基于復(fù)雜環(huán)境下建筑大面積基坑開(kāi)挖支護(hù)技術(shù)研究

梅煥明

（廣州市第三建筑工程有限公司）

0 引言

建筑基坑開(kāi)挖是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及很多方面的問(wèn)題，例如巖土與支護(hù)的相互影響、土力學(xué)中強(qiáng)度、變形、穩(wěn)定性等，具備極強(qiáng)的綜合性巖土施工難題。基于復(fù)雜的城市規(guī)劃格局，所面臨的建筑、道路、管線(xiàn)分布高度集中的問(wèn)題，基坑開(kāi)挖又必須對(duì)這些進(jìn)行必要的保護(hù)，而工程現(xiàn)場(chǎng)又不具備多段大面積放坡支護(hù)的條件，因此，怎樣在相對(duì)有限的空間里，既要確保基坑的穩(wěn)定性，又要最大限度地降低對(duì)周?chē)h(huán)境的干擾，已經(jīng)成為工程施工領(lǐng)域的難點(diǎn)問(wèn)題之一，本文將從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究。

1 深基坑工程中存在的問(wèn)題

1.1 設(shè)計(jì)方案與施工技術(shù)的差異性

第一，設(shè)計(jì)單位在對(duì)深基坑工程實(shí)例制定施工方案時(shí)，針對(duì)支護(hù)體系和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)只是按照地質(zhì)勘查參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，沒(méi)有對(duì)土方開(kāi)挖、周邊環(huán)境變化產(chǎn)生的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不均衡的問(wèn)題進(jìn)行重視；第二，對(duì)基坑沒(méi)有及時(shí)降水疏水或降水過(guò)度，將會(huì)導(dǎo)致基坑內(nèi)涌進(jìn)外面的地下水、突涌、流沙、坑底隆起、基坑周邊土體固結(jié)下沉的不良現(xiàn)象；第三，降水與開(kāi)挖的耦合作用導(dǎo)致基坑整體失穩(wěn)以及周?chē)ㄖ两灯茐牡膯?wèn)題；第四，基坑開(kāi)挖后長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)進(jìn)行支撐的問(wèn)題，第五，未結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)部署進(jìn)行設(shè)計(jì)支護(hù)方案。對(duì)于以上存在的問(wèn)題，施工部門(mén)必須認(rèn)真分析施工技術(shù)對(duì)整體基坑工程安全的影響，研究出科學(xué)合理的基坑開(kāi)挖和降水的方案。

1.2 缺乏相關(guān)技術(shù)方案的優(yōu)化比選

深基坑工程挖土的方式包括放坡挖土、中心島式挖土、盆式挖土、逆作法挖土，但在實(shí)際工程施工中，許多工程案例忽略了開(kāi)挖方案進(jìn)行定性、定量的優(yōu)化比選，而是簡(jiǎn)單地側(cè)重對(duì)單一挖土技術(shù)的介紹與研究測(cè)算分析，同時(shí)忽略支護(hù)組合的施工時(shí)間差，造成坑壁失穩(wěn)變形的問(wèn)題。

1.3 缺乏對(duì)降水情況的分析

對(duì)于降水施工技術(shù)大部分研究只重視對(duì)周邊地表、建筑物、地下管線(xiàn)的不良影響，卻忽略了對(duì)降水技術(shù)的分析，其中包括不及時(shí)降水和降水過(guò)度對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不利影響，對(duì)地下水流，上下游關(guān)系不了解，更缺乏對(duì)癥下藥的補(bǔ)救方案以及對(duì)控制效果的分析和評(píng)價(jià)。歸根結(jié)底，就是沒(méi)有對(duì)降水的施工掌控的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行研究。

1.4 對(duì)基坑工程的動(dòng)態(tài)管控不夠

在深基坑的施工中對(duì)事故的預(yù)警機(jī)制是很重要的，而當(dāng)前的施工預(yù)警是根據(jù)深基坑施工過(guò)程的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。而根據(jù)通常的慣例，國(guó)內(nèi)外研究此類(lèi)問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)只是重視研究有效的、精準(zhǔn)度極高的技術(shù)和手段，卻總是忽略監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)施工方案的修正意義。通常情況下，研究查找影響基坑施工原因主要是通過(guò)分析突變數(shù)據(jù)和波動(dòng)較大的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)判斷，并在此基礎(chǔ)上對(duì)工藝效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，只要結(jié)果滿(mǎn)足既定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)就可以，卻不能深度分析判斷影響基坑整體穩(wěn)定的具體的工序因素，更沒(méi)有機(jī)會(huì)去糾正一些違規(guī)的施工措施，對(duì)技術(shù)方案實(shí)施優(yōu)化就更無(wú)從談起了。總之，上述的核心的缺陷就是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)僅起到事后評(píng)價(jià)的作用，缺乏應(yīng)有動(dòng)態(tài)管控。

