大型地下建筑物深基坑土方開挖施工技術

楊 熙

中國一冶集團有限公司上海分公司 上海 200443

1 工程概況

武漢武青堤（羅家港—武豐閘）堤防江灘綜合整治工程建設四路地下覆土建筑物（以下簡稱建四覆土建筑物）設于土堤堤身以下，為地下2層建筑，長459 m，寬39 m，頂部覆土0.3～1.4 m，總建筑面積31 801 m2。地下覆土建筑物為地上3跨、地下5跨的雙層鋼筋混凝土框架結構，建筑總高度9.3 m，地下1層層高5.1 m，地下2層層高4.2 m，采用鉆孔灌注樁基礎，柱下承臺高1.5 m，承臺之間設600 mm×1 500 mm的連梁，底板厚600 mm。地下覆土建筑物底板高程19.1 m，普挖深度6.8 m，局部承臺、地梁處開挖深度為7.5 m，頂平臺高程為28.30 m，平臺總寬度為27.8 m，兩側用土體進行覆蓋使地下覆土建筑隱藏于土堤堤身中，通過踏步通道與堤內市政道路相接（圖1）。

圖1 原江堤改為地下覆土建筑物示意

1.1 基坑周邊環境條件

建四覆土建筑物工程位于武青堤沿線，基坑平面布置呈長條形，基坑東側（長邊）為臨江大道，道路邊線距基坑邊線距離為7.5～25.0 m，同時建筑物較多，有青山區政府大樓和依江畔園住宅小區，因此施工期間對市民及交通影響相對較大。基坑西側（長邊）為堤外江灘，場地較為開闊空曠，僅有砂場、足球場、籃球場等，建筑情況比較簡單。基坑開挖范圍內無地下管線。

1.2 工程地形地貌

根據現場實測，本工程場地靠近臨江大道側現狀地面標高約25.0 m，靠近堤外側灘地現狀地面平均標高26.0 m，較為平坦。場區地貌單元屬長江一級階地及河漫灘。

1.3 場地地層與分布特征

本工程在勘探深度范圍內，按土層的成因、時代、沉積特征及工程地質性質不同，可分為：①層素填土；②1、②2、②2a層壤土，②3層壤土夾砂壤土，②4a層淤泥質壤土，②4層壤土和②5層壤土；③1層粉砂，③2層粉砂，③3層細砂，③4層細砂和③5層含礫中粗砂；④1層強風化粉砂質泥巖和④2層中風化粉砂質泥巖共15層。

1.4 水文地質條件

本工程場區地下水的埋藏類型為上層滯水和孔隙承壓水，上層滯水主要賦存于結構松散、孔隙連通性好的①層素填土中，大氣降水為其主要補給來源；孔隙承壓水主要賦存于③層組砂性土中，與長江水有密切的水力聯系，呈互補關系。勘探時測得混合水位埋深1.20～5.50 m。場地周圍未見明顯污染源，根據鄰近場地水質簡析報告并結合武漢地區經驗可知，地下水對混凝土及其鋼筋具微腐蝕性。

2 施工重、難點分析

1）本工程基坑平面布置較為規則（呈長條形），基坑開挖面積大，深度較深，基坑工程體量較大。

2）場地地質條件差，基坑開挖深度范圍內存在淤泥等軟土，其承載力低、壓縮性高、穩定性差，極易發生坡體滑移、基坑側壁失穩及坑底隆起等工程事故。

3）本工程基坑底局部已進入粉質黏土夾粉土粉細砂互層土，土層垂直滲透系數非常小，水平滲透系數較大，極易發生坑底突涌事故。基坑側壁有流塑狀態淤泥和粉土，易出現流土、流砂等現象。

4）基坑開挖進入軟土層后，挖土、運土機械行走困難，需要鋪設臨時行走道路等。

5）基坑開挖至軟土層后，挖土、運土機械行走極易造成工程樁、降水井等損壞，需要加強對其保護，嚴格控制挖土高差，要求每層挖土厚度不得超過1 m，土方施工機械行走需要對臨時道路進行硬化。工程樁、降水井周邊土體應采用人工挖除。

6）施工任務重、工期緊。根據長江防洪要求，建四覆土建筑物基坑支護開挖、樁基、主體結構、防水、回填等施工必須在一個非汛期內完成（當年10月至次年4月底），施工絕對工期僅6個月，按常規的施工安排，無法按期完成。經分析策劃，其中基坑支護、土方開挖施工是制約本項目工期的關鍵，因此如何確保地下覆土構筑基坑能按期完成，是本基坑施工的重中之重。

