復雜環境條件下深大基坑支護與降水技術

鄭棟材 夏飛雪 井小琴

摘要：隨著我國經濟快速發展城市土地資源的緊缺，城市核心地帶建筑往往呈現出樓層高、基坑深、周邊環境復雜等特點，而樁錨支護體系作為一種超靜定結構，對于復雜環境條件下的深基坑支護具有較強的適用性。本文項目位于鄭州火車站核心地帶，地上46層，地下3層，周邊環境復雜，基坑采用樁錨支護體系，中部砂層坑壁輔以土釘墻構造補強的支護措施，取得了良好的支護效果。

關鍵詞：復雜環境；深大基坑；支護設計

1.工程概況

1.1基坑工程概況

擬建商都電子商貿城，位于鄭州市火車站附近，正興街和福壽街交叉口西北角，二馬路以東，解放路以南。總建筑面積約13.7×104m2，地下三層，上部主樓分為南北兩個塔樓（南塔樓地上38F，北塔樓地上46F）及裙房（五棟5F商業用房）。本基坑開挖深度為15.0m，局部16.0m。基坑邊坡側壁安全重要性等級為一級[1]，安全重要性系數取1.10。

1.2基坑周邊情況

擬建工程地下室輪廓線距離東邊福壽街路牙石約9.5m，東北距離福壽街路牙石19.0m。福壽街目前存在污水、雨水、電力及通訊管線，其中污水管線距離基坑6.0m，管頂埋深約3.5m，電力及通訊管線距離地下室輪廓線分別為8.0m和10.5m；福壽街北半部路中心現存高架橋一座，車流量較大；南邊距離正興街路牙石9.5m，距離正興街北地下道約15.0m，該輔道目前存在污水、雨水及電力管線，其中電力管線距離基坑6.5m，污水及雨水管線距離地下室輪廓線分別為12.5m和10.0m；西邊距離二馬路路牙石14.0m，二馬路西側，從南向北方向，依次有4棟已有建筑，分別為6F、6F、28F和4F。二馬路目前存在給水、雨水、通訊及電力管線。其中電力管線距離基坑6.5m；給水、雨水及通訊管線距離地下室輪廓線分別為11.5m、9.2m和7.0m；北側距離解放路路牙石5.0m，解放路為東西向馬路，路中心有高架橋一座，車流量較大，高架橋橋墩距離基坑地下室輪廓線最近處約19.0m。在3倍基坑深度范圍內的環境條件情況較復雜，基坑周邊地下給排水管道、地下燃氣和熱力管線、地下通訊光纜、地上高壓線路、通信線路、高架橋等分布密集并且距離基坑較近，并且1倍基坑深度范圍內便是車水馬龍、人流密集[2-5]。周邊環境見圖1。

1.3工程水文地質條件

場地地貌單元屬黃河沖積傾斜平原與緩傾斜平原的交接部位，地層較復雜，基坑開挖影響深度范圍內地層分布如下：

第①層雜填土，稍濕，稍密，層底深度0.3m～1.6m，平均厚度0.78m；第②層粉土，稍濕，稍密，層底深度1.2m～4.2m，平均厚度2.14m；第③層粉土，稍濕，稍密，層底深度3.7m～ 7.1m，平均厚度2.49m；第④層粉土，稍濕，稍密，層底標高89.8m～93.9m，平均厚度2.84m。第⑤層粉土，濕，稍密，層底深度8.3m～15.3m，平均厚度2.70m。第⑥層粉砂，飽和，中密，該層主要分布在場地中部，層底部含有較多小礫石及原生鈣質結核，層底深度9.5m～20.8m，平均厚度4.05m。第⑦層粉土，稍濕，中密，層底深度17.0m～26.5m，平均厚度5.18m。涉及基坑支護與降水的土性物理力學指標參數見表1。