2 案例工程概況

本案例工程是一個(gè)住宅小區(qū)的建筑工程項(xiàng)目，基坑的挖掘面積為48600m2，基坑呈現(xiàn)不規(guī)則的多邊形，基坑挖掘的深度為4.5m～5.30m，基坑之內(nèi)的局部高度差0.8m。基坑的平面圖和位置見(jiàn)圖1。

圖1 基坑位置（1012）及平面形狀示意圖

將要施工的場(chǎng)地根據(jù)鉆探得出地質(zhì)狀況，依據(jù)地質(zhì)的成因類(lèi)型和地層時(shí)代，巖土層自上而下分為以下幾類(lèi)：第四系全新統(tǒng)人工填土層、第四系全新統(tǒng)沖洪積層、第四系中更新統(tǒng)坡洪積層、第四系殘積層及白堊紀(jì)泥質(zhì)粉砂巖，中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，展現(xiàn)隨機(jī)分布的無(wú)規(guī)律性。基坑內(nèi)部有三種類(lèi)型的地下水分布：巖溶裂隙水、松散巖類(lèi)孔隙水、上層滯水。根據(jù)工程場(chǎng)地勘察結(jié)果，從地下室的邊線(xiàn)到基坑開(kāi)挖深度三倍的區(qū)域內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)東邊為42m 寬城市主干道，兩側(cè)分布著市政管網(wǎng)，與地下室邊線(xiàn)距離為10.5m；現(xiàn)場(chǎng)南邊為10m 寬城市次干道，兩側(cè)分布著市政管網(wǎng)，與地下室邊緣距離為6m；現(xiàn)場(chǎng)西側(cè)為B 小區(qū)，邊緣綠化地帶埋設(shè)著市政管道及電力電纜，與地下室邊緣距離為13.8m；北側(cè)為待建區(qū)域，與地下室邊緣距離為18.0m。

3 工程難點(diǎn)分析

第一，該項(xiàng)目基坑局部挖掘的深度大，最深可達(dá)到5.3m，附近環(huán)境管線(xiàn)較多，道路復(fù)雜，出現(xiàn)問(wèn)題影響極大，辨別為一級(jí)危險(xiǎn)源，對(duì)基坑整體的穩(wěn)定性和支護(hù)強(qiáng)度有較高的要求。第二，對(duì)周邊的環(huán)保要求極高，現(xiàn)場(chǎng)的東、南、西三邊臨近市政道路及住宅區(qū)，管線(xiàn)密布，對(duì)支護(hù)穩(wěn)定性要求極高。第三，深基坑挖掘的深度下不穩(wěn)定因素多，基坑底巖土層主要為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，穩(wěn)定水位高程為-2.9～-4m，嚴(yán)重影響基坑疏排水及支護(hù)類(lèi)型的選擇。

4 大面積深基坑開(kāi)挖支護(hù)方案研究

4.1 深基坑工程方案設(shè)計(jì)原則

大面積深基坑施工，是一個(gè)復(fù)雜的完整的系統(tǒng)工程。施工中應(yīng)確保支護(hù)的穩(wěn)定性、周邊建筑物、管線(xiàn)的安全，更要重視工程作業(yè)的便利性和工期的準(zhǔn)時(shí)性，在設(shè)計(jì)的工期內(nèi)高質(zhì)量地完成工程，更要考慮工程的造價(jià)。所以，在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮工程的實(shí)際條件及施工部署，選擇適合工程的支護(hù)方式，設(shè)計(jì)的原則表現(xiàn)在下面幾個(gè)方面。第一，安全可靠性，保證安全是整體工程的關(guān)鍵。第二，技術(shù)可行性，雖然現(xiàn)代施工技術(shù)都具備安全可靠性，但深基坑大面積施工要根據(jù)工程的特點(diǎn)，結(jié)合工程的具體情況，選擇成熟的施工技術(shù)，切實(shí)保證工期和質(zhì)量。第三，經(jīng)濟(jì)合理性和施工方便性，大面積基坑開(kāi)挖工程，在考慮安全、可靠和技術(shù)的因素外，也要對(duì)工程的經(jīng)濟(jì)性和便利性進(jìn)行研究論證，對(duì)各種資源進(jìn)行整合，擇優(yōu)而定。

4.2 基坑施工方案比選

4.2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

要充分考慮大面積基坑挖掘的深度、支護(hù)時(shí)長(zhǎng)、周?chē)沫h(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)、水紋條件，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土體狀態(tài)選擇支護(hù)方案，對(duì)最優(yōu)的支護(hù)方案進(jìn)行抉擇：土釘墻、掛網(wǎng)素噴支護(hù)、SMW 工法樁、灌注樁+錨索、地下連續(xù)墻。

4.2.2 地下水控制系統(tǒng)

