巖土結合地質條件下深基坑工程的施工技術研究

宋文豪（武漢市昌廈基礎工程有限責任公司，湖北 武漢 430022）

隨著我國城市化進程的推進，土地資源供應緊缺，使得城市建筑需要從地下以及空中爭奪空間，這便導致一線城市中高層建筑以及地下工程的蓬勃發展。在此背景下，深基坑開挖的深度與面積越來越大，且由于地質條件的復雜與敏感，基坑開挖、支護、監測過程所遇到的困難與風險進一步增加，若施工技術不到位，便極易引發惡劣事故，比如塌陷、隆起等，不但會給施工單位、建設單位等帶來經濟損失，甚至還會影響到社會的穩定性。因此，加強對其施工技術的研究是十分必要的，為此從深圳某大廈基坑開挖工程入手展開分析。

1 工程概況

1.1 基本情況

該工程位于龍崗區與規劃園區之間，整體用地面積為6106m2，為產業用地。擬在地下建立3層地下室，在地面上建設30 層辦公樓。場地北側道路寬度為24m，東側道路寬度為26m，南側與某銀行基坑工程相鄰。基坑西側與南側存在某銀行所搭設的臨時水管，東側存在電力、通信、污水等基礎管線，在正式施工前已與相關部門進行溝通后改遷。

1.2 地質條件

該地區的初始地貌為河流作用下產生的沖洪積階地貌，經過人為改造后在其表面修筑房屋，工程現場為拆遷后場地，較為平坦。

深圳地區的主要地質構造為深圳大斷裂破裂帶。由于受到多次巖漿侵入與斷層活動，其結構并不完整，很難對展布形式進行判斷。根據相關勘察資料，該工程場地內并不存在斷裂情況，但其風化層厚度變化較大，分布并不均勻。其巖性條件主要分為四類，具體如下：

一是人工填土層。此部分為素填土，整體呈現褐色與黃色，由黏性土構成，結構較為松散并不均勻含有碎石塊，石塊最小直徑為40mm，最大直徑為90mm，含量在10%～25%。由于場地為拆遷后場地，所以其表面存在較多的建筑垃圾和雜物。整體來看，此層面的物理性質較為不穩定，并且由于各類素土與垃圾堆積時間較短，并未形成土體固結，巖芯采取率在75%左右，揭露層最小厚度為1.9m，最大厚度為14.5m，在全場均有分布。

二是第四系沖洪積層。此部分存在兩類土質，一是泥炭質土，整體呈現灰黑色，局部為淤泥，存在淤腥味，并存在無法分辨種類的有機質殘骸。此部分巖芯采取率在80%左右，揭露層最小厚度為2m，最大厚度為5m；二是黏土，呈現淺黃色與褐黃色，可塑性較強，由河流沖積而成，濕度較高，干強度與韌性中等。且不存在搖振反應，其巖芯采取率在80%左右，揭露層最小厚度為0.8m，最大厚度為6.5m。

三是第四系殘積層。此層面由黏土構成，整體呈現黃色、青灰色，其可塑性較強，韌性中等，且不存在搖振反應，整體土質較為均勻，此部分巖芯采取率在86%左右。

四是侏羅系粉砂巖。此部分主要以灰白色與褐紅色、黃色為主，礦物成分有石英與長石。按照風化程度可分為下述幾類，一是全風化粉砂巖，此部分呈現褐灰色與黃色，巖芯硬度較高。與黏性土呈漸變關系，局部存在強風化碎塊。此碎塊若與水相遇，極易變軟，巖芯采取率在85%左右，揭露層最小厚度為1m，最大厚度為5.4m；二是土狀風化粉砂巖，呈現褐黃色與灰色，巖芯較硬，且多數為柱狀，采取率在70%左右，整體結構破碎程度較高，遇水極易崩解，揭露層最小厚度為2.4m，最大厚度為17.5m；三是塊狀風化粉砂巖，整體呈現褐灰色與黃色，巖芯為半巖柱狀，采取率在65%左右，其整體結構多數已破碎，硬度較低，遇水崩解，揭露層最小厚度為1.8m，最大厚度為20m；四是中風化粉砂巖，整體呈現灰白色，主要由長石與石英構成，巖芯硬度較高，呈石柱狀，采取率在65%左右。整體結構破碎程度較高，揭露層最小厚度為1.3m，最大厚度為8.2m。