地下水類型為潛水，潛水含水層巖性主要為粉土和粉砂，其補給來源主要為大氣降水，排泄方式主要為人工開采和地下徑流，施工期間地下水位埋深11.1m～12.1m，水位年變幅按2m～3m，近3年～5年內最高水位按埋深10m，歷史最高水位埋深按8.0m考慮，抗浮設防水位埋深也按8m設計。基坑開挖深度為15m，局部16m，超出地下水位5m，需要采取降水措施使地下水位降低至基底設計標高以下1m。

2.本基坑工程的重點和難點

如前所述，處于鄭州火車站這一中心地帶的地理位置，決定了基坑周圍地上和地下的環境條件均非常復雜，已有建筑、地下管網、地上地下線路等與基坑開挖邊線的距離都非常小，變形要求很嚴格；基坑開挖面積較大，開挖深度較深（地下15m深度內有三層地下室）；根據勘察成果，基坑開挖深度范圍內存在兩個廢棄并局部坍塌的防空洞：其一埋深約5m，在場地中東部向南延伸，另一個在基坑西北開挖邊線附近，與基坑側壁大致呈55°斜交，埋深約9m；此外，由于需要降低地下水位，基坑降水容易引起基坑周邊地下水位降低、土體壓縮變形從而引起周邊地面下沉，這進一步加大了基坑工程施工過程中，控制基坑周邊土體水平和垂直位移的難度[6-7]。

3.基坑工程支護與降水方案

3.1基坑支護設計方案選型

基坑支護設計、施工和監測，應綜合考慮地質條件、基坑開挖深度、基坑周邊環境條件與保護要求、主體工程要求、施工季節變化、施工能力等因素，合理選型[8]。考慮到本基坑開挖深度大、周邊無放坡空間，并且地下管網線路較多，周邊已有建（構）物也較多、變形要求嚴格的特點，適合的支護方案有樁錨、內支撐、斜支撐、樁錨與內支撐聯合支護等多種形式。從安全、經濟、節約工期、當地成熟的施工經驗等方面考慮，樁錨支護方案是適宜的，相比較其他可選的方案而言，費用少、工期短、方便下步工序施工且在當地施工技術成熟。具體支護形式為：鋼筋混凝土排樁、預應力錨索、土釘墻相結合的組合方案[9-10]。根據場地地層條件，基坑東西兩側開挖深度內粉砂層厚度較小（0m～1.2m），考慮采用樁錨支護結合短構筑土釘的支護方案（1—1支護剖面），詳見基坑支護平面示意圖bc段和da段；基坑中部南北兩側在地面以下12.5m～17.8m深度處分布較厚的粉砂層（厚度3m～8m），所以在采用樁錨支護的基礎上，將位于坑壁砂層部位采用相對較長的密集土釘來補強加固（2—2支護剖面），詳見基坑支護平面示意圖ab段和cd段；基坑東部弧形頂部售樓部位置由于項目商業宣傳和使用要求原因，需要先期開挖，先期澆筑底板和完成裙樓主體施工，所以便形成了東西兩側坑中坑（注：基坑設計時，業主方已將基坑整體下挖至自然地面以下1.5m深度，此后施工順序為東側弧頂售樓部所在裙樓位置先期開挖和完成基礎及主體施工，迅速投入使用，此時再施工其余部位基礎和主體。）對于因施工順序造成坑中坑的臨時邊坡，采用天然放坡的支護方案（3—3支護剖面）。各支護剖面位置詳見圖2。

3.2基坑設計與施工

3.2.1樁錨支護體系（1—1支護剖面）

支護形式為鋼筋混凝土排樁+預應力錨索+短土釘掛網噴面。自然地表下-1.5m處為一放坡平臺，按照1∶0.2放坡，平臺寬為1.0m；在平臺上施工鋼筋混凝土排樁，混凝土排樁為一排，樁徑0.8m，樁間距1.5m，樁長27m，配筋16φ20，加強筋φ16@2000，箍筋φ8@200，樁縱筋采用HRB335，螺旋箍筋HRB235；冠梁截面尺寸900mm×500mm，主筋采用HRB335、箍筋HRB235。預應力錨索從上到下分別采用2束～4束15.2有黏結型鋼絞線，錨索長度23m～27m，孔徑為200mm，成孔傾斜角度為20°，錨索水平間距1.50m，垂直間距3.0m；在預應力錨索中間打入土釘，長度2.0m，橫向和縱向間距均為1.0m，配筋φ20，傾角20°；土釘孔內注入水灰比0.5的純水泥漿，水泥強度P.C32.5級；在錨索端部焊接φ12加強筋；樁間土掛上φ8@250鋼筋網，噴射混凝土厚度40mm，強度C20。支護剖面詳見圖3。