3 基坑支護與降水方案設計

3.1 基坑支護設計方案

本工程基坑支護結構形式為：基坑上部3 m采取四周放坡噴錨開挖，下部采取鉆孔灌注樁懸臂支護。

3.1.1 基坑支護樁

基坑豎向支護樁采用鉆孔灌注樁，樁徑0.9 m，間距1.3 m，樁頂標高21.50 m，有效樁長11.5～13.5 m，樁身混凝土強度等級C30。

3.1.2 基坑扶壁樁

臨江大道側延基坑長邊支護樁外側及靠江側局部土質較差的部位外側每26 m設置1組φ900 mm@1 300 mm扶壁樁，樁頂標高及有效樁長同相應的支護樁。

3.1.3 邊坡掛網噴錨

支護樁頂放坡坡面及平臺處均采用厚100 mm掛網噴射混凝土護面，土釘為1φ12 mm，L=0.6 m，橫向間距1.2 m，豎向間距1.2 m。面層掛網采用60 mm×40 mm×3 mm鋼板網，面層噴射混凝土強度C20，厚度100 mm。

3.1.4 樁間掛網噴錨

為防止支護樁間土體流失，樁間采用厚100 mm掛網噴射混凝土護面，掛網采用60 mm×40 mm×3 mm鋼板網。

3.2 基坑降水方案

3.2.1 上層滯水控制

上層滯水主要賦存于上層填土中，主要接受大氣降水和地表排水的滲透補給，無統一自由水面，水量受季節、周邊排泄條件直接影響。采取的控制措施為：

1）上層滯水、雨水采用坑頂、坑底挖排水溝、集水坑的排水措施，排水溝與外部排水管道連通。

2）排水溝和集水坑底板采用C15混凝土澆筑，側墻采用磚砌，施工期間應嚴防雨水等地面積水侵入基坑周邊土體。排水溝凈寬300 mm，凈高300 mm，底板厚100 mm，側墻厚240 mm；集水井凈寬500 mm，凈高500 mm，底板厚100 mm，側墻厚240 mm。

3）對場區坡頂地面采用厚80 mm的C20混凝土硬化寬2 m范圍，以防止地表水下滲。

4）在邊坡坡面每間隔2.0～3.0 m設置1個泄水孔。

5）基坑側壁，在支護樁外側設置單排φ850 mm@600 mm三軸攪拌樁止水帷幕，止水帷幕頂標高22.00 m，有效樁長7.5～10.0 m，底部深入②4層壤土不小于2 m。水泥強度等級為P.O 42.5，摻入量不得小于16%，水灰比為0.8～1.0，要求水泥土28 d無側限抗壓強度不小于1.2 MPa。

3.2.2 承壓水控制

下部砂層中的承壓水位受長江水位影響較大，對基坑的開挖具有一定影響。③1粉砂承壓含水層，頂板埋深最淺為9.8 m，基坑開挖后，基坑底板接近承壓含水層，基坑開挖至坑底后會發生突涌，根據武漢地區對地下承壓水降水經驗，本工程采用深管井進行減壓降水，將承壓水頭降至坑底以下0.5～1.0 m。基坑內布設16口降水井，5口備用降水井兼作為觀測井，共21口井，降水井成井孔徑550 mm，井深23 m，抽水能力為1 440 m3/d。

4 基坑土方開挖施工組織

本工程基坑普挖深度6.8 m，單座基坑土方開挖量達到約160 000 m3，工程地質條件較為復雜，土方開挖總體施工難度較大。

土方開挖是基坑工程施工的主要環節，所有支護措施均是為了土方順利、安全開挖。因此土方開挖的施工組織是保證土方開挖按期完工的決定性因素[1-2]。

4.1 開挖順序安排

根據現場實測，地下覆土構筑物灘地上基坑開挖施工區域內外自然地面標高均高于基坑支護設計圖紙中自然地面標高，相差0.5～2.0 m，覆土建筑物A-C列在現有防洪堤下，為了確保現場實際施工與基坑支護設計工況保持一致，本工程基坑開挖總體順序如下：

