復雜環境下深基坑支護設計及施工關鍵技術應用

聶建國

(山西省建筑科學研究院有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

社會經濟和城市建設的快速發展推動了地下空間的開發利用，地下空間的開發利用關鍵在于基坑特別是深基坑工程的建造，深基坑工程的支護設計和施工又是其中一個非常重要的環節。目前常用的基坑支護形式較多，主要有水泥土攪拌樁、型鋼水泥土攪拌樁、鋼板樁、土釘墻、鉆孔灌注排樁、樁(墻)錨、樁(墻)內支撐等。每種支護形式都有其優缺點和特定的適用條件，需要通過環境地質施工條件、工程主體結構要求、基坑的深寬度條件、深基坑支護技術適用范圍、支護設計工程當地的基坑施工規范章程及實際施工過程總結等相關材料依據和經濟性等綜合確定其適宜的支護選型。深基坑支護設計施工的成敗會對深基坑工程安全、工期、經濟和環境效益等產生巨大的影響。在復雜地質和環境條件下確定適宜的深基坑支護形式以確保基坑及周邊環境安全就顯得尤為重要和必要。在此背景下，本文以山西××市地下水位高的粉土粉砂易塌地層和復雜環境下的深基坑工程為例，對基坑支護系統包含的圍護結構和內支撐結構設計及施工關鍵技術進行研究，總結積累技術要點和工程經驗，以期為后續類似地質環境條件下深基坑設計施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

山西××市中醫醫院門急診樓項目位于新建路以東，雙塔西街以北，市第三人民醫院西區(見圖1)。地下3層，地上4層，建筑面積4.24萬m2。該項目±0.000絕對標高783.330 m。場地擬整平標高為782.500 m。該項目基坑深度18.09 m(局部深達21.29 m)，坑底絕對標高為765.240 m(局部深坑底絕對標高為762.040 m)。項目基坑東側南側地下有市政管線，西側及南側為城市道路。基坑西側最近距離紅線5 m，距離既有建筑5.1 m；南側距離紅線6.7 m；東側距離既有建筑18 m；北側距離紅線4.7 m，距離既有建筑8.2 m；其影響范圍內的基坑周邊環境極為復雜。

1.2 巖土與水文條件

根據《某市中醫醫院門急診樓巖土工程勘察報告(詳勘)》揭示，場地地貌單元屬于河漫灘平原[1]。勘察深度范圍內，場地地基土沉積時代及成因類型自上而下依次為：第四系全新統中、早期河流相沖積層，第四系上更新統河流相沖積層。

在勘探深度范圍內，場地地基土自上而下可劃分為11個大層，分別如下：第①層雜填土、第②層粉土、第③層粉砂、第④層粉土、第⑤層粉砂、第⑤-1層粉質黏土、第⑥層粉土、第⑦層細砂、第⑧層粉土、第⑨層礫砂、第⑩層粉土、第⑩-1層卵石土、第層粉土。第⑥層粉土層底標高為764.590 m～766.550 m，第⑦層細砂層底標高為761.110 m～763.010 m。結合該項目基坑坑底標高為765.240 m，局部深坑坑底標高為762.040 m，可知基坑深度范圍內涉及的土層主要為粉土、粉砂地層，基坑坑底位于第⑥層粉土層，局部深坑坑底位于第⑦層細砂層。

本次勘探深度范圍內揭露地下水類型上部為潛水，以第②層粉土為主要含水層，主要以大氣降水和北面南沙河流側向徑流補給，水位隨季節性變化。勘察期間實測穩定水位埋深為現地表下2.30 m～3.85 m，穩定水位標高778.970 m～780.560 m。勘察期間為地下水平水期。地下水位年內變幅0.5 m左右。

該建筑場地類別為Ⅲ類。當抗震設防烈度為8度時，擬建場地屬液化場地，地基液化等級為中等，綜合判別主要液化土層為第②層粉土(液化深度在6.4 m)及第④層粉土(液化深度在10.0 m)。

本項目基坑場地地下水位高，地質主要為粉土、粉砂易塌地層，周邊建筑物密集、管線繁雜、緊鄰交通主干道、水土壓力大，研究選擇一種適宜的支護形式確保基坑及周邊環境安全就顯得十分必要。

2 支護結構設計

2.1 方案選型

根據項目周邊環境保護的要求，錨拉結構構件不得越地界進入既有或規劃有建構筑物的下方，現場不具備進行錨索施工的條件，使得該項目基坑支護設計只能在樁(墻)+內支撐中選擇或逆作法中選擇。又由于本工程屬于百院興醫工程，根據該市相關技術規定，本工程采用了結構抗震(隔震)措施，隔震墊設置在1層與地下1層之間隔震層上，局部設置在基礎以上，不適用于逆作法施工。因此本項目基坑支護形式只能在樁+內支撐或墻+內支撐中選擇。

