杭州万通中心深基坑围护设计实例解析

第一部分 基坑围护说明

1.工程概况及周围环境分析

1.1 工程概况

杭州万通时尚置业有限公司拟开发建设杭州万通中心项目，该工程场地位于杭州市拱墅区上塘路与大关路交口（杭政储出[2007]74号地），工程用地面积17522m²，总建筑面积为142927.5m²，其中地上总建筑面积为94618.8m²，地下总建筑面积为48308.7m²。该工程拟建建筑物主要有五幢14～24层建筑物，内设一个整体地下车库，为3层，该地下室基坑等级为一级。场地拟建建筑物为框架核心筒结构。工程拟采用钻孔灌注桩基础。

1.2 基坑概况

该工程地下室三层，地下室底板面标高-14.900m，基础底板厚度800mm，垫层300mm，则底板垫层底的标高为-16.000m。

±0.000相当于黄海高程4.500m，现场地平均标高约4.000m，相当于建筑标高-0.500m，则计算至底板垫层底的相应挖深为15.5m。

该工程基坑等级为一级，重要性系数为1.1。

1.3 周边环境分析

场地北侧为紫荆路（现名为大浒街），目前已通车，紫荆路北侧为育才实验中学及一幢17层高的建筑物。基坑外边线距紫荆路人行道边线为6.5m，紫荆路上有市政管线，距基坑由近及远共6条管线，依次为电力管线（距离约7.4m）、燃气管线（距离约11.4m）、污水管线（距离约16.4m）、雨水管线（距离约19.4m）、给水管线（距离约26.4m）及通信管线（距离约31.4m）。

场地西侧为在建的远洋商务公馆A01地块，距离该工程基坑较远，目前地下室已施工完成，正在施工主体结构。

场地南侧为公园，有一条施工道路由大关路穿过公园进入施工场地。

场地东侧为在建绿化带，绿化带东侧为上塘路，基坑边距离上塘路约30m。

2.工程地质条件

2.1 地形地貌及环境条件

该工程场地位于杭州市拱墅区上塘路与大关路交叉口西侧北隅（杭政储出[2007]74号地），场地原主要为杭州豆制品厂厂址所在地，在地貌上属于杭嘉湖平原区，场地地势较为平坦，地面高差在1.0m以内。场地属于拆迁地，场地内无地下管道等障碍物，场地交通较便利，环境条件较好。

2.2 地基土的构成与分布特征

经勘察揭示，在埋深72.0m深度范围内的地基岩土层，按其物理力学特征及成因类型可划分为十大工程地质层，其中（2）、（3）、（8）及（10）号层可分为二个亚层，（6）及（7）号层缺失。基岩为上侏罗纪黄尖组地层，岩性为凝灰质砂岩，根据风化程度的差异，可划分为强风化段及中等风化段。

基坑开挖影响范围内的地基土工程地质层自上到下分述如下：

（1）杂填土。以灰褐色、灰黄色为主，松散，易压缩，成分主要为碎石、砖瓦碎块、砂砾及黏性土，局部孔为层底以灰褐色素填土为主，呈软塑状，主要由黏性土组成。该层全场分布，层厚0.80～2.70m。

（2）-1粉质黏土。灰黄～黄灰色，可塑状，局部软塑状，中压缩性，均匀性一般，局部粉粒含量较高，含氧化铁结核。无摇振反应，切面稍有光滑，干强度及韧性中等。该层全场分布层厚0.50～2.20m，层面高程2.14～3.72m。

（2）-2砂质粉土。灰棕～灰黄色，层底局部为灰色，稍密状，中压缩性；具铁锰质渲染，土质不均匀，状态变化较大，局部为黏质粉土，局部夹黏性土薄层。摇振反应中等，无光泽反应，干强度及韧性低。该层全场分布，层厚0.60～3.00m，层面高程0.45～2.92m。

