復(fù)雜地質(zhì)條件下深基坑工程支護(hù)設(shè)計與施工的研究

摘 要】某深基坑位于昆明老城區(qū)，開挖深度達(dá)10.4m，在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，依據(jù)該工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，土質(zhì)條件和周圍環(huán)境，以土釘墻作為主要基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)型式，詳細(xì)介紹了該方案設(shè)計思路以及施工步驟。經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測，實(shí)測基坑邊坡側(cè)向最大位移值僅為26mm，一般在5～15mm間，其他監(jiān)測指標(biāo)均在設(shè)計的控制標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，取得了較好的支護(hù)效果和經(jīng)濟(jì)效益。

【關(guān)鍵詞】深基坑；支護(hù)設(shè)計；土釘墻

1. 引言

基坑是建筑工程的一部分，其發(fā)展與建筑業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)，而深基坑是充分利用土地資源的方式之一。由于我國地少人多，人均占有土地還不及全世界人均占有土地的十分之一，為節(jié)約土地，向空間要住房，向舊房要面積，許多高層建筑拔地而起。據(jù)不完全統(tǒng)計，1980~1989年10年間，我國新建高層建筑1000余幢，1990年~1999年10年間，全國新建的高層建筑超過9000幢。適當(dāng)發(fā)展多層和高層，向空中和地下發(fā)展是解決我國土地資源緊張的一條重要出路。隨著城鎮(zhèn)建設(shè)中高層及超高層建筑的大量涌現(xiàn)，深基坑工程越來越多，同時，密集的建筑物、大深度的基坑周圍復(fù)雜的地下設(shè)施，使得放坡開挖基坑這一傳統(tǒng)技術(shù)不再能滿足現(xiàn)代城鎮(zhèn)建設(shè)的需要，因此，深基坑開挖與支護(hù)引起了各方面的廣泛重視。尤其是90年代以來，基坑開挖與支護(hù)問題已經(jīng)和正在成為我國建筑工程界的熱點(diǎn)問題之一。

2. 深基坑支護(hù)方案設(shè)計與施工［1］

深基坑支護(hù)的目的在于確保坑壁的穩(wěn)定，施工安全，鄰近建筑物和構(gòu)筑物以及管線的安全，有利于挖土及地下室的建造，而且要保證支護(hù)結(jié)構(gòu)施工方便，經(jīng)濟(jì)的合理性，所以支護(hù)體系的選用原則應(yīng)該是安全、經(jīng)濟(jì)、方便施工，同時選用支護(hù)體系也要因地制宜。

安全不僅指支護(hù)體系本身安全，保證基坑開挖、地下結(jié)構(gòu)施工順利，而且要保證鄰近建(構(gòu))筑物和市政設(shè)施的安全和正常使用；經(jīng)濟(jì)不僅是指支護(hù)體系的工程費(fèi)用，而且要考慮工期，考慮挖土是否方便，考慮安全儲備是否足夠，應(yīng)采用綜合分析，確定該方案是否經(jīng)濟(jì)合理；方便施工也應(yīng)是支護(hù)體系的選用原則之一，方便施工可以降低挖土費(fèi)用，而且可以節(jié)省工期，提高支護(hù)體系的可靠性。一個優(yōu)秀的支護(hù)體系設(shè)計，要做到因地制宜，根據(jù)基坑工程周圍建(構(gòu))筑物對支護(hù)體系變位的適應(yīng)能力，選用合理的支護(hù)型式，進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)體系設(shè)計。相同的地質(zhì)條件，相同的挖土深度，允許圍護(hù)結(jié)構(gòu)變位量不同，滿足不同變形要求的不同的支護(hù)體系的費(fèi)用相差可能很大。

深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工不同于上部結(jié)構(gòu)，除地基土類別的不同外，地下水位的高低，土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)以及周圍環(huán)境條件等，都直接與支護(hù)結(jié)構(gòu)的選型有關(guān)。表1所示為幾種常見深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)。支護(hù)結(jié)構(gòu)型式選擇的合理性，關(guān)系到安全可靠、施工順利和工期等等問題，下面就昆明某深基坑探討該工程支護(hù)方案的設(shè)計與施工問題。

