武漢某高層建筑深基坑設計與施工

任 路，秦 超，向 虎，楊天成，李榮華

(1.中信建筑設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430014；2.中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

1 工程概況

武漢某高層建筑位于武漢市武昌區新生路與積玉橋交界處西側，建筑總高度為78.55m，總建筑面積14.1萬m2；其中地上16層，建筑面積7.1萬m2；地下4層，建筑面積7萬m2。建筑用地面積為2.4萬m2，基坑工程開挖面積約2.2萬m2，周長為583m，開挖深度19.8m，局部核心筒底坑開挖深度達23.9m，土方開挖總量約43萬m3。

工程周邊環境較為復雜，基坑東北面緊鄰主干道新生路；東南面距次干道積玉路約13m，與軌道交通7號線影響線最近距離為103m；西南面緊鄰次干道健康路，與內沙湖邊線最近距離為27m；西北面與6幢6層磚混結構住宅距離5.3～8.8m，該磚混住宅建成于20世紀90年代末，基礎是埋深1.5m的條形基礎；基坑周邊分布有電纜管溝、給排水、燃氣管道等眾多管線。基坑與周邊環境關系如圖1 所示。由于基坑周邊建筑物和管線對地基變形較為敏感，該基坑工程需重點關注開挖過程中基坑的變形情況，尤其是基坑降水對周邊環境的影響。

圖1 基坑周邊環境Fig.1 Surrounding environment of foundation excavation

2 工程地質與水文地質條件

2.1 工程地質條件

巖土工程勘察報告顯示，該地形地貌為長江Ⅰ級階地沖洪積平原，現場地勢較為平坦，地層巖性特征參數如下：①雜填土 主要由黏性土組成，局部有少量建筑垃圾，結構松散，土質不均勻，堆積時間小于5年，層厚1.8～3.9m；②1黏土 可塑，含少量鐵錳質氧化物，層厚4.2～9.7m；②2黏土 軟塑，局部有少量腐殖物及螺殼，含少量鐵錳質氧化物，層厚3.7～11.1m；②3黏土 可塑，含鐵錳氧化物，局部有少量粉土，層厚1.2～7.2m；③粉砂夾粉土、粉質黏土 粉砂呈稍密～松散狀，粉質黏土呈可塑～軟塑，主要礦物成分為石英、長石等，層厚1.9～7.3m；④1粉細砂夾粉土 以粉細砂為主，呈稍密～中密狀，飽和，局部夾有薄層粉土，礦物成分為石英、長石、云母等，層厚2.5～7.7m；④2粉細砂 中密～密實狀，飽和，礦物成分為石英、長石等，層厚5.8～12.1m；⑤1強風化粉砂質泥巖 泥質膠結，主要礦物為黏土礦物，巖芯大部分已風化成干土狀，結構破壞，層厚0.6～4.1m；⑤2中風化粉砂質泥巖 泥質膠結，主要礦物為黏土礦物，巖芯大部呈短柱狀、柱狀，巖體較破碎，未揭穿。基坑支護設計參數如表1所示。

表1 基坑支護設計參數Table 1 Design parameters of supporting structures

2.2 水文地質條件

場地地下水主要為①雜填土中的上層滯水以及下部砂層中的承壓水，兩者之間的②1黏土、②2黏土、②3黏土均為隔水層，無水力聯系。上層滯水主要由地表水源、大氣降水和生活用水補給，無統一的自由水面，水位及水量隨地表水源、大氣降水和生活用水排放量的影響而波動。因基坑開挖直接揭露承壓水含水層，場地承壓水對基坑施工影響較大，其中③粉砂夾粉土、粉質黏土為弱承壓水含水層，④1粉細砂夾粉土、④2粉細砂為承壓水主要含水層。承壓水具有統一承壓水位，與長江有較密切水力聯系，根據抽水試驗結果，承壓水位在地面以下8.53m，相當于絕對標高14.000m。根據武漢地區經驗，該場區承壓水位年變化幅度為3.0～5.0m，場地滲透系數K=7.5m/d，影響半徑R=80m。

3 基坑支護設計及地下水控制

3.1 基坑支護設計

綜合考慮基坑周邊環境條件、工程地質條件、基坑開挖深度和場地施工條件，選用支護樁+內支撐支護方案。與其他同等開挖深度基坑多采用的支護樁+3道內支撐支護設計方案不同[1-3]，設計將支護樁頂下移并充分利用樁頂以上放坡空間，優化為支護樁+樁頂放坡3.5m+2道內支撐的支護形式，計算結果仍可滿足基坑變形控制要求。與支護樁+3道內支撐支護方案相比，該方案減少1道內支撐施工和支撐拆除流程，可有效縮短施工周期，具有更好的技術經濟效益。