由于建設場地地貌單元為河漫灘平原，勘察深度范圍內主要為人工填土、粉土、粉砂、礫砂等。穩定水位為地面下2.30 m～3.85 m。其中粉砂、細砂層水具承壓性，基坑深度范圍內含有多層深厚透水砂層，基于場地附近類似基坑設計施工經驗以及在建地鐵2號線降水的情況，結合先期專家論證的建議，該基坑應做落底式止水帷幕。經對該市市場三軸水泥土攪拌樁和TRD工法樁調研，彼時尚不具備高質量完成37 m深止水帷幕的施工機械和工藝。經綜合比選，最終確定采用地下連續墻(兼做止水帷幕)與內支撐組合支護的基坑支護設計方案選型。

根據《建筑基坑支護技術規程》及《建筑基坑工程技術規范》相關規定要求，結合本項目基坑的深度、周邊環境條件、支護結構的重要性，綜合確定基坑的安全等級為一級。

2.2 圍護設計

圍護結構采用地下連續墻。地下連續墻的厚度、深度根據成槽機的規格、墻體的抗滲要求、墻體的受力和變形計算等綜合確定。本項目地下連續墻墻體厚度為800 mm，墻深度為40 m。墻體混凝土設計強度C35，抗滲等級P8級。地下連續墻槽段之間的接頭采用鎖口管接頭，地下連續墻兼做止水帷幕。

本工程地下連續墻頂部設置封閉的鋼筋混凝土冠梁將其連成整體，冠梁按與地下連續墻在迎土側平齊的原則布置。冠梁的高度和寬度由計算確定，且寬度不小于地下連續墻的厚度，高度不小于地下連續墻厚度的0.6倍，經計算冠梁高800 mm，冠梁寬1 200 mm。地下連續墻嵌入冠梁的深度不小于50 mm[2-4]。

地下連續墻單元槽段的平面形狀和槽段長度根據墻段的結構受力特性、槽壁穩定性、環境條件和施工條件等因素綜合確定。單元槽段的平面形狀有一字形、L形、Z形等。一字型槽段長度不大于6 m，L形、T形等槽段長度總和不大于6 m，對基坑邊界土層條件復雜或相鄰建(構)筑物條件復雜的施工場地，槽段長度適度縮短。

本工程地下連續墻主筋保護層厚度在基坑內側不小于50 mm，基坑外側不小于70 mm[5]。地下連續墻鋼筋籠接頭鋼筋形狀與施工接頭相匹配，封頭鋼筋與水平鋼筋采用焊接。鋼筋籠兩側的端部與接頭管(箱)或相鄰墻段混凝土接頭面之間留有不小于150 mm的間隙，鋼筋籠下端500 mm長度范圍內按1∶10收成閉合狀，且與槽底之間宜留有不大于500 mm的間隙。

2.3 內支撐設計

內支撐系統分為水平支撐結構和豎向支撐結構。內支撐的數量應本著安全、經濟、可行、環保的原則經研究計算確定。本工程經研究計算水平支撐結構采用三道鋼筋混凝土支撐與地下連續墻共同支護的形式(見圖2)，支撐位于基坑四周及中部，上下共分為三道，架設在豎向支承格構柱上。為方便施工及土方開挖，在基坑的第一道鋼筋混凝土支撐梁上設有場地板。由于受到場地限制，回填土、拆換撐施工與主體結構施工進度不協調，本工程采用內支撐在主體施工階段不拆撐，讓主體墻、柱鋼筋打眼穿過內支撐梁，并在適當部位設置換撐體系和加強板帶來確保主體結構順利施工。

本工程設計立柱與立柱樁均為坑內內支撐兼做主體結構豎向支承構件[6]。立柱插入立柱樁的深度根據現行國家標準現行《混凝土結構設計規范》計算確定，本工程取2 m；立柱在穿越底板位置采取可靠的止水措施。鋼筋混凝土水平支撐、棧橋架設在格構柱上，立柱樁的基礎為鋼筋混凝土灌注樁，共97根。格構柱尺寸為500 mm×500 mm，格構柱長度為21.09 m，格構柱作為內支撐的承力結構，作為重要的內支撐節點聯系，其垂直度、方向、角度指標的控制直接關系到內支撐的受力平衡和整體支護的穩定性、安全性。立柱樁采用鋼筋混凝土灌注樁，施工樁徑850 mm，有效樁長20 m，立柱樁身混凝土強度為C35。

