武汉地区深基坑支护设计浅探.doc

1、前言
我国的城区的汽车越来越多，地面停车场已不够，人们把目光投向地下，随着建筑业的发展，高层建筑如雨后春笋，高层建筑的基础埋设较深，现在的建筑普遍都有人防工程。每年武汉市有大量的基坑工程要做。武汉市区建筑物密集、地下管线众多、交通网络纵横，环境保护要求高，影响基坑工程的不定因素增多，随着基坑面积和深度的不断增大，深基坑工程设计和施工的困难和风险增大，一旦结构和基坑失稳，不仅将危及基坑本身安全，而且还影响到周围的建（构）筑物，造成巨大经济损失和社会影响。
深基坑的支护，不仅要求保证基坑内正常作业安全，而且要防止基坑及坑外土体移动，确保边坡的稳定，而且要满足变形控制要求，以确保基坑周围的建筑物、地下管线、道路等的安全及正常运行。
2、武汉市环境地质条件
2.1 地形地貌
武汉地处江汉平原东部，地势为东高西低，南高北低，中间被长江、汉江呈“Y”字形切割成三块，谓之武汉三填。武汉城区南部分布有近东西走向的条带状丘陵，四周分布有比较密集的树枝状冲沟，武汉素有“水乡泽国”之称，境内大小近百个湖泊星罗棋布，形成了水系发育、山水交融的复杂地形，最高点高程150m左右，最低陆地高程约18m。
武汉地区地貌形态主要有以下三种类型；
1) 剥蚀丘陵区：主要分布在武昌、汉阳地区，丘陵呈线状或残丘状分布，如武昌的磨山、珞珈山、汉阳的扁担山等，丘顶高为80～150m，组成残丘的地层为志留系与泥盆系的砂页岩。
2) 剥蚀堆积垅岗区：主要分布在武昌、汉阳的平原湖区与残丘之间，地形波状起伏，垅岗与坳沟相间分布，高程为28～35m(相当于Ⅲ级阶地)。组成垅岗的地层主要为中、上更新统粘性土(老粘土)。
3 堆积平原区；分布于整个汉口市区及武昌、汉阳沿江一带，主要为由长江、汉江冲洪积物构成的I、II级阶地。
I级阶地：广泛分布于长江、汉江两岸地区，地面标高19m～21m。地层由全新统粘性土、砂性土及砂卵石层构成。区内有众多湖泊、堰塘、残存的沼泽地及暗沟、暗浜等。
Ⅱ级阶地：仅见于青山镇及东西湖一带，地面标高为22m～24m，地层由上更新统的粘性土与砂性土组成。
2.2 地层分布及岩土特征
武汉地区的地层分布在不同的地貌单元有所不同，主要是I级阶地堆积平原地区和三级阶地垅岗地区两类。
一 I级阶地堆积平原的地层构成及岩土特征
I级阶地区的地层主要由第四系全新统河流相及部分河湖相冲积及湖积物构成。上部为粘性土，下部为砂性土(含卵砾石)，呈二元结构，深度50m左右为基岩。在地表常有一定厚度的填土。特征如下：
1) 填土层：包括杂填土和素填土两类。杂填土的组成成分为建筑垃圾、工业垃圾及生活垃圾混粘性土，素填土的组成则以粘性土为主。填土层的组成物质不均一，结构较松散，对基坑而言，是边坡、隔水、锚固的不良土层。
2) 粘性土层：该层一般在上部呈可塑状态，成为汉口地区浅部土层中的硬壳层，厚度0～6m不等(部分地区缺失)，向下渐变为软塑状态。该粘性土层的总厚度在部分地段达十余米，这对于基坑边坡稳定、降水、隔渗是有利的。
3)淤泥或淤泥质土层；该土层呈流塑状态，强度低(fak=50kPa～80kPa)，高压缩性(Es=2.0MPa～3.0MPa)，并具有触变性和流变性特点，易形成滑动面．该层最大厚度可达二十余米，是影响基坑稳定或导致环境危害的主要不良土层。