支護設計典型剖面如圖2 所示。其中，支護排樁直徑1.3m，樁中心距為1.7m，樁底進入④2粉細砂層0.5～1.9m，設計平均有效樁長27m，樁身混凝土強度等級為C40。水平內支撐沿豎向分別于-4.050m(第1道)和-11.300m(第2道)標高處設置，采用對撐、角撐結合邊桁架的形式；豎向支撐結構為鋼格構柱，格構柱插入直徑0.9m的混凝土立柱樁至少3m。該內支撐體系無支撐區域面積較大且各塊受力獨立，為挖土施工提供了更多作業空間，可實現內支撐施工與土方開挖的流水作業，有利于縮短基坑工期；內支撐混凝土強度等級為C40，結構截面尺寸如下：第1道支撐冠梁截面1.5m×1.0m、主撐截面0.9m×1.0m、輔撐截面0.6m×0.6m；第2道支撐腰梁截面2.0m×1.5m、主撐截面1.3m×1.5m、輔撐截面0.8m×0.8m。支護結構頂部約3.5m厚土體采用放坡處理，坡率1∶1.2并插筋掛網噴混凝土。

圖2 基坑支護典型剖面Fig.2 Typical section of foundation excavation

3.2 地下水控制設計

擬建場區地下水主要為雜填土中的上層滯水以及下部砂層中的承壓水。對于上層滯水，隨基坑開挖在坑內設置簡易排水溝與集水井，采取積水明排方法積極疏干。對于承壓水，考慮基坑開挖直接揭露承壓水含水層存在基坑突涌風險，同時基坑周邊存在對沉降變形較敏感的建筑物和管線，承壓水采用止水帷幕結合坑內降水井減壓降水的方式進行控制。止水帷幕設置在支護樁外側，為0.6m等厚的全封閉水泥土攪拌墻，墻底嵌入隔水層⑤2土層中至少0.5m，形成基坑四周落底式豎向帷幕，以隔斷承壓水層與外界的水力聯系，減小基坑降水對周邊環境的影響；對于基坑內承壓水以及止水帷幕可能滲漏的情況，在基坑內共設置28口降水井進行減壓降水，井深35m，基坑開挖過程中降水井根據坑內水位觀測情況按需開啟，實施動態降水，保證承壓水位降至基坑開挖面以下1.0m，確保基坑底不發生突涌。

4 基坑施工關鍵技術

4.1 止水帷幕施工

止水帷幕采用CSM 工法施工，即雙輪銑深層攪拌水泥土技術，該工法施工高效、成墻深度大、止水效果好[4]，其主要施工步驟如下：清場備料→墻體定位→CSM 鉆機就位→銑輪下沉、注水切銑→銑輪提升、注漿攪拌→成墻移機。

止水帷幕施工質量重點從接頭質量、墻體垂直度、水泥漿質量、銑切攪拌速度等方面進行控制。為保證接頭質量，采用左右套切搭接法[5]成墻，施工幅長2.8m，搭接長度0.4m，施工搭接如圖3 所示。墻體垂直度控制至關重要，下鉆前需對鉆機導桿垂直度進行校準，當銑輪下沉至設計深度時，應再次檢查并調整導桿垂直度。水泥漿質量會直接影響帷幕的止水效果，按設計要求用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，水膠比1.5，水泥摻入量≥20%，注漿泵保證連續工作，其額定工作壓力≥2.5MPa。為保證帷幕成墻連續性，銑輪切割攪拌速度不宜過快，控制銑輪下沉速度在0.5～0.8m/min，提升速度在0.8～1.0m/min。

圖3 CSM 施工搭接示意Fig.3 Construction overlap of CSM method

基坑開挖前，采用鉆芯法檢測止水帷幕水泥土強度和墻身均勻性。檢測結果顯示各槽段芯樣均勻性良好，芯樣抗壓強度最小值為1.05MPa、最大值為1.13MPa，均滿足設計強度要求(0.8MPa)。經開挖驗證，開挖過程中基坑側壁未發現明顯滲漏現象。坑底土方開挖及底板施工期間，動態啟動坑內降水井抽降坑內承壓水，坑內承壓水水位高程觀測值在-0.300～1.900m，符合坑底開挖施工要求；此期間同步對坑外4口承壓水觀測井水位進行每日觀測，記錄水位變化曲線如圖4所示，數據顯示坑外承壓水水位高程在10.000～12.000m區間處于動態穩定狀態，說明在坑內抽降承壓水對坑外水位變化影響較小，止水帷幕有效阻隔了坑內外水力聯系。