根據相關勘察報告，該工程地下水類型可分為兩種，分別為基巖裂隙水以及松散孔隙水。松散孔隙水主要分布在第四系孔隙層中，此部分透水性較強，主要受降雨補給。粉質黏土與砂質黏土的滲透系數不高，透水性不強，其內部存在較為豐富的地下水，補給能力較強，但周圍溝渠較多，若水未能及時滲入會隨著附近溝渠外排。基層裂隙水的分布形狀為網絡狀，此部分補給來源為基坑周圍的地下水與松散孔隙水。

2 施工方案與巖土分析評價

2.1 施工方案

為確保深基坑工程的安全性，首先要對基坑進行設計，使用合理施工方案以及支護方案進行施工，以此為上部30 層的辦公樓奠定良好的基礎施工空間，降低開挖過程對周圍環境的影響。

2.1.1 支護設計

支護是深基坑工程重點，必須確保基坑自身以及周圍環境的安全，并在保障施工安全性的前提下，兼顧節約型。

該工程基坑開挖深度為14m，計劃建設地下3 層，圍護結構周長為300m。考慮到安全性、便利性以及經濟性，結合上述地質條件，該工程選擇以混凝土支撐為主、咬合樁為輔的支護方式。

在基坑四周均勻分布由三重管旋噴樁與灌注樁咬合而成的咬合樁，以此實現對基坑變形的控制，并防止外部地下水滲透至內部。支護樁則采用鉆孔灌注樁，此樁單樁承載力較高，樁徑尺寸為1200mm，并在正式施工前，在3m 以上的深度埋設鋼護筒，使用間隔鉆孔技術進行施工。三重管旋噴樁則是選擇800mm樁截面與600mm樁截面，并將其設置在灌裝柱間，互相咬合進而形成圍護體系。剖面圖如圖1所示。

圖1 支護剖面圖

此工程為一層內支撐結構，其支撐梁所采用混凝土強度等級為C30，橫截面為1000mm×1200mm，均勻分布在基坑內部。其中，在基坑東西水平方向共設置三道，并在拐角處設置角撐，設置800mm×1000mm的支撐梁進行連接。立柱方面則采用直徑為800mm的旋挖成孔灌注樁。

2.1.2 施工方法

為確保施工安全，該工程采取分層、分段的開挖方式。開挖后禁止長時間暴露，要迅速對基坑進行支護，并當支撐強度未達到相關要求時，禁止繼續開挖。該工程開挖深度為14m，可將施工步驟大體分為五步：一是咬合樁施工，按照上述的支護設計方案，在土方正式開挖時，便要進行咬合樁施工；二是對第一層土進行挖掘，當開挖土層在1.5m左右時，要及時對工程樁頂部存在的浮漿進行清理；三是對第二層土進行開挖，當開挖深度達到4.5m時，需要在此處安裝內支撐體系；四是當支撐強度與設計要求相符時，對第三層土進行開挖，深度為14m，當開挖結束后立即進行底板施工，最大限度減少基坑底部的暴露時長。

2.2 巖土分析評價

巖土分析評價是深基坑工程的核心施工技術，此部分是基于各項勘察結果，以實際情況為準，獲取該工程的場地、地基穩定性以及地震效應、抗浮情況與地下水控制情況。

2.2.1 場地穩定性

該場地為拆遷后場地，原始地貌已經被改變，整體地形較為平坦。場地范圍內不存在滑坡、塌陷、崩塌等地質災害。但地下水位較淺，對施工存在一定影響，所以將場地等級設置為二級。由此可見，該場地穩定性較強，用作建筑場地是極為合適的。

2.2.2 地基穩定性

根據上文地質情況，其表層為素填土，平均厚度為9m，結構較為松散，因此在基坑開挖后需要盡可能對其挖除。而泥炭質土在場內分布較廣，平均層厚在3m左右，而且在開挖后，該層會揭露于底部，因此會對地基穩定性產生影響。除此之外，基坑開挖后，下方主要有殘積黏土與風化層，由此可見地基穩定性較差。

2.2.3 地震效應

該工程選用型號為GCK24 的地震儀進行鉆孔測試，鉆孔編號分別為A、B、C。A 鉆孔覆蓋層厚度為34m，等效剪切波速為151m/s，土類型為中軟；B鉆孔覆蓋層厚度為33m，等效剪切波速為206m/s，土類型為中軟；C鉆孔覆蓋層厚度為25m，等效剪切波速為173m/s，土類型為中軟。根據相關規范，根據其剪切波速可得知，該場地地震烈度為7 度，其抗震設計應當屬于第一組，地震加速度值為0.1g，周期可以按照0.35s計算。

2.2.4 地下水控制

根據該工程實際地質情況，場地范圍內地下水對于基坑存在一定浮托作用，對地下室存在側壓力。除此之外，在基坑開挖過程中還會存在地下降水情況，極易使得周圍產生沉降，若變形量較大，便會引起惡劣事故。因此，該工程需要采取一定止水措施。