4)粉土或粉砂夹粉质粘土(互层)：该土层是粘性土与砂性土之间的过渡层，顶板埋深9m～13m，厚度为3m～5m。土层多呈软塑状态，饱含水，水平、垂直渗透性差异较大。对于设有两层以上地下室的高层建筑基坑往往遇到该层土，若处理不当，易产生坑底涌砂冒水及坑壁管涌、失稳等不良现象，应引起足够的重视。
二 垅岗地区(相当于Ⅲ级阶地)的地层构成及岩土特征
位于垅岗地区的地层主要由中、上更新统的粘性土(老粘土)组成，下部局部地段为粘土夹碎石层(坡残积层)。一般呈硬塑一坚硬状态(部分为可塑状态)，强度较高而变形较小，厚度为数米至二十余米，基岩岩性在武昌、汉阳地区为古生界至中生界砂岩、页岩、灰岩等，在汉口东西湖地区为白垩第三系泥质粉砂岩。在武昌地区的长江古河道(分布于紫阳路—付家坡—水果湖一武重一线)范围内，第四系土层厚度增大，最厚可达100m以上。地表常存在一定厚度、分布不均的人工填土层(包括杂填土与素填土)，在老城区填土厚度更大。此外，在垅岗间的坳沟中存在有软塑至可塑的粘性土层或新近沉积的软土层。
虽然垅岗区土质条件较好，但对基坑工程而言，应特别注意以下三点：
1) 老粘性土是一种超固结土，在天然埋藏条件下承受着很高的前期固结压力。一旦开挖暴露，极易产生卸荷裂隙或干缩裂隙。若保护不当，使水分浸入，土体强度将迅速下将，发生崩塌、边坡失稳或增加对支护结构的压力。此外，塑性指数高的老粘性土还可能具有一定的膨胀性，失水干缩，遇水膨胀，对支护结构会产生一定的膨胀压力。
2) 志留系页岩是一种薄层状的泥质岩石，在地质历史上经受过强烈的挤压褶皱作用，节理裂隙发育，开挖暴露后极易风化、软化，导致各种边坡病害。
3) 在近东西走向的条带状碳酸盐分布区，由于隐伏岩溶的发育，导致出现地面塌陷，给工程建设带来危害。
2.3 水文地质条件
武汉地区的地下水类型按其赋存条件，在Ⅰ级阶地区可分为上层滞水、潜水与孔隙承压水，在垅岗地区为层间水或潜水。
上层滞水主要赋存于填土层中，其含水与透水性质取决于填土的类型。上层滞水的水位连续性差，无统一的自由水面，水位埋深为0.5～1.0m，主要接受地表水与降水补给。对于深基坑工程，当与湖水有水力联系或雨季施工时，应对该层给予足够重视。
孔隙承压水赋存于砂性土中，含水层包括粉土(或粉砂与粉质粘土交互层)，粉细砂及粗砂砾卵石层。隔水层顶板为上部粘性土，底板为基岩。该层水广泛分布于Ⅰ级阶地地区，与长江水有密切的水力联系与互补关系。水位(承压水头)高度一般为18.5～20.0m，年变幅为3～4m。对于深基坑工程，应注意该层水以下二个特点：
1．孔隙承压水的含水(透水)性随含水层颗粒组成的增大而增大，其渗透性也随着增大，渗透系数从10-5增大到10-lcm/sec；
2．要重视对作为承压含水层“过渡带”的粉土层(或粉砂与粉质粘土交互层)的认识与处理，该层土具有砂性土的特性，其水平渗透性大于垂直渗透性，水平渗透系数为10-2～10-3cm/sec，垂直渗透系数为10-5cm/sec，当基坑底板挖至该土层时，孔隙承压水在水压作用下，将直接进人基坑，同时存在坑底翻砂涌水的危险，必须采取有效的处理措施。