圖4 坑外承壓水水位變化曲線Fig.4 Water level curves outside

4.2 支護結構施工

支護結構主要施工步驟如下：支護樁施工→立柱樁與格構柱施工→土方開挖至冠梁底→第1道內支撐施工→土方開挖至腰梁底→第2道內支撐施工→土方開挖至基坑底。支護樁直徑大而凈距小，施工采用泥漿護壁成孔、正循環施工工藝，并采用間隔方式成樁，待樁身混凝土澆筑完成24h后再施工相鄰樁；施工完成后對全部327根支護樁進行低應變檢測的結果顯示，樁身完整性I類樁數量為100%。

支護及地下室結構施工過程中，格構柱與地下室結構相沖突的問題較為常見[6]，對于此情況，設計要求格構柱與結構梁、結構底板等交接部位采用現場開孔穿筋的構造做法。然而，現場開孔穿筋十分困難：一方面，節點處鋼筋數量較多；另一方面，格構柱常因施工發生偏轉，導致鋼筋與格構柱邊斜交而難以定位開孔。針對上述問題，采用以下解決辦法：①將支護與主體結構進行碰撞檢查，對影響結構梁、柱施工的格構柱，與支護設計溝通調整格構柱位置；進一步對格構柱位置進行精細化設計，最大化利用工程樁兼作立柱樁，以減少格構柱對工程樁施工的影響；本項目共計利用了46根工程樁兼作立柱樁，占立柱樁總數(117根)比例近40%，有效節省了工程造價。②采用如圖5所示構造解決底板鋼筋被格構柱打斷的傳力問題，即格構柱外側現場焊接連接鋼板用于鋼筋傳力，該構造適用于鋼筋與格構柱邊任意斜交的情況，施工效率高且質量可靠，其施工完成效果如圖6所示。

圖5 格構柱連接鋼板構造Fig.5 Connecting steel plate of lattice column

圖6 格構柱穿底板處節點完成效果Fig.6 The effect of the lattice columns pass through the basement floor

4.3 土方開挖施工

土方開挖施工結合內支撐布置將基坑劃分為4個角撐區和1個對撐區，使挖土方與內支撐施工緊密配合形成分區分段流水施工。當各區內支撐混凝土強度達到設計強度的80%后，立即組織支撐結構以下的土方開挖，開挖時遵循“分層開挖、先撐后挖、對稱平衡、嚴禁超挖”[7]的原則進行。

由于項目地處武漢市中心城區，土方外運受環境保護等外部因素制約，有效出土時間非常有限。基坑土方開挖總量達43萬m3，為加快出土效率，在第1道對撐中間設置斜向棧橋坡道，棧橋與對撐共用格構柱形成了結構整體，既可保證棧橋結構穩定性，又提高了對撐結構的剛度，實現安全與經濟性的統一。運土車輛空車從南面棧橋斜坡進坑(坡度為1∶5.53)，實車從北面棧橋斜坡出坑(坡度為1∶6.35)；棧橋坡道向下延伸至第2道支撐標高處并設置了水平棧橋平臺，土方運輸車輛通過棧橋坡道下至棧橋平臺后，運輸車輛可通過棧橋平臺東、西兩翼的土坡道直接行駛至挖土作業面(見圖7)，可避免土方在基坑內大量倒運，從而提高出土效率。實踐表明，該施工棧橋還為內支撐施工、地下結構施工及內支撐拆除等施工工序的材料運輸及混凝土澆筑創造了有利條件。

圖7 施工棧橋Fig.7 Construction trestle

4.4 換撐施工

換撐施工是內支撐拆除的前置工作，即“先換撐、后拆撐”[8]，換撐方案的選擇對基坑安全和整體工期有影響較大。設計在結構底板、地下3層及地下1層標高處共設置了3道換撐構件(見圖2)；其中，底板處采用在底板外側與支護樁之間澆筑500mm 厚C35素混凝土板帶進行換撐，地下3層及地下1層處采用在地下室外墻與支護樁之間設置250mm 厚間斷式鋼筋混凝土板帶進行換撐(見圖8)；同時，為保證各層結構傳力的整體性，在底板和各樓層后澆帶處設置了間距2m的[22b(Q345)作為傳力構件，傳力型鋼埋入兩側混凝土結構各500mm。另外，根據支護設計要求，內支撐拆除前底板或樓板混凝土整體施工完成且強度達到設計強度的80%，同時要求完成外墻在換撐構件標高處以下的肥槽填土及壓實工作。