該項(xiàng)目基坑挖掘深度最大可達(dá)5.3m，基坑底在地下水位之下，降低后地下水位應(yīng)在基坑底面0.5m～1.0m，降深水位大約3m，如果利用密閉的止水帷幕，會(huì)產(chǎn)生很高的造價(jià)。同時(shí)基坑勘測(cè)顯示地下水位的降低對(duì)這個(gè)土層沒(méi)有太大的沉降影響，所以決定不采用慮密閉止水帷幕。但基于地下水位比基坑底要高很多，降低基坑內(nèi)的地下水位可采用管井降水措施，為土方開(kāi)挖創(chuàng)造干燥的施工條件。

4.2.3 支護(hù)方案比選結(jié)果

通過(guò)上面的方案比選，得出下面的結(jié)論：第一，該項(xiàng)目基坑的東、南、西三面支護(hù)的深度為4.50～5.30m，支護(hù)方案為以灌注樁+內(nèi)支撐（角部設(shè)置鋼筋混凝土抗拉板），出土坡道為灌注樁+拉錨式，樁間掛網(wǎng)噴砼；第二，該項(xiàng)目基坑的北側(cè)段支護(hù)深度為4.5m，周?chē)沫h(huán)境并不復(fù)雜，結(jié)合技術(shù)的分析和經(jīng)濟(jì)的對(duì)比，本段工程利用“土釘墻”實(shí)施支護(hù)；第三，地下水的控制措施，基坑內(nèi)利用水紋的上下游關(guān)系設(shè)置U 型井點(diǎn)降水，提高經(jīng)濟(jì)性及有效率，同時(shí)亦綜合考慮方便機(jī)械進(jìn)出基坑；同時(shí)考慮避免降水影響范圍過(guò)大，應(yīng)采取回灌措施（在井點(diǎn)外4m 處設(shè)置回灌點(diǎn)），同時(shí)坑底和坑頂排水設(shè)施為排水溝組織地表明水。

表1 基坑支護(hù)類(lèi)型比選

5 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1“組合式支護(hù)”模式

結(jié)合施工中的成熟的經(jīng)驗(yàn)，該支護(hù)模式設(shè)計(jì)參數(shù)為前后排樁徑1m、1.3m 的間距，排樁頂部的冠梁規(guī)格為1.0m×0.8m。設(shè)計(jì)驗(yàn)算的數(shù)值取基坑開(kāi)挖最深的地方。通過(guò)理正基坑支護(hù)設(shè)計(jì)軟件的驗(yàn)算結(jié)論，對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)現(xiàn)象進(jìn)行分析，包括整體穩(wěn)定性、地表沉降、內(nèi)力位移等，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出下面的結(jié)論：第一，基坑整體的穩(wěn)定性符合規(guī)范要求，安全系數(shù)為Ks=1.549＞1.30。第二，基坑完全符合抗傾覆的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，Kov=1.237＞=1.200。第三，支護(hù)底部具有很好的抗隆起穩(wěn)定性，基坑深度也符合抗隆起的穩(wěn)定性。第四，基坑突涌的安全系數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，底部土具備抗承壓水頭的穩(wěn)定性，嵌固深度與構(gòu)造要求相符合、具備很強(qiáng)的抗傾覆能力、整體滑動(dòng)穩(wěn)定性符合設(shè)計(jì)要求。

圖2

5.2 地下水控制系統(tǒng)研究

基于現(xiàn)場(chǎng)的地下水位比較淺、水量不大，處理措施不選擇密閉式止水帷幕，主要以管井降水。第一，布置降水井的距離為35～40m，把地下水位降低到基坑底-0.5～-1m 范圍，降水井為500mm 的孔徑，濾管采用PVC 管，直徑為300mm，井底巖面的入基不能低于1m，降低的水位至不得大于1.5m。第二，截水溝的設(shè)置位置為排樁冠梁邊設(shè)置，用作攔截地表面的雨水，同時(shí)在坡底每隔20m 及拐角處設(shè)置集水坑，用于接納坡腳排水渠內(nèi)的積水，然后采用水泵抽排進(jìn)三級(jí)沉淀池沉淀后匯集水排入市政排水渠道。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)以上工程實(shí)踐的研究分析，本案例工程為深基坑大面積開(kāi)挖解決了技術(shù)難題。通過(guò)認(rèn)真全面分析基坑周?chē)沫h(huán)境和地質(zhì)、水紋條件后，采用的施工方案為組合支護(hù)技術(shù)，即灌注樁+內(nèi)支撐、灌注樁+拉錨式、“土釘墻”的支護(hù)方式，采用的管井和排水明溝的組合方式及回灌技術(shù)，運(yùn)用地下水上下游關(guān)系結(jié)合施工機(jī)械進(jìn)出通道，合理經(jīng)濟(jì)有效運(yùn)用U 型布點(diǎn)降水，實(shí)踐的結(jié)果表明各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求，坑內(nèi)的疏排水措施也科學(xué)合理，即能充分保障施工安全，又可以創(chuàng)造充足的施工作業(yè)面，確保復(fù)雜環(huán)境下建筑大面積基坑開(kāi)挖支護(hù)的順利進(jìn)行。