位于垅岗地区的坳沟中的粉土或与基岩接触的坡残积层中存在有层间水或潜水。其中坳沟粉土含水层呈封闭型，含水与透水性均较差，水量不大，接受地表水体的补给；坡残积层中的地下水水量大小与坡残积层中的粘性土含量与碎石含量、结构密实程度与孔隙大小，以及补给来源的大小有关。如坡残积层中碎石含量高，孔隙大，且位于基岩裂隙水排泄区时，层间水的水量较大，对深基坑工程的影响亦较大。
3 基坑支护设计参数
根据武汉地区岩土工程勘察经验、《湖北省深基坑工程技术规定》 (DB42／159—2004)中的附表2—1以及有关工程经验，基坑支护设计有关参考数据列于下表：
基坑支护设计参考数据 表1
地层编号及名称
重度ρ(kN/m3)
粘聚力
c (kPa)
内摩擦角
(度)
(1)填土
17.0～19.0
4～15
8～30
(2) 淤泥、淤泥质土
16.0～19.0
6～18
4～10
(3) 粉质粘土
19.0～20.0
18～30
10～16
(4) 粉土
19.0～20.0
10～12
20～26
(5) 粉、细砂
19.0～20.0
0
30～36
(6) 老粘性土
19.5～21.0
35～50
16～18

4 基坑支护的常用方法
根据湖北省地方标准DB42/159-2004《深基坑工程技术规程》表6.1.2的推荐，在武汉市深基坑中常用的支护形式有：①自稳放坡；②加筋土重力式挡墙；③水泥土重力式挡墙；④喷锚支护；⑤悬臂排桩；⑥桩锚；⑦内支撑；⑧地下连续墙；⑨围筒。
4.1 自稳放坡
根据土质按一定坡率放坡。适用于土质较好，有放坡空间的边坡。坑底土质较软弱时，为防治坑底隆起破坏可通过分阶放坡卸载。其优点是成本底，支护随土方开挖同时进行，基本不影响工期。
4.2 加筋土或水泥土重力式挡墙
加筋土重力式挡墙采取土钉、螺旋锚、锚管灌浆等加筋土挡墙。水泥土重力式挡墙采取注浆、旋喷、深层搅拌水泥土挡墙，形式有壁式、格栅式、拱式、扶壁式。适用于深度不超过6m的软土基坑。因本支护形式要施工多排水泥土桩，需要较大的施工空间，粉喷桩需要很长的养护时间，墙底没有软土。加筋水泥土墙是在水泥土桩中插入H形钢（拉森板桩、钢管等）组成的。由H形钢承受侧向荷载，而水泥土则具有良好的抗渗性能，因此加筋水泥土墙具有良好的挡土和止水抗渗效应。而且水泥土桩中插入H形钢，设置支撑也十分方便。施工时为使H形钢可凭借自重顺利下沉至指定标高。
4.3 喷锚或复合喷锚支护
喷锚支护采取打入式注浆锚管或钻孔植入式锚杆承受拉力，钢筋混凝土面板支护。适用于填土、粘性土及岩质边坡，支护深度不宜超过6m，（岩质边坡除外），坡底有软弱土层影响整体稳定时慎用。不适用于深厚淤泥、淤泥质土、流塑状软粘土和地下水位以下的粉土、粉砂层。复合喷锚支护采取钢筋网喷射混凝土面层，锚杆，另加水泥土桩或其它支护桩，解决坑底抗隆起稳定问题和深部整体滑动稳定问题。坑底以下有一定厚度的软弱土层，单纯喷锚支护不能满足要求时可考虑采用复合喷锚支护支护深度不宜超过6m，坑底软土厚度超过4m时慎用。喷锚支护施工速度快、用料省、造价低，与其他桩墙支护相比，工期可缩短50%以上，节约造价60%左右；而且支护可以紧贴已有建筑物施工，从而省出桩体或墙体所占用的地面。