（3）-1淤泥质粉质黏土。灰色，流塑，高压缩性，含有机质，局部含少量泥炭颗粒及腐殖质，该层局部可相变为淤泥或淤泥质黏土，均匀性尚可。无摇振反应，切面稍有光滑，干强度及韧性中等。该层全场分布，层厚4.40～6.80m，层面高程-0.45～1.19m。

（3）-2淤泥质粉质黏土。灰色，流塑，高压缩性，含有机质，局部含少量腐殖质，均匀性一般，层底局部可相变为软塑状的粉质黏土；无摇振反应，稍有光滑，干强度及韧性中等。该层全场分布，层厚16.70～24.40m，层面高程-6.52～-4.36m。

（4）粉质黏土。灰黄～黄绿色，局部黄灰色，硬塑状，局部软可塑状，中压缩性，均匀性尚可，含氧化铁结核。无摇振反应，切面光滑，干强度及韧性高。该层全场分布层厚3.20～10.90m，层面高程-22.71～-28.92m。

2.3 地基土物理力学指标

地质报告提供的土层物理力学指标见表8-3所示。

表8-3 地质报告提供的土层物理力学指标

2.4 地下水情况

勘察期间测得的地下水稳定水位埋深在地表下0.10～1.60m之间，常年稳定水位埋深约在地表下1.0m，场地浅部地下水类型主要为少量孔隙潜水，补给来源为地表水和大气降水渗入，水位受季节性气候影响，但变化幅度不大。深部（8）号层中则存在微承压水；（10）号层中为基岩裂隙水，含少量风化、构造裂隙水，由于裂隙张开性小、连通性差，故该含水层富水性差，水量贫乏。根据临近场地及地区经验，场地（8）号层中的承压水与（10）号层中的基岩裂隙水对钻孔灌注桩的施工影响不大，设计与施工可不专门考虑。经对场地ZK3及Z27号钻孔抽水后取水样进行水化学分析试验表明，地下水水质类型分别为硫酸—钙型淡水与氯化物—钠型淡水。按《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）（2011年版）规范，经判定地下水水质对建筑材料混凝土有微腐蚀性作用，对混凝土中钢筋有微腐蚀性作用。

根据地区经验，场地地下水位以上土质对对建筑材料混凝土有微腐蚀性作用，对混凝土中钢筋有微腐蚀性作用。

3.基坑围护方案

3.1 该工程的特点

综合分析场地地理位置、土质条件、基坑开挖深度及周围环境的影响，该工程具有以下特点：

基坑开挖深度大，挖深达15.5m。

基坑开挖范围大：面积约16825m²，周长约532m。

基坑开挖深度范围内土的工程性质较差，除浅部3～4m左右为杂填土、粉质黏土、黏质粉土外，下部为深厚的淤泥质粉质黏土，含水量高达41.6～45.2%，孔隙比1.178～1.263；且下部较好的4层粉质黏土的埋深很深，为31～33m。

周边环境一般，对变形的要求一般：除北面距离紫荆路较近外，其余三面距离建筑物、道路管线均较远，对变形的控制可以适当放宽。

基坑安全等级为一级，重要性系数γ₀=1.1。

3.2 基坑围护方案的比较与确定

根据该工程地下室基坑的特点，在“安全、经济、方便施工”的原则下，设计时对以下两种可行性较高的方案进行比较。

方案一：地下连续墙

地下连续墙大都有三种做法：①结合全逆作法施工（二墙合一，即围护墙结构兼作地下室外墙）；②结合临时内支撑（二墙合一，即围护墙结构兼作地下室外墙）；③地下连续墙（仅作为围护结构）结合内支撑。全逆作法的土方开挖极麻烦、土方开挖单价很高，故总体造价并不节省，上述三种做法中二墙合一结合临时内支撑做法最为常用。

地下连续墙方案使基坑面积最小，相应的土方开挖量达到最小。采用地下连续墙作为止水帷幕，其止水效果要优于水泥搅拌桩、高压旋喷桩或素混凝土桩。但是地下连续墙方案相对于下面方案来说，造价偏高且地下连续墙施工周期较长。