3. 工程概況

該工程位于昆明市老城區(qū)。由地上10～22層住宅樓，3層裙房和地下車庫等建筑物構(gòu)成，平面尺寸約為110m×82m，均設(shè)兩層地下室，基礎(chǔ)埋深均為-10.4m，屬于大型深基坑。

由于基礎(chǔ)埋深范圍內(nèi)存在上層滯水，為滿足基坑土方開挖及地下土建施工期間對邊坡穩(wěn)定性和地下水的要求，必須在基坑四周采取有效的人工降水和護(hù)坡措施以確保基坑邊坡的安全。

3.1 工程地質(zhì)概況

3.1.1 工程地層情況。擬建場區(qū)基本平坦，自然地坪標(biāo)高平均約為42.82m。根據(jù)現(xiàn)場鉆探與原位測試及室內(nèi)土工試驗(yàn)成果綜合分析，在最大勘探深度范圍內(nèi)(20.0m)的地層，除局部有人防分布外，按沉積年代、成因類型，共劃分為2個成因類型4個大層，自上而下分述如下：

3.1.2 人工堆積層。該層分布于場地表層，包括粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土填土層及房渣土層，局部有爐灰位于第二層，厚度一般為2.0m～4.0m，局部達(dá)4.40m～5.10m。

3.1.3 第四紀(jì)沉積層。①砂質(zhì)粉土、粘質(zhì)粉土層：位于標(biāo)高37.76m～40.81m以下，具中低壓縮性；②砂質(zhì)粉土、粘質(zhì)粉土層：位于標(biāo)高36.22m～37.58m以下，具低壓縮性；③粉砂、細(xì)砂層：位于標(biāo)高33.98m～35.12m以下；④卵石、圓礫層：位于標(biāo)高29.82m～31.50m 以下。

4. 支護(hù)方案的選擇［3］

4.1 基坑支護(hù)方案的選擇原則及要求①滿足深基坑護(hù)坡的穩(wěn)定性要求；②確保土方開挖及基礎(chǔ)土建施工期間邊坡的安全；③優(yōu)化護(hù)坡方案，盡量降低護(hù)坡成本；④施工工序簡單有效，盡量縮短施工工期。

4.2 本項目基坑護(hù)坡的技術(shù)難點(diǎn)分析。基坑支護(hù)方案的選擇受多種條件的制約，如：基坑平面尺寸大小、基坑開挖深度、地下水位情況、工程地質(zhì)情況、周邊建筑物及場區(qū)內(nèi)的地下管線布置等因素。從本工程的邊界條件和地層條件來看，其基坑護(hù)坡存在以下技術(shù)難點(diǎn)：

4.2.1 基坑大、土質(zhì)差。由于該工程屬大型深基坑。而上部2.5m～4.0m內(nèi)均為雜填土，土質(zhì)屬中軟地層，這樣無論是土釘護(hù)坡還是護(hù)坡樁護(hù)坡都有一定的施工難度。

4.2.2 地下障礙物的存在。由于本工程位于老城區(qū)內(nèi)，地下各種廢棄管和人防等地下障礙物的位置、埋深、走向、數(shù)量不詳，造成地下水的滲漏位置、水量不清。

4.2.3 地下水的存在。由于本場區(qū)槽深內(nèi)存在大量上層滯水，盡管采用了深井井點(diǎn)降水措施，但因該滯水主要來自廢棄的各種地下管線，其位置、深度、走向及水量不清，勢必造成護(hù)坡面存在局部滲水，這要求本工程護(hù)坡時必須采用封堵和導(dǎo)排措施相結(jié)合方可確保邊坡的安全。

4.2.4 服務(wù)期限長。由于該建筑物地下結(jié)構(gòu)面積大、工序多，且屬于邊施工邊設(shè)計，護(hù)坡的服務(wù)期相對較長。同時本工程支護(hù)體系要面臨雨季考驗(yàn)，這就要求其護(hù)坡體系絕對安全可靠。

4.3 基坑技術(shù)方案的確定。從上述分析可以看出，本工程護(hù)坡區(qū)的周邊條件的差異要求本基坑護(hù)坡方式和支護(hù)體系強(qiáng)度不同，在選擇各側(cè)護(hù)坡方法時，應(yīng)在充分利用原狀土自穩(wěn)的條件下實(shí)現(xiàn)基坑各側(cè)的支護(hù)體系與周邊條件相統(tǒng)一。通過受力分析表明，采用一般土釘護(hù)坡或懸臂護(hù)坡樁護(hù)坡均無法滿足邊坡的整體穩(wěn)定性要求。為此，在詳細(xì)分析本基坑的地質(zhì)條件和周邊環(huán)境的基礎(chǔ)上，通過理論分析并參考同類工程的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)的對比，提出本基坑的護(hù)坡方案。