1）第1步：平整灘地，灘地土方開挖至標高25.00 m，同時將現有防洪堤土方開挖至標高25.00 m。

2）第2步：開挖基坑冠梁以上土方，開挖底標高21.40 m，同步進行樁頂放坡坡面掛網噴射混凝土、冠梁施工。

3）第3步：開挖冠梁以下土方至坑底，普挖標高18.20 m，同步進行樁間掛網噴射混凝土施工，承臺、基礎梁開挖，承臺開挖底標高17.50 m。

4.2 土方分區開挖

本工程基坑平面布置呈長條形，長約480 m，寬約42 m，土方開挖從平面上擬分6個區域展開施工，施工順序為從中部③區、④區同步開始，依次向①區、⑥區開挖（圖2）。

圖2 土方開挖平面分區示意

每個區域土方分2次開挖至坑底，開挖采取退挖法，每區域內土方開挖完成后，立即進行護坡噴錨及冠梁施工。

4.3 土方分階段開挖

為了盡量縮短施工工期，本基坑土方分階段開挖。綜合考慮基坑開挖面積大，并結合現場實際情況，基坑土方分3個階段開挖。

第1階段土方開挖將現有堤防從標高29.80 m開挖至標高25.00 m，土方量約40 000 m3。此階段分東、西、中三作業面同時開始。土方開挖前先清理表面草皮和地上建（構）筑物拆除后的建筑垃圾，運輸至指定的棄渣場。現有堤防的土方運輸至建設四路江灘堆放，作為基坑回填土和堤防覆土用土。由于場地原因，現有堤防土方在江灘只能堆放20 000 m3，其余土方外運至指定棄土場，待以后取土回填。

第2階段土方開挖從地面標高25.00 m開挖至冠梁底，開挖深度3.60 m，開挖面底標高21.40 m，開挖范圍內主要土質為壤土、壤土夾砂壤土，土方量約90 000 m3。該階段土方開挖相對較為簡單，開挖不受約束，采取分層、分段開挖的方式，利用反鏟開挖，從基坑中間開始，同步向基坑兩側開挖。開挖時盡量先開挖基坑邊坡及支護樁頂，以便樁頂坡面、冠梁等能快速施工（圖3、圖4）。

圖3 第2階段土方開挖示意

開挖前在場地內鋪墊土方運輸車輛臨時行走道路，土方運輸車輛臨時行走道路為4條寬6 m的車道，采用碎石和片石鋪筑，厚度800 mm。此階段每座地下覆土構筑物基坑設置8臺1 m3反鏟挖機。

圖4 第2階段土方開挖運輸車輛行走道路示意

第3階段土方開挖標高從冠梁底標高（21.40 m）至基坑底標高（18.20 m），開挖厚度3.20 m，開挖范圍主要土質為壤土夾砂壤土、淤泥質壤土。基坑底主要位于②3壤土夾砂壤土層，局部進入②4a淤泥質壤土層，土方量約70 000 m3。該階段基坑土方開挖深度較深，開挖相對較為困難，且土質較差、開挖量較大，坑底局部土方需要進行二次轉運。為了便于施工，采取退挖方式，即每區域內土方開挖完成后，立即進行墊層、承臺、地梁等開挖，局部大型反鏟開挖不到的土方采用小型反鏟轉運至坑邊，然后采用大型反鏟挖出（圖5）。

圖5 第3階段土方開挖示意

該階段土方開挖要等冠梁混凝土強度達到設計強度85%后方可進行。開挖應遵守分層、對稱、均衡、限時開挖，嚴禁超挖的原則。該階段土方開挖局部為軟土層，為確保開挖范圍內工程樁（超灌部分）、降水井等的安全，要求每層開挖厚度不得超過1 m，且工程樁、降水井周邊土體采用人工開挖，開挖過程中指派專人進行監控。土方運輸車輛臨時行走道路為4條寬6 m的車道，采用碎石和片石鋪筑，厚度800 mm。在基坑兩端修筑坡道，坡比1∶8。此階段地下覆土構筑物基坑設置8臺1 m3反鏟挖機。

第2、第3階段土方全部外運至指定的棄土場。

4.4 基坑土方開挖技術要求

1）土方開挖應嚴格遵守“分段分層開挖、嚴禁超挖”的原則，并盡可能對稱、均衡地進行土方開挖。

2）對土方開挖過程中臨時邊坡范圍內工程樁和降水井應采取保護措施，均勻挖去其周圍土體，以避免其受到附加的側向壓力。

3）應充分考慮施工作業荷載影響，嚴禁重型機械在基坑頂部行走和作業。

4）基坑開挖過程中必須堅持信息化施工，注意監測信息的反饋資料，及時指導開挖工程。應有充分的應急準備，遇有異常情況時，應及時調整施工措施。若出現緊急情況，則必須采取果斷措施，采取回填反壓、坡頂卸載的原則，阻斷事態發展，再行加固處理，消除隱患后方可繼續開挖。