方案二：一排灌注桩，结合混凝土临时支撑外加水泥搅拌桩止土

围护结构采用一排钻孔灌注桩结合钢筋混凝土支撑，并在钻孔桩外侧采用一排水泥搅拌桩止水止土的方案。这种形式的支护方案在浙江地区实际工程中的应用非常广泛，技术成熟。对该工程而言，支护结构本身的强度、稳定及变形可以保证，围护结构与主体结构相对比较独立，工程造价较地下连续墙低得多。

两种方案的围护桩（墙）的每延长米造价比较见表8-4：

表8-4 两种方案的围护桩（墙）的每延长米造价比较

由表8-4，ϕ1000@1200钻孔灌注桩结合ϕ700@500水泥搅拌桩止土方案比800mm厚地下连续墙方案（二墙合一）节约（4.06-2.13）万元=1.93万元每延长米。

注：由表8-4比较围护桩（墙）的每延长米造价，围护桩或地下连续墙的长度约为30.5m；因支撑、立柱桩、坑底加固的造价两方案基本相同，故没有列入比较。

通过上述综合分析和比较，设计采用方案二：一排灌注桩，结合混凝土临时支撑外加水泥搅拌桩止土。

考虑到上部土层为杂填土、粉质黏土、砂质粉土，土质较好，采用上部放坡结合锚管的支护形式，将第一道支撑标高降至地面以下4m（-4.500m标高处，支撑标高设得越低，围护桩的弯矩越小，越经济），并将第二道支撑的标高设在-9.500m处（地下三层的楼面标高为-11.000m，支撑设在-9.500m刚好能满足在地下三层换撑的需要、使桩身弯矩尽可能小同时又不影响地下三层处的地下室结构施工）。

采用上部锚管方案时，可以在钻孔灌注桩施工完成后立即开挖上层-4.500m标高以上土体，待场地内土体均开挖至该标高时，开始施工压顶梁及支撑。这种方式通过分区流水作业可以有效地节约工期。

一般的单轴或双轴水泥搅拌桩受机械功率限制，15m深度以下土层的施工已很难搅动。由于该基坑挖深很深，达15.5m，为保证坑底加固部分深层搅拌桩的施工质量，采用了SMW工法专用的三轴水泥搅拌桩ϕ850@600，其单方造价比普通单轴或双轴水泥搅拌桩要高，但垂直度好、机械功率高、施工质量有保障。

综上所述，该工程基坑采用：上部放坡结合三道注浆锚管、下部一排ϕ1000@1200钻孔灌注桩结合两道钢筋混凝土支撑支护，钻孔桩外侧采用一排ϕ850@600三轴水泥搅拌桩止水止土，坑底采用三轴水泥搅拌桩ϕ850@600加固，以减小变形，增加坑底土体稳定性。

4.支撑系统设计

在支撑的材料选择方面，设计对钢支撑与钢筋混凝土支撑均进行了比较。采用钢支撑具有如下几个特点：

（1）施工速度快，拆卸方便。

（2）可施加预应力，有效控制地下墙的侧向变形。

（3）布置形式一般为井形，挖土难度相对较大，挖土要求也相对较高。

（4）应用经验较少，对施工单位要求高。

该工程基坑面积大、形状复杂，挖深较深，且开挖深度上部的土质较差，支撑轴力较大。混凝土支撑承载力高、安全性好，能承受弯、剪、扭、压力等复杂受力情况，可根据基坑的形状灵活布置，在浙江地区的应用非常广泛，积累的经验也比较多，故设计最后确定采用混凝土支撑。

在支撑的平面布置方面，可以采用两种形式：①格栅状支撑；②中间采用对撑形式，两端采用角撑。由于该基坑形状复杂，为了施工方便及节约造价，该工程支撑角部以角撑为主，中间以对撑结合边桁架布置。

水平内支撑平面布置时，尽量避开主体结构的柱子位置，以使柱子的主筋接头按规范施工。为节约围护造价，根据工程桩布置立柱桩，尽量利用工程桩兼作内支撑的竖向立柱。

内支撑的竖向位置布置时，考虑避开地下室的楼板，支撑底面与楼面之间的净距不小于0.7m。上下道支撑的净距尽量满足小型挖土机械的操作条件。同时对支撑的竖向位置进行优化，以使地下墙的内力、变形最小。

