基樁周邊3 m 范圍、洞高小于3 m 的溶洞采用拋填碎石與黏性土處理，其他采用雙液漿+水泥漿的方式預處理。

（6）基坑北側為卜蜂蓮花地塊，故北側錨索通過采用二次高壓劈裂注漿工藝，以提高預應力錨索的抗拔能力，有效減短錨固長度。

3.3 基坑支護計算分析

本文采用理正深基坑軟件和Midas 有限元分析軟件對基坑各典型斷面進行計算分析，各巖土層物理力學參數取值見表1。本文以西南側和西側臨近地鐵側基坑計算結果為例進行分析。

西南側基坑單元計算結果見圖8。由圖8 可見，基坑最大側向位移為15.19 mm，最大側向位移點位于第2 道支撐至基坑底面之間。

圖8 西南側支撐段單元模型計算結果

西側格構式地下連續墻單元計算結果見圖9。由圖9 可見，基坑最大側向位移為11.2 mm，最大位移位于圍護墻頂部位置。

圖9 西側格構式支護段單元模型計算結果（單位：mm）

采用Midas 有限元分析軟件對基坑進行整體分析，位移結果見圖10。由圖10 可見，西南側地下連續墻最大側向位移為7.71 mm，西側格構式地下連續墻最大側向位移為11.32 mm，最大位移位置與單元計算結果位置基本一致。

圖10 整體模型計算結果（單位：mm）

4 基坑監測結果

廣州設計之都二期除J1 外其他地塊地下室已施工并回填完畢。根據基坑監測結果顯示，西南側基坑最大側向位移為18.48 mm（CX7 測斜孔監測結果見圖11），最大位移點位于墻頂下8 m 位置，連續墻側向變形曲線與單元計算結果基本一致；西側格構式連續墻段最大側向位移為12.86 mm（CX5 測斜孔監測結果見圖12），最大位移點位于墻頂下3.5 m 位置，墻頂側向位移為6 mm，因理論模型未考慮墻頂壓頂板的約束作用，故墻頂位移理論計算值大于實測值；各項監測指標均未超過規范容許值。

圖11 西南側CX7 測斜孔側向位移監測值

圖12 西側CX5 測斜孔側向位移監測值

5 結語

（1）本文提出的基坑支護選型方式及剛柔支護銜接、止水等構造措施，可為類似工程提供一定的借鑒。

（2）格構式地下連續墻具有剛度大、抗側向變形能力強的特點，可適用于緊鄰建構筑物且無條件支錨的情況。

（3）針對現狀建構筑物兩側均開挖的情況，可通過合理安排施工次序，利用時空效應分層、分區、分塊開挖，及時封閉以減小基坑的暴露時間，降低工程風險。

（4）巖溶地區應重視對圍護結構一定范圍內溶土洞的處理，基坑臨近現狀建構筑物時建議于地面先預處理溶洞后開挖基坑，可有效降低基坑坍塌及涌水、建構筑物沉降等工程風險。

（5）需保護的建構筑物對變形敏感時可于基坑側布置自動回灌井，確保地下水位下降幅度在可控范圍；施工期間加強對基坑、周邊環境及地下水位（包括巖溶水）的監測。