3.2.2樁錨結合土釘支護體系（2—2支護剖面）

本段支護形式與1—1支護剖面的形式相似，但由于在基坑中部地段（ab段和cd段）；地面以下12.5m～17.8m深度處分布有厚度3m～8m的粉砂，所以在采用樁錨支護的基礎上，在位于坑壁砂層部位（12m～16m深度）采用密集構造土釘墻來補強加固，土釘長度6m～9m，水平間距1.5m，垂直間距1.5m，配筋φ20，傾角20°；土釘孔內注入水灰比0.5的純水泥漿，水泥強度P.C32.5級。在錨索端部焊接φ12加強筋；樁間土掛上φ8@250鋼筋網，噴射混凝土厚度40mm，強度C20。支護剖面詳見圖4。

3.2.3放坡支護體系（3—3支護剖面）

該地段邊坡為施工順序形成的坑中坑（階段性成因邊坡），側壁安全等級為二級。采用放坡支護結合素噴的方式支護。按1∶1放坡，自然地表下-4.0m處留二層平臺，平臺寬1.0m。坡面采用混凝土素噴，噴射厚度40mm，強度C20，該剖面垂直高度為13.5m。支護剖面詳見圖5。

3.2.4基坑降水設計

場地內地下水位埋深為自然地表下11.1m。根據工程施工要求，降水深度應大于基底深度1.0m，因此需采取降水措施。由于場地周邊沒有開挖放坡的場地，無法施工降水井，所以，根據場地含水層特征、周邊環境條件結合鄭州地區類似工程施工經驗，本基坑選擇管井降水措施。管井布置按照20m～25m間距布置，管井施工按照市政降水工程設計要求進行，見圖6。

3.2.5變形監測結果

基坑開挖過程中，必將引起周圍土體應力狀態的改變，進而導致坑壁土體和支護結構產生位移和變形。這些變形主要包括基坑內土體隆起，支護結構和其后土體的水平位移和垂直位移[11-13]。本基坑施工過程中，對支護結構的位移、地下水位變化、周圍建筑物的沉降、裂縫、錨索內力等進行了動態監測，監測結果表明，坡頂最大水平位移為27.8mm，最大深層水平位移為39.4mm，最大沉降量為22.6mm，其變形量均在基坑監測預警值允許的范圍內。根據監測數據，附近建筑物和管線變形監測數值均滿足設計和規范要求，支護工程取得圓滿成功。

4.結語

基坑工程是建筑工程尤其是高層建筑的重要部分[14]，隨著土地資源的緊缺，城市核心地帶建筑往往呈現樓層高、基坑深、地段窄、周邊環境復雜等特點，對此地段基坑采取樁錨支護并結合土釘墻構造補強的措施，具有安全可靠、經濟合理、節約工期、方便施工等優勢。同時，樁錨支護體系作為一種超靜定結構，對于復雜環境條件下的深基坑具有較強的適用性，并且在各地都有較多成功的應用實例。此外在復雜環境條件下深基坑支護施工中，加強巡視、實時監測、動態管理、信息化作業是深基坑支護成功的重要保障。

參考文獻：

[1]JGJ120-1012，建筑基坑支護技術規范[S].北京：楊斌，黃強，楊志銀，王衛東，等. 2012. JGJ120- 1012， technical specification for retaining and protection of building foundation excavations[S]. Beijing： Yang Bin， Huang Qiang， Yang Zhiyin， Wang Weidong， etc.， 2012.