但从许多工程经验看，喷锚支护的破坏几乎均是由于水的作用，水使土体产生软化，引起整体或局部破坏，因此规定采用喷锚支护工程必须做好排水或降水，且其不宜作为挡水结构，通常是设置排水管将坡体中水排除，减少水压。锚杆是用来加固现场原位土体的细长杆件。通常采用钻孔，放入变形钢筋并沿孔全长注浆的方法做成、它依靠与土体之间的粘结力或摩擦力，在土体发生变形时被动承受拉力作用。它由锚杆、被加固的土体、喷射混凝土面层形成支护体系。由于随挖随支，能有效地保持土体强度，减少土体的扰动。
4.4 排桩支护
采用钻孔灌注桩、人工挖孔桩、预制桩，板桩(钢板桩组合，异型钢组合，预制钢筋混凝土板组合）冠梁。柱列式间隔布置包括桩与桩之间有一定净距的疏排布置形式和桩与桩相切的密排布置形式。柱列式灌注桩作为挡土围护结构有很好的刚度，但各桩之间的联系差必须在桩顶浇注较大截面的钢筋混凝土帽梁加以可靠联接。为了防止地下水并夹带土体颗粒从桩间孔隙流入（渗入）坑内，应同时在桩间或桩背采用高压注浆，设置深层搅拌桩、旋喷桩等措施，或在桩后专门构筑防水帷幕。灌注桩施工简便，可用机械钻（冲）孔或人工挖孔，施工中不需要大型机械，且无打入桩的噪声、振动和挤压周围土体带来的危害，成本较地下连续墙低。同时，灌注桩围护结构在建筑主体结构外墙设计时也可视为外墙中的一部分参与受力（承受侧压），这时在桩与主体之间通常不设拉结筋，并用防水层隔开。排桩支护可分为悬臂式和锚固式、内支撑式，而锚固式、内支撑式又分单排支锚和多排支锚。柱列式灌注桩的工作比较可靠，但要重视帽梁的整体拉结作用，在基坑边角处，帽梁应连续交灌。当要求灌注桩围护结构起到抗水防渗作用时，必须做好桩间和桩背的深层防水搅拌桩或旋喷桩。当周围环境保护要求严格时，为减少排桩的变形，在软土地区有时对基坑底沿灌注桩周边或部分区域，用水泥搅拌桩或注浆进行被动区加固，以提高被动区的抗力，减少支护结构的变形。
4.5 地下连续墙悬臂式或撑锚式
地下连续墙具有整体刚度大的特点和良好的止水防渗效果，适用于地下水位以下的软粘土和砂土等多种地层条件和复杂的施工环境，尤其是基坑底面以下有深层软土需将墙体插入很深的情况，因此在国内外的地下工程中得到广泛的应用。并且随着技术的发展和施工方法及机械的改进，地下连续墙发展到既是基坑施工时的挡土围护结构，又是拟建主体结构的侧墙，如支撑得当，且配合正确的施工方法和措施，可较好地控制软土地层的变形。在基坑深（一般h>10m）、周围环境保护要求高的工程中，经技术经济比较后多采用此技术。但是地下连续墙在坚硬土体中开挖成槽会有较大困难，尤其是遇到岩层需要特殊的成槽机具，施工费用较高。在施工中泥浆污染施工现场，造成场地泥泞不堪。目前采用的逆作法施工使得两墙合一，即施工时用作围护结构，同时又是地下结构的外墙。逆作法施工一般用在城市建筑高层时，周围施工环境比较恶劣，场地四周邻近建筑物、道路和地下管线不能因任何施工原因而遭到破坏，为此在基坑施工时，通过发挥地下结构本身对坑壁产生支护作用的能力（即利用地下结构自身的桩、柱、梁、板作为支撑，同时可省去内部支撑体系），减少支护结构变形，其施工难度大，造价高。