4.3.1 采用加強(qiáng)型土釘墻支護(hù)方案(0～-4.0m)。由于基坑上部0～-4.0m內(nèi)土質(zhì)以雜填土為主，且廢棄地下管線也多存在于該深度內(nèi)，為此，在該區(qū)段內(nèi)采用加強(qiáng)型土釘墻護(hù)坡來增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，改善邊坡的受力狀況確保其邊坡穩(wěn)定。

4.3.2 采用加長土釘支護(hù)方案(-4.0m ～-10.4m)。為了提高邊坡的抗滑力和增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體抗傾覆彎距，將在該區(qū)段內(nèi)采用加長土釘來增加土釘?shù)耐凉塘Γ岣咦o(hù)坡的安全系數(shù)。

5. 基坑土釘墻支護(hù)設(shè)計

5.1 土方開挖要求。采用分步島式開挖，挖土施工按要求分步進(jìn)行，每步沿護(hù)坡邊線施工并由人工修坡，在開挖前放挖邊線。及時進(jìn)行支護(hù)施工，平行作業(yè)，每步挖土待噴砼面層和注漿砼達(dá)一定強(qiáng)度后，方可繼續(xù)開挖下一步。

5.2 挖土深度的確定及分步開挖方案。挖土深度必須滿足邊坡穩(wěn)定的要求，并和土釘支護(hù)的排距及施工方便相匹配。

按照邊坡穩(wěn)定分析(庫爾曼法)，保持穩(wěn)定的土釘臨界高度hcr為：

由地質(zhì)勘察資料，取C平均為20.0 KPa，γ為21.0 KN／m ，φ為20°； 按直立開挖計算即β取為90°，計算結(jié)果為3.6米。土釘支護(hù)排距為1.5米。綜合考慮成孔為人工洛陽鏟成孔，必須有不低于1米的作業(yè)空間，最后確定開挖步驟如下：

5.3 挖土方法及要求。挖土應(yīng)分四步進(jìn)行。第一步土方挖深為2.3m～2.4m，第一、二排土釘施工；第二步挖深為2.0m，第三排土釘施工；第三步挖深為2.5m，第四、五排土釘施工；第四步挖至-10.2m，停止機(jī)械挖土，改用人工清土至設(shè)計槽底標(biāo)高-10.4m，以防超挖和地基土的機(jī)械擾動。須在上一步土釘護(hù)坡完成并待護(hù)坡砼達(dá)到一定強(qiáng)度后，方可進(jìn)行下一步土方開挖。這樣做優(yōu)點(diǎn)在于：(1)采用島式開挖，能有效的控制基坑邊坡的變形(位移)，減少了基坑的無支護(hù)的暴露面積和暴露時間，土釘支護(hù)及時，根據(jù)基坑開挖時空效應(yīng)原理，能有效的利用土體自身控制地層變形(位移)的潛力；當(dāng)基坑中間土挖除時，先期施工土釘支護(hù)注漿砼和噴砼面層已達(dá)一定強(qiáng)度，可有效的控制基坑的變形。(2)土釘支護(hù)工作條件好，不需支架施工，施工速度快，能保證土釘支護(hù)及時。

6. 加強(qiáng)型土釘墻支護(hù)質(zhì)量保證措施

6.1 邊坡修整。每層土方開挖后，人工及時按照設(shè)計的坡度(上部為1：0.25，下部為1：0.15)進(jìn)行邊坡修整，要做到削平、削到位。修整坡面時，每隔5.0m左右設(shè)置控制點(diǎn)，使修整的坡面坡度達(dá)到設(shè)計要求。

6.2 定位。根據(jù)土桿設(shè)計間距在邊坡上定出每個土桿的位置，并作出標(biāo)記，孔位誤差不大于100mm。

6.3 成孔及土桿安裝。①成孔直徑不小于設(shè)計直徑(100～130mm)；②角度應(yīng)控制在50～100之間；③成孔應(yīng)做好記錄，并在檢查合格后方可進(jìn)行下一道工序。

