武漢長江一級階地基坑的設計分析與實踐

王瑞芳，李 闖

(武漢科技大學城市建設學院土木系，湖北 武漢 430065)

0 引言

近20多年來，隨著土木工程的大量發展，高層建筑及市政交通項目大量涌現，地下空間進一步開發利用?；娱_挖深度也隨之增加，周圍環境越來越復雜，如緊鄰高架、地鐵、地下管線等；有的基坑地質水文條件差，如軟土深厚、地下水位高等。為了使基坑既安全又經濟合理，多種支護方案的比較與選用在基坑設計和施工中運用越來越廣泛。

楊光華[1]針對基坑工程施工和結構的動態特點，提出了一套系統的計算方法，包括考慮施工過程的增量計算法、合理確定支護結構入土深度的計算法，較好地解決了基坑支護結構中的一系列設計計算難題。關于基坑變形的研究很多，很多學者和工程人員從基坑變形機理、減小變形的措施做了相關研究[2-6]，王瑞芳[7]以武漢某軌道交通隧道臨近基坑開挖為背景，用MIDAS GTS NX進行數值分析，得出在基坑開挖期間的左右區間隧道的橫向、豎向位移均在城市軌道交通的安全控制范圍內，不影響地鐵正常運行的結論。蕭以蘇[8]以南京某在建的地鐵車站深基坑為背景，對圍護結構的各項變形進行監測。同時結合有限元模型，模擬基坑開挖全過程，所得結果與監測數據進行對比分析，說明鉆孔灌注樁聯合內支撐及立柱的支護形式在地鐵深基坑的設計和施工中安全、可行；趙兵兵[9]以河匯項目，結合地質條件，采用地下連續墻/鉆孔灌注樁結合2—3道內支撐支護，方案證明具有良好的可行性；楊燁勛[10]等基于FRWS對各工況下的樁基承載力進行分析，分析深基坑樁基承載特性的影響因素，得出樁直徑對樁身水平位移和開挖面以下樁身彎矩有較大影響。

以上研究從不同角度來分析減小基坑的變形措施，本文以靠近漢江的高地下水位基坑支護設計進行分析、探討減小基坑變形的措施，為類似基坑的設計提供一定參考。

1 工程概況

1.1 基坑概況

金地悅江時代K1項目二期位于武漢市硚口區古田二路與古田路交匯處西南側，項目包括3棟高層辦公樓及一期地下室二標段。場地地貌單元屬長江Ⅰ級階地，基坑平面接近為矩形，面積大，分為Ⅰ期和Ⅱ期，Ⅰ期已經施工完成。

該基坑周圍環境為：地下室北側邊線距紅線約5.8～50.0m，地下室東側邊線距紅線約6.5m，紅線外為古田二路及江漢六橋(為高架橋)；地下室西側邊線距紅線約5.6m，紅線外為未移交的市政路；地下室南側邊線距紅線約6.0～48.0m，場地西側、北側道路有管線分布。

1.2 工程地質和水文地質

本場地在勘探深度97.3m范圍內所分布的地層除表層分布有(1a)層雜填土、(1)層素填土外，其下為第四系全新統沖積成因的粘性土及砂土，下伏基巖為志留系泥巖，基坑土層分布較均勻，主要土層物理力學參數見表1。

表1 主要土層物理力學指標

本場地地下水主要包括賦存于(1a)雜填土、(1)素填土層中的上層滯水及下部互層土及砂土層中的承壓水。上層滯水水位、水量隨季節變化，主要受大氣降水、生活排放水滲透補給，勘察期間測得部分鉆孔穩定水位埋深0.9～3.2m。

根據抽水試驗測得本場地承壓水位埋深為9.8m，承壓水水頭高度年變幅為3.0～4.0m。因被(2)、(3)層阻隔與上層滯水無水力聯系。抽水試驗測得場內承壓含水層的滲透系數為17.0m/d，影響半徑為260m。