3 施工關鍵工藝

3.1 圍護結構施工

圍護結構采用地下連續墻，地下連續墻施工嚴格控制槽段的劃分、現場標記，標準槽段6 m長，異形槽段根據設計結合現場實際情況排布。成槽機械根據土質、水位、垂直度、深度、場地情況選擇，本工程選擇金泰SG50液壓抓斗成槽機施工(見圖3)。鎖口接頭管根據地下連續墻寬度、深度、承受混凝土的壓力情況選擇。混凝土接頭刷壁效果滿足規范要求，不得夾渣。

1)抓斗成槽機成槽時，要保證槽壁垂直度滿足要求，抓斗兩側斗齒要確保抓進土中或都落于空洞中，以使得抓斗兩側斗齒在抓土時受力均衡。

2)鎖口管起槽段定位、增長滲流路徑長度、現澆混凝土模板的作用，首開幅為雙雌槽段，兩側均有鎖口管；標準幅為一雄一雌槽段，即有土的一側用鎖口管，已成墻一側收口槽段無鎖口管。在混凝土澆灌達到初凝時，由帶液壓千斤頂的專用支架頂板器配合吊車提拔，分段拆卸。

3)防止槽段接頭夾渣造成滲漏水，需要在槽段與混凝土接槎部位采用刷壁器進行刷壁。通過在刷壁器內布設斜撐板，刷壁器在槽段中下放時斜撐板向兩側撐開確保刷子能緊貼接頭，保證刷壁效果，刷到接頭槽壁無附著物為止。

4)起吊異形鋼筋籠時為防止籠體起吊過程中和吊放就位時變形，須增加鋼筋籠整體強度、剛度，采取籠體加強措施：a.增加一榀縱向桁架；b.水平筋每隔3 m增加一道規格同主筋的加強筋；c.鋼筋籠下部14.5 m范圍內，橫向桁架加密由4 m一道改為2 m一道；d.混凝土灌注腔加設C型桁架；e.每隔3 m增加一道直徑25 mm加強拉筋等來保證異形槽段鋼筋籠一次整體起吊不變形、提高安裝的成功性和安全性。

3.2 內支撐結構施工

施工混凝土內支撐時，先將基坑土體開挖至某道內支撐梁設計底標高以上10 cm位置，然后采用人工方法清除支撐梁范圍內的土體至支撐梁底標高以下2 cm處。此時人工整平梁底部區域再行支撐底模板和側模板，底模板和側模板均采用1.5 cm厚的竹膠板，側模需要再采用鋼管斜撐和對拉螺栓進行加固處理。在標高放樣時，還需要進行起拱預拋高，這是因為混凝土梁在自重作用下會產生下沉，起拱預拋高形成類似預應力的狀態抵消拆模后的下沉，增強其穩定性。圍檁與內支撐、地下連續墻可靠連接，采用吊筋將圍檁與地下連續墻連接，內支撐在格構柱節點處進行加腋，格構柱在梁底增加承托板，保證支撐梁受力均衡。

為了提高施工精度，保證立柱樁樁位正確和格構柱中心安裝精度，在常規施工的基礎上特意加工制作了格構柱安裝定位輔助底架(見圖4)，定位輔助底架采用10號槽鋼制作，并在定位底架四邊中心刻有“十字”線記號，用于對準護筒中心，用于對準X與Y支撐軸線，定位底架固定在地面上。定位底架四角處焊有鋼板并各留一個φ28 mm螺孔，可與地面固定。

采用一臺起吊能力不小于25 t的吊車來吊放格構柱，在格構柱上部位置布設吊點。格構柱綴板及角鋼與鋼筋籠主筋固定焊接。格構柱中心線應與樁基中心線重合，其誤差不能超過5 mm，垂直度偏差小于1/300。焊接過程中，吊車始終吊住格構柱，避免其受力。下放時立柱各邊與支撐軸線垂直或平行，到位后需準確調整格構柱的方向和標高，使其滿足規范及設計要求[7]。

4 結語

深基坑工程的支護設計和施工是深基坑工程能否順利建造的關鍵性環節，從某種程度上來說深基坑支護設計施工的成敗會對深基坑工程安全、工期、經濟和環境效益等產生巨大的影響。在復雜地質和環境條件下選擇確定適宜的深基坑支護形式以確保基坑及周邊環境安全更是顯得尤為重要和必要。基于此，本文以××地下水位高的粉土粉砂易塌地層和復雜環境下的深基坑工程為例，對基坑支護系統包含的圍護結構和內支撐結構設計及施工關鍵技術進行了較為詳盡的研究和闡述。目前本文背景工程已順利實施完成，據監測檢測數據顯示地下連續成槽、立柱樁成孔和立柱垂直度都滿足設計要求，開挖后顯示地下連續墻成墻質量優良，開挖過程對周邊環境影響亦較小，說明本文背景工程深基坑實施效果良好。本文所總結積累的復雜地質和環境條件下深基坑支護設計施工關鍵技術及相關工程經驗，可為后續類似地質環境條件下深基坑設計施工提供參考。