圖8 換撐結構平面布置Fig.8 The arrangement of replacement structure

設計提供的換撐方案在施工中存在以下不利因素：①外墻與支護樁間凈距僅為1m，換撐板帶的施工作業面十分狹窄，施工效率低；②換撐板帶間凈距僅為1.1m，不利于肥槽土方的回填和壓實工作；③地下室底板和樓板后澆帶數量多，傳力型鋼與主體結構同步預埋會影響主體結構的施工效率，尤其是底板后澆帶兩側止水鋼板與傳力型鋼位置重疊，傳力型鋼與止水鋼板施工相互干擾，難以保證底板結構自防水質量；④設計要求底板、樓板結構整體施工完成且達到設計強度80%，會造成樓層結構施工無法形成流水作業，將嚴重影響整體施工進度。

針對上述不利因素，經與設計單位共同研究，提出將基坑設計與主體設計相結合的方法優化換撐施工方案：①用C15素混凝土取代填土作為肥槽回填材料，在換撐前回填至相應樓層標高處直接作為換撐構件，通過肥槽混凝土“永臨結合”的使用取消原換撐板帶；②地下室底板和樓板混凝土結構采用膨脹加強帶替代后澆帶的“無縫”施工方法，從而取消后澆帶處的傳力型鋼，使結構樓板提前形成整體；③為加快工程進度，主體設計單位對地下室結構重新進行了換撐工況影響分析，在保證結構安全并能提供換撐反力的前提下，確定了樓層結構最小施工范圍，從而對影響關鍵線路施工的支撐采用結構分區先施工、對應支撐分區先拆除的方式，實現地下結構施工與支撐拆除的流水作業。實踐結果表明，優化后的換撐方案安全可靠、方便施工，可有效縮短施工周期。

4.5 內支撐拆除施工

為減少內支撐拆除對周邊環境的影響，支撐拆除采用了以繩鋸切割為主、局部配合機械破除的施工工藝[9]。根據內支撐結構布置和地上塔樓、裙樓的分布特點，將內支撐劃分為1區、2區、3區、4區、對撐區共5個區段，其中1，2區及對撐區對地上塔樓施工有影響。支撐拆除須優先確保關鍵線路即塔樓結構的施工進度，總體拆撐順序為1區→2區→對撐區→3區→4區。其中，角撐拆除由基坑內部向基坑角部逐根切割拆除，對撐區拆除由基坑中部向基坑兩邊逐根拆除，拆除時按照先拆輔撐后拆主撐的順序進行；拆除過程中同步對支護結構進行監測，確保在監測數值穩定的情況下進行拆除作業。

支撐梁繩鋸切割主要工藝流程如下：切割面放線→鋼馬凳回頂→鉆穿繩孔→安裝繩鋸切割機→安裝切割繩鋸→支撐梁切割→梁塊叉車移運→裝車出場。支撐拆除期間，叉車運輸機需在樓板上行駛，為防止機械運輸對主體結構質量、安全造成隱患，樓板滿堂架應在支撐拆除完成后再拆除。

5 基坑監測

為確保基坑和周圍環境安全，對基坑實施了多項目、全周期的動態監測；監測主要項目包括支護樁頂位移、土體深層水平位移、周邊建筑沉降、周邊道路變形沉降、立柱豎向位移和支撐軸力監測。

監測數據顯示，支護樁頂最大水平位移為24mm，周邊建筑物最大沉降量26.18mm，周邊道路最大沉降量17.59mm，立柱最大沉降量4.69mm，土體深層水平位移最大值21.7mm，上述變形均在規范預警值內；支撐軸力監測值變化無異常情況，軸力均在設計允許限值內；基坑監測結果表明支護結構和周邊環境均安全可控。

6 結語

1)實踐表明，該支護樁+樁頂放坡+2道內支撐基坑支護結構的設計與施工安全可靠，保證了地下室結構的順利施工。

2)實踐表明，在基坑外設置落底式止水帷幕，在坑內設置降水管井實施動態降水，是控制基坑內地下水位、保護基坑周圍環境安全的有效措施。

3)支護施工前，將支護與主體結構進行碰撞檢查，可避免格構柱對結構梁柱施工的影響；對格構柱位置進行精細化設計，最大化利用工程樁兼作立柱樁，是實施永臨結合、節約造價的有效辦法。

4)深基坑支護設計應考慮出土效率問題，設置施工棧橋并與支護結構一體化設計，有利于提高出土效率、降低施工成本。

5)將支護與主體結構相結合設計，并聯合使用膨脹加強帶無縫施工技術，為換拆撐提供了有效的技術手段，在工期、安全、造價方面綜合效益顯著。