2 基坑特點及支護方案選擇

2.1 基坑特點

根據基坑本身和周圍環境情況，基坑特點為：①本基坑普設兩層地下室，基坑開挖深度10.25m，坑中坑深度約2.45～5.15m，屬深基坑，基坑安全等級為一級；②地質條件差，基坑開挖深度范圍內分布有深厚軟弱土層，地下水文地質條件復雜；③該基坑為長江一級階地，地下水位高，在降水設計中需考慮合理降水井和回灌井，基坑側壁需設置截水帷幕，從截水效果和經濟性考慮，帷幕長度應合理設置；④周邊環境條件復雜，尤其是東側有江漢六橋高架，對變形要求嚴格，需合理設計及加強監測。

2.2 基坑支護形式

由于周圍環境復雜，基坑緊靠漢江，地下水位高；結合不同支護方案的特點，該基坑采用支護樁+內支撐和雙排樁方案，即：基坑角部采用放坡+單排樁(鉆孔灌注樁，局部加樁垛)+一道鋼砼角撐；基坑東側采用放坡+雙排樁，樁為鉆孔灌注樁?？紤]到挖土、出土的方便性，II期機械車庫出土部位設在基坑東側，出土寬度為8m，坡度為1∶7.5。滿載渣土車活荷載大，設置直徑609mm×16mm的鋼管鋼斜撐，支承在樁基礎的承臺上。由于樁間土及棧橋土坡基坑底為軟土，采用水泥攪拌樁進行樁間土和基坑底被動區加固。

2.3 Ⅰ、Ⅱ期分區基坑設計

基坑平面接近為矩形，面積大，分為Ⅰ期和Ⅱ期，Ⅰ期已經施工完成。Ⅰ、Ⅱ期分區設在基坑內部，場地較寬，考慮到經濟性，采用分階放坡+工字鋼支護與重力式擋墻支護，工字鋼起加強分階放坡穩定性的作用。

2.4 降水設計

基坑地下水與漢江水位相通，地下水位高。截水帷幕若設在基坑底下的基巖，截水效果好，但坑底到下面基巖頂有15～20m深，造價高。綜合考慮，采用懸掛式節水帷幕，帷幕底部進入粉細砂(5-1層)。

采用疏干降水方式，降低后的水位位于基坑底1m以下。此外，為減少由于抽水引起的基坑及周圍環境的變形，采用管井降水的同時，在基坑外側設置一定數量的回灌井(兼觀測井)、基坑四周設置三軸水泥土攪拌樁懸掛式止水帷幕；采用80T/h的管井降水，基坑內設置47口深井、22口中深井，及7口觀測井兼作備用降水井、10口回灌井。

深井主要布置在基坑周邊，深度為33m；中深井主要布置在塔樓處，每棟塔樓地下室各布置2個中深井，深度為25m，為真空井，主要抽取互層土中的地下水?？紤]到基坑的重要性，Ⅱ期基坑回灌井布置在基坑東側外一定距離，兼起觀測井作用，回灌井與降水井水平距離不得小于6m。在降水期間，若基坑變形超過預警值，就開啟一定數量的回灌井將水注入坑內，來控制基坑變形。

3 支護結構計算

基坑東側為江漢六橋，為變形重點控制部位。在基坑東側EF、GH段，支護樁采用樁徑為1000mm、間距1400mm的支護樁+角撐，FG段(土坡棧橋處)前后排采用樁徑為1000mm、間距1400mm的雙排樁。采用天漢軟件(2016版)計算支護樁、內支撐及雙排樁的內力及變形，如圖1所示，圖1(a)、(b)縱坐標為深度，單位m。

根據武漢市基坑審查要求，東側高架橋支護樁最大水平位移應控制在20mm以內。圖1(a)—(b)中，EF、GH段粧側位移最大值為18.3mm和16.7mm，基坑的最大位移處于基坑中部偏下部，均未超出高架橋的最大變形要求。計算支護樁變形如圖1(c)所示。其中FG段前排樁、后排樁側移均為25mm。