一是采用明排降水方案。為保證該工程的經濟性、便利性與安全性，在施工中需要在頂部設置300mm見方的明溝，以此實現地面外排；

二是將基坑排水系統與市政排水系統相互結合，明溝匯集水必須要經過沉淀才能向市政排水系統中排入；

三是由于深圳梅雨天氣較多，需要對地表徑流水采取有針對性措施，防止外部地表徑流水進入基坑，并在此基礎上杜絕施工現場施工垃圾的堆放。

2.2.5 抗浮驗算

該項目地坪高為57m，地下結構為三層，地下水會對基坑產生浮托，地下水主要由孔隙水與上層滯水構成。場地最小標高為56.34m，東側道路最小標高為56.4m，根據相關規范，可按照56m進行抗浮驗算，對于地下結構可采用自重壓載抗浮。

3 數值模擬下的變形規律分析

數值模擬能夠合理反映基坑特性以及變形規律，主要是通過對基坑的挖掘、支護過程進行模擬，以此確定基坑周圍易于產生損壞的部分，再根據結果指導基坑具體工作。本文采用Flac 3D軟件，以現場實際參數為準，對基坑變形與規律進行研究。

3.1 模型建立

3.1.1 選擇幾何模型

為解決Flac 3D軟件前期建模薄弱的問題，該工程采用了MIDAS 軟件進行前期三維模型的建立。在MIDAS中，將開挖土體與結構網格單元加密后，導出網格單元與各個部分的節點結構，最后導入Flac 3D 中，最終得到了265782 單元與50444 個節點。該模型x 軸為180m，y軸為190m，z軸為30m。

3.1.2 計算參數

此部分參數可分為土體參數與結構參數。

土體參數需要將土層進行簡化，將力學性質相近的土層看作一層土，結合y 軸深度劃分6 層土層，每層厚度相等，對其取樣后得到物理參數，見表1。

表1 物理參數

再根據物理參數計算體積模量與切變模量K值與G值，具體計算公式如下：

式中K為體積模量；G為切變模量；E為彈性模量；μ為動摩擦因數。

結構參數則需要根據下述公式進行計算：

式中D代表鉆孔樁徑；t代表樁凈距；?代表地下連續墻的厚度。

3.2 實測分析

根據該工程實際條件，監測點位設置如下：

一是路面沉降監測點（D）。此監測點位于周圍道路與空地中，選點處挖長300mm、高400mm 凹坑，并使用鋼條嵌入坑底，截面直徑16mm，長度600mm，露出地表30mm，沿著基坑每隔20m布設一個，共計23個；

二是建筑物沉降監測（JC）。此部分采用水準測量儀，共計19個點位；

三是坑頂位移監測（W）。該點位布設在坑頂，并在基坑周圍均勻分布。采用全站儀，每隔15m 設置一個，共計20個。

3.2.1 坑頂水平位移

根據上文模型參數計算方法與實測數據，坑頂水平方向位移監測情況如圖2所示，所取數據來自6個監測點位。由圖可知，隨著開挖的深入，坑頂水平方向所產生的側移變量在不斷增大，當完全挖除后，變形量趨近平穩。根據變量變化情況，整體可分為四個階段：一是在開挖第一層時，坑頂位移速率較小，由于其深度較淺，基坑變形并不明顯；二是在開挖第二層時，由于內部支撐結構未建立，位移變量較大；三是在內支撐結構建立后，其位移變量逐漸降低，此部分說明內部支撐可有效抑制形變；四是在開挖結束后的底板施工階段，坑頂位移形變速率趨于穩定。

圖2 水平位移監測結果

3.2.2 地表沉降

地表沉降監測結果如圖3所示，圖中選取了D監測點4 個，JC 監測點4 個。此部分可分為三個階段：一是在工程樁施工中，內部處于剛剛開挖狀態，沉降形變較小；二是在開挖過程中，周圍沉降形變量在迅速增長；三是在開挖結束后，地下室施工階段，地表沉降量逐漸穩定。由此可見，土地沉降形變量最大時為開挖時期，所以，在開挖前期要著重注意基坑自身的穩定性，以此確保工程周圍的安全。

圖3 沉降量監測結果

4 結語

綜上所述，本文以深圳某大廈基坑開挖工程為例，利用軟件Flac 3D 建立了幾何模型，并結合實測數據，對地表沉降以及坑頂水平位移進行了分析，以此保證該工程深基坑開挖過程的安全。