第二部分 基坑围护结构分析计算说明

1.计算内容

土钉局部抗拉验算

土钉内（外）部稳定验算

围护桩在不同工况下的内力及变形计算

基坑整体稳定验算(www.xing528.com)

围护桩抗倾覆稳定验算

坑底土体抗隆起稳定验算

支撑内力及变形计算

2.围护结构布置及计算参数取值说明

基坑开挖深度影响范围内土体为1杂填土、2—1粉质黏土、2—2砂质粉土、3—1淤泥质粉质黏土、3—2淤泥质粉质黏土、4粉质黏土。

根据地质勘察资料，并结合已有经验和浙江省标准《建筑基坑工程技术规程》，各土层物理力学指标见表8-5。

计算时超载采用15kPa。土压力采用朗肯土压力，水土合算，按矩形分布模式计算。围护桩内力及变形采用m法进行计算。

表8-5 各土层物理力学指标

3.基坑围护结构受力及稳定性分析

坑底标高-16.000m，挖深15.5m，采用上部放坡结合三道注浆锚管、下部一排ϕ1000@1200钻孔灌注桩结合两道钢筋混凝土支撑支护，钻孔桩外侧采用一排ϕ850@600水泥搅拌桩止水止土，坑底采用三轴水泥搅拌桩ϕ850@600加固，计算时地表超载按15kPa考虑。围护布置如图8-25所示：

图8-25 区域1-1 围护布置图

计算时选用ZK26孔地质剖面图作为典型计算断面，计算结果如下：

[上部土钉支护验算结果]

[局部抗拉验算结果]

[外部稳定计算结果]

抗滑安全系数： 23.218 >1.300

抗倾覆安全系数： 304.173 >1.600

[下部钻孔灌注桩结合两道支撑支护验算结果]

计算时将上部土体作为荷载考虑。

1.围护结构内力及变形计算

计算时分为五种工况

工况一：土体开挖到第一道支撑底部，如图8-26所示。

图8-26 工况一

工况二：第一道支撑做好，土体开挖到第二道支撑底部，如图8-27所示。

工况三：第二道支撑做好，开挖到基坑底部，如图8-28所示。

工况四：地下室底板及地下三层顶板施工完毕，第二道支撑拆除，如图8-29所示。

工况五：地下二层顶板施工完毕，第一道支撑拆除，如图8-30所示。

图8-27 工况二

图8-28 工况三

图8-29 工况四

图8-30 工况五

内力位移包络图如图8-31所示。

图8-31 内力位移包络图

[围护结构内力及变形计算结果]

各工况：

[整体稳定验算]

计算方法：瑞典条分法

整体稳定安全系数K_s=1.564，满足规范要求。

[围护桩抗倾覆稳定验算]

抗倾覆安全系数K_s=2.514，满足规范要求。

[桩底土体抗隆起验算]

Prandtl（普朗德尔）公式：K_s=3.357，满足规范要求。

Terzaghi（太沙基）公式：K_s=3.861，满足规范要求。

[嵌固深度计算]

嵌固深度计算过程：

按《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—1999）圆弧滑动简单条分法计算嵌固深度：

圆心（-2.900，14.953），半径为33.081m，对应的安全系数K_s=1.381≥1.300

嵌固深度计算值h₀=17.500m

嵌固深度设计值h_d=αγ₀h₀

=1.100×1.000×17.500

=19.250m

嵌固深度采用值h_d=19.500m

4.支撑内力及水平位移计算

该基坑支撑轴力及变形的计算程序采用有限元软件SAP2000，计算结果如图8-32～图8-35所示。

图8-32 第一道支撑轴力图（单位：kN）

图8-33 第一道支撑变形图（单位：mm）

图8-34 第二道支撑轴力图（单位：kN）

图8-35 第二道支撑变形图