[2]張萌萌.復雜環境條件下的深基坑支護設計與分析[J].廣東土木與建筑， 2019， 26（05）：48-51. Zhang Mengmeng. Design and analysis of deep foundation pit support under complex environmental conditions [J]. Guangdong civil engineering and architecture， 2019，26 （05）： 48-51.

[3]唐喜青.復雜環境條件下深基坑支護設計和施工[J].工程建設， 2019， 51（05）：53-56. Tang Xiqing. Design and construction of deep foundation pit support under complex environmental conditions [J]. Engineering construction， 2019，51 （05）： 53-56.

[4]張迪.復雜環境下深基坑支護優化設計研究[D].西安工業大學， 2017. Zhang Di. Optimization design of deep foundation pit support in complex environment [D]. Xian University of technology， 2017.

[5]伍智平，耿曄寬，夏愛軍.復雜地質與環境條件下深大基坑支護設計方案選型與應用[J].江蘇建筑， 2016（05）：88-89+103. Wu Zhiping， Geng Yekuan， Xia Aijun. Selection and application of support design scheme for deep and large foundation pit under complex geological and environmental conditions [J]. Jiangsu architecture， 2016 （05）： 88-89 + 103.

[6]宋立峰，左人宇.復雜周邊環境條件下的基坑工程設計與施工[J].探礦工程（巖土鉆掘工程）， 2006（09）：9-11. Song Lifeng， Zuo Renyu. Design and construction of foundation pit un- der complex surrounding environment [J]. Prospecting Engineering（geotechnical drilling engineering）， 2006 （09）： 9-11.

[7]何俊照，李云安，金玉玲，宋黑，梁東.河南信息南廣場基坑支護技術[J].探礦工程（巖土鉆掘工程）， 2018， 45（09）：84-88. He Junzhao， Li yunan， Jin Yuling， song Hei， Liang Dong. Foundation pit support technology of Henan information South Square [J]. Exploration Engineering （geotechnical drilling engineering）， 2018， 45（09）： 84-88.

[8]DBJ41/139-2014，河南省基坑工程技術規范[S].北京：周同和，李小杰，趙迷軍，郭院成，等. 2014. DBJ41 / 139-2014， henan technical code for foundation excavation[S]. Beijing： Zhou Tonghe， Li Xiaojie， Zhao Mijun， Guo Yuancheng， etc.， 2014.

[9]李光宏.復雜環境基坑支護方案的綜合設計[J].探礦工程（巖土鉆掘工程）， 2018， 45（09）：80-83. Li Guanghong. Comprehensive design of foundation pit support scheme in complex environment [J]. Prospecting Engineering （geotechnical drilling engineering）， 2018， 45（09）： 80-83.

[10]張主華，陳秋南，王建東.復雜環境條件下深基坑支護方案設計[J].西部交通科技， 2010（05）：46-50. Zhang Zhuhua， Chen qiunan， Wang Jiandong. Supporting scheme design of deep foundation pit under complex environment [J]. Western communication technology， 2010 （05）： 46-50.

[11]秦昊，王貴和，賈蒼琴.復雜環境條件下某深基坑支護技術[J].施工技術， 2010， 39（11）：57-60. Qin Hao， Wang Guihe， Jia Cangqin. Supporting technology of a deep foundation pit under complex environment [J]. Construction technology， 2010， 39（11）： 57-60.

[12]魯海濤.深基坑支護變形與位移預測分析[D].新疆農業大學， 2016. Lu Haitao. Prediction and analysis of deformation and displacement of deep foundation pit support [D]. Xinjiang Agricultural University， 2016.

[13]李金清.坑中坑基坑支護設計變形計算影響因素分析[D].天津大學， 2012. Li Jinqing. Analysis of influencing factors of design deformation calculation of pit in pit foundation pit support [D]. Tianjin University， 2012.

[14]劉海兵.鳳城國貿工程超深基坑樁錨支護設計與施工[J].探礦工程（巖土鉆掘工程）， 2019， 46（05）：86-91. Liu Haibing. Design and construction of pile anchor support for super deep foundation pit of Fengcheng international trade project [J]. Prospecting Engineering （geotechnical drilling engineering）， 2019， 46 （05）： 86-91.