另外还有圆形、椭圆形、复合形围筒支护；拱形逆作法支护等。
5 应注意的几个问题
深基坑工程支护技术虽已在武汉地区取得了不少成功的经验，但仍存在一些问题需进一步研究或提高，以适应现代化经济建设的需要。在武汉地区的深基坑工程支护设计应注意以下几个问题：
5.1 深厚层淤泥地区的支护
在汉口的新华下路、香港路、三眼桥路、黄孝河路以及竹叶山一带，分布有巨厚层淤泥或淤泥质土层，该层最大厚度可达二十余米。该土层呈流塑状态，强度低，高压缩性，并具有触变性和流变性特点，是影响基坑稳定或导致环境危害的主要不良土层。在该地段的基坑常常为一级，应按变形控制，基坑顶部水平位移量应小于40mm，若变形量过大则淤泥或淤泥质土的C、φ值急剧下降，甚至于为零，呈流塑状态。滑坡推力急剧增大，常导致基坑边坡失稳。
5.2 厚层填土或较厚软土地段的支护
在厚层填土或较厚软土地段设计锚杆支护时应注意，锚杆成孔注浆不到位、土钉或锚杆受力达不到设计要求的问题，深基坑支护所用土钉或锚杆钻孔直般为100～150的钻杆成孔，孔深少则五、六米，深则十几米，甚至二十多米，钻孔所穿过的土层质量也各不相同，钻孔如果不认真研究土体情况，往往造成出渣不尽，残渣沉积而影响注浆，有的甚至成孔困难、孔洞坍塌，无法插筋和注浆。再者注浆时配料随意性大、注浆管不插到位、注浆压力不够等而造成注浆长度不足、充盈度不够，而使土钉或锚杆的抗拔力达不到设计要求。设置锚杆时尚应进行锚杆的蠕变试验，以确定锚杆随时间延长逐渐松弛，锚固力降低，变形增大的程度，以便采取相应的对策。
5.3 老粘土地段的支护
老粘性土是一种超固结土，在天然埋藏条件下承受着很高的前期固结压力。一旦开挖暴露，极易产生卸荷裂隙或干缩裂隙。若保护不当，使水分浸入，土体强度将迅速下将，发生崩塌、边坡失稳或增加对支护结构的压力。此外，塑性指数高的老粘性土还可能具有一定的膨胀性，失水干缩，遇水膨胀，对支护结构会产生一定的膨胀压力。因此在这种地段的基坑须做好防水工作，防止降水或生活用水渗入到边坡土体中，软化土体。
另外，在老粘性土地段的基坑喷锚支护用得较多，锚杆的锚固力一般都能满足要求，出事较多的是面板与锚杆连接不牢。锚杆主筋与加强筋连接，应加羊角筋加强焊接强度，防止面板脱落。
5.4 设计与实际情况差异
深基坑支护由于其土压力与传统理论的挡土墙土压力有所不同，在目前没有完善的土压力理论指导下，通常仍沿用传统理论计算，由于土力学的模糊性以及基坑开挖和支护技术的复杂性，往往与施工期间实际情况有相当大的出入，因此有误差是正常的，许多学者对此进行了许多研究，在传统理论土压力计算的基础上结合必要的经验修正可以达到实用要求。问题是对这样一个极为复杂的课题，脱离实际工程情况，往往会造成过量变形的后果。如某些设计、不考虑地质条件、地面荷载的差异，照搬照套相同坑深的支护设计。必须根据实际地面可能发生的荷载，包括建筑堆载、载重汽车、临时设施和附近住宅建筑等的影响，比较正确地估计支护结构上的侧压力，显得尤其重要。
为了减少支护事故，有待精心设计、精心施工、强化监理，保护坑边住宅与环境，提高深基坑支护技术和管理水平。
参考文献: 湖北省地方标准DB42/159-2004《深基坑工程技术规程》