6.4 注漿。水泥漿的水灰比為0.5到0.55，特殊地層可適當(dāng)調(diào)整，壓力不小于0.3MPa。水泥漿注入飽滿，補(bǔ)漿次數(shù)不小于2次，并使孔內(nèi)水泥漿充足飽滿為止。

6.5 編網(wǎng)。按設(shè)計要求的間距和保護(hù)層進(jìn)行編網(wǎng)、綁扎，搭接長度要符合規(guī)范要求，網(wǎng)片與土桿鋼筋外上端的彎鉤焊接成一個整體。

6.6 噴射混凝土。噴射砼分兩次進(jìn)行，噴射砼強(qiáng)度等級為C20，配合比為水泥：砂：石=1：2：2，并根據(jù)地層情況和天氣情況可適量加入速凝劑，混合料應(yīng)攪拌均勻。空壓機(jī)風(fēng)量≥9m3/mn，氣壓取0.2～0.5MPa，噴頭水壓≥0.1MPa，噴射距離為1.0左右。噴射厚度不小于設(shè)計要求。

6.7 施工監(jiān)測。基坑采用土釘墻護(hù)坡后，其支護(hù)體系最大的水平位移和垂直沉降一般均發(fā)生在基坑邊壁的頂部1.0m內(nèi)。為了能及時準(zhǔn)確地了解土方開挖期間及護(hù)坡完成后邊坡的穩(wěn)定狀況，在基坑護(hù)坡期間沿基坑邊壁的頂部0.4m～1.0m處，每隔30m設(shè)置一個基坑位移觀測點(diǎn)。在基坑護(hù)坡期間，每天觀測l～2次；在完成基坑開挖、變形趨于穩(wěn)定后，每3～5天觀測一次，施工監(jiān)測的內(nèi)容如下：①支護(hù)體位移的量測；②地表開裂狀態(tài)(位置、裂寬)的觀察；③附近建筑物及重要管線設(shè)施的變形和裂縫觀察；④基坑滲、漏水和基坑內(nèi)外地下水的水位變化。

根據(jù)本工程的特點(diǎn)，基坑水平位移的警界值為≤3‰H(H為槽深)。

7. 取得成果

本工程自2005年4月25日進(jìn)場，5月20日正式開工，7月5日啟動降水，至8月18日完工，歷時115天，取得成果如下：

7.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面：在土方開挖后，自2005年7月1日至10月1日共92天，對基坑邊坡側(cè)向位移進(jìn)行了全面觀測，最大位移值僅為26mm，一般在5～15mm間，符合規(guī)范要求，也達(dá)到了設(shè)計要求。

7.2 降水方面：采用周圍管井封閉降水，坑內(nèi)減壓水井快速疏干和降低承壓水頭，局部引滲明排相結(jié)合的方法，達(dá)到了地下結(jié)構(gòu)干槽作業(yè)的目的。

7.3 土方開挖方面：基底土無擾動，平面尺寸、槽底標(biāo)高均符合設(shè)計要求。

7.4 竣工驗(yàn)收：設(shè)計與施工控制規(guī)范、科學(xué)、合理，技術(shù)組織措施落實(shí)到位，保障有力，隱蔽驗(yàn)收資料齊全，工程優(yōu)良。

8. 結(jié)語

8.1 深基坑工程支護(hù)方案設(shè)計，應(yīng)綜合考慮基坑特點(diǎn)，土質(zhì)條件、周圍建筑物以及構(gòu)筑物環(huán)境、工程造價等因素。本工程基坑開挖深度達(dá)10.4m，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計主要采用加強(qiáng)型土釘墻和加長土釘護(hù)坡支護(hù)等支護(hù)方案，并成功解決了基坑支護(hù)、土方中多項施工技術(shù)難點(diǎn)。

8.2 施工過程以及完工以后，均加強(qiáng)了監(jiān)測力度，為保證工程的有效順利進(jìn)行，防止突發(fā)工程事故提供了有效的保障。監(jiān)測資料表明支護(hù)方案合理，支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)妥可靠，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

參考文獻(xiàn)

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［文章編號］ 1619-2737（2008）03-21-068