5）基坑土方開挖要在深度范圍內合理分層，在平面上合理分塊，并確定各分塊開挖的先后順序，可充分利用未開挖部分土體的抵抗能力，有效控制土體位移，以達到減緩基坑變形、保護周邊環境的目的。基坑對稱開挖，即對稱、間隔開挖；基坑限時開挖就是要盡量控制無支撐暴露的時間；基坑平衡開挖是指保持各分塊均衡開挖。

6）開挖到冠梁作業面后，應及時進行冠梁的施工，減少基坑暴露時間和空間。

7）土方開挖分層厚度一般控制在1.5 m左右。軟土各分層開挖的深度不宜超過1 m。

8）基坑開挖期間，應加強降水，確保地下水位始終在開挖面標高以下0.5～1.0 m。

9）挖土機械不得碰撞支護結構、降水運行系統、測量標志和監測元件，嚴禁損傷隔滲帷幕和碰撞、拖動工程樁；機械挖土應避免對工程樁產生不利影響，挖土機械不得直接在工程樁頂部行走。

10）基坑周邊、放坡平臺的堆載及施工荷載不得超過支護設計規定的荷載值；基坑開挖的土方不應堆放在基坑周邊及鄰近建筑物的影響范圍內。按照設計要求，基坑坡頂周邊8 m范圍內嚴禁堆載，挖出土方必須及時運出現場。

11）坑底應根據地基土性質預留厚度0.3～0.5 m（對樁基應留厚1.0 m）的余土采用人工清理，防止大型機械開挖對天然地基及樁基造成擾動及破壞。已挖好的基坑應及時進行清邊檢底，滿封墊層保護基底，以利于改善支護結構的工作狀況。

12）鄰近基坑邊的局部坑中坑宜在大面積墊層完成后開挖。

13）基坑開挖過程中必須作好基坑內外的截水、排水，防止水對基坑坑壁和坑內土體浸泡，并保證正常施工作業面。

14）基坑開挖至坑底標高后，應盡量減少暴露時間，及時進行墊層及基礎施工，防止坑底浸水和暴露，并及時將基礎和支護樁之間的空隙填充密實，確保其緊密銜接。

4.5 工程樁、降水井保護措施

本工程基坑開挖范圍內存在軟土層，確保工程樁在挖土時不受損傷是基坑土方開挖的重點之一，主要采取的技術保護措施如下：

1）挖土前，對挖土施工單位、反鏟車司機做好技術交底，明確工程樁位置、挖土順序、每層開挖厚度等。

2）土方開挖時，派專人負責指揮，分層進行，嚴格控制標高。

3）當工程樁超出坑底過高時，應控制分層開挖的深度和分段進行截樁，工程樁頂與開挖面底部高差保持在1.5 m范圍。在深厚軟弱土層分布區，要嚴格控制每層開挖厚度（分層厚度不得超過1 m）及長度，及時截斷過高的工程樁，清除樁側不均勻分布的土體，防止樁體受到外力而發生偏移和傾斜。

4）工程樁、降水井周邊土體應采用人工開挖，并嚴格控制其四周土方高差不得超過0.5 m。土方開挖前先安裝降水水平管的垂直支撐，分階段分層開挖。降水水平管的垂直支撐用25#工字鋼，上部用200 mm×300 mm×10 mm鋼板做柱頭，下部用500 mm×500 mm×20 mm鋼板做柱腳。先開挖支撐部位的土方，安裝支撐后，再進行大面積開挖（圖6）。

圖6 降水管加固支撐示意

5）進入軟土層后，反鏟車不得在工程樁、降水井周邊行走和挖土作業，以免造成樁體偏位和斷樁。無法避讓時，需對工程樁、降水立管周邊土體進行加固，并派專人進行監護[3-4]。

5 結語

大型建筑物深基坑土方開挖施工比較繁瑣，制約施工的復雜因素較多，對開挖技術也要求較高。在實際開挖施工開始前，應當結合工程實際情況具體分析施工重、難點，制訂具有針對性的專項方案，為土方開挖的順利施工創造條件。在組織土方開挖的施工過程中，科學合理地選擇開挖機械設備，根據現場地下土層分布情況，按照相關規范要求來選擇合理的開挖方式和順序，重視深基坑土方開挖的質量管理，在確保工程質量和安全的同時，按照預定工期完工。