為減小FG段側移，在后排樁設置直徑609mm×16mm的鋼管鋼斜撐，支承在樁基礎的承臺上。

4 基坑監測

結合基坑的安全等級和周圍環境布置監測元件，分別對冠梁、周圍道路和管線及周邊橋梁布置監測點，如圖2所示。Ⅱ期基坑從2020年12月21日開始監測，到2021年9月29日為止。分別取基坑北側、南側及東側取代表性的監測點，其中包括5個冠梁累計變形監測點(GL25，GL28—GL30，GL39)、5個周圍管線沉降監測點(GX9—GX14)、5個周圍道路沉降監測點(D24，D29—D31，D33)以及基坑東側支護樁深層側向位移監測點CX19。此外，針對江漢六橋，每個橫斷面對稱布置了兩個監測點，靠近基坑一側的監測點變形大于另一側，因而選擇靠近基坑一側的監測點G5，G7，G11—G19進行分析。

支護樁頂冠梁變形情況如圖3所示。由圖3可知，支護樁頂冠梁的水平位移和豎向沉降在2020年12月21日—2021年5月30日期間變形速度較快，在2021年5月30日—2021年9月29日期間冠梁變形趨于平穩，變形呈現出“先快后慢”的規律。

圖3 支護樁頂冠梁變形

進一步分析圖3(a)—(b)曲線可知，GL39位于基坑南側，其水平和豎向位移和其它監測點比較變化均較劇烈；GL28位于基坑東北側，其水平和豎向位移均較??；冠梁GL30位于靠近江漢六橋的東側，變形最大，其中水平向側移最大值為15.7mm，豎向沉降最大值為6.8mm，說明在基坑東側FG段土棧橋的后排樁設置直徑609mm×16mm的鋼管鋼斜撐能有效減小基坑變形，基坑東側角部與中部變形均未超出武漢基坑圖審的控制值。

高架橋累計沉降曲線和周圍管線沉降曲線如圖4—5所示。從圖4—5可以看出，高架橋和周圍管線的變形速度呈現先快后慢的規律。圖4中監測點G11沉降相對較小，累計沉降為0.58mm；監測點G13沉降相對較大，累計沉降為0.63mm，符合市政高架橋的變形允許要求。圖5中管線GX9位于基坑的北側，變形相對較小，累計變形為1.53mm。管線GX10位于基坑的東北側，變形相對較大，累計變形為2.38mm，均未超出GB 50497—2009《建筑基坑工程監測技術規范》和《城市軌道交通結構變形監測技術規范》一書的要求。

圖4 高架橋累計沉降

圖5 周圍管線沉降

CX19位于基坑東側，從圖6可以看出在基坑的施工早期(監測時間為2020年12月21日和2021年1月21日)，基坑開挖深度不大，作用在支護樁體上的土壓力較小、樁體側移不大，最大值為2.63mm；隨著時間的增長、開挖深度的增加，作用在支護樁體上的土壓力增大，部分基坑底部位于淤泥質黏土層，坑底有隆起的現象，樁體側移逐漸增加，CX19的最大水平側移位于支護樁頂以下1.0m處，最大水平側移為9.26mm；隨著樁體深度的增加，水平側移逐漸下降，最大值未超過基坑規范的容許值。

圖6 CX19深層土體水平位移

圖7中曲線呈現出周圍道路沉降呈現先快后慢的規律。其中監測點D24位于基坑北側，其它監測點位于基坑東側。路面監測點的變形在前期變性較大，后期(2021年5月31日以后)路面變形逐漸減緩。其中D24變形最大，最大值為3.12mm，未超過基坑規范的允許值。

圖7 周圍道路累計沉降

5 結論

以長江一級階地基坑的地質條件及周圍環境進行分析，選擇合理的支護形式及降水方案，采用天漢軟件進行支護結構內力及變形計算，并與監測數據進行對比，主要結論如下：

(1)基坑東側江漢六橋是基坑變形控制嚴格的部分，在基坑設計中，應采取安全合理的支護方案控制基坑變形。

(2)該基坑地下水位較高，需綜合考慮降水方案合理性及經濟性。

(3)對于變形要求嚴格的重要管線和高架橋，需加強監測頻率。根據監測數據顯示，基坑及周圍環境變形滿足基坑規范要求。