市政工程施工中深基坑施工技術研究

孟曉

（湖北省工業建筑集團有限公司，湖北 武漢 430076）

1 市政工程深基坑施工分析

隨著我國經濟的快速發展，城市建設速度不能滿足人們的社會需求，很多城市建筑開始向地下空中發展。市政基坑工程大規模發展帶來周邊環境安全問題，市政工程深基坑大多處于建筑物道路等密集區，基坑開挖要保證穩定注意周邊環境的保護，避免對鄰近建筑物帶來不利影響[1]。目前通過基坑工程設計可以計算支護結構變形受力，基坑施工中受工程地質條件限制難以形成通用理論，基坑實際變形與理論計算值出現較大偏差，亟需加強對市政工程深基坑施工技術的研究。

1.1 市政工程深基坑施工的影響

市政工程基坑開挖中要控制變形，嚴格控制支護結構變形減小周邊地表沉降，土體自重應力釋放改變基底地層的應力狀態[2]。基坑開挖后支護結構在內外側土壓力差下產生側移，支護結構豎向位移往往被忽視，導致支護結構體產生豎直向上的位移，對周邊環境帶來很大的危害。基坑開挖變形類型包括基底隆起與支護結構變形，基底隆起是引起基坑周圍變形的重要原因。基坑變形受到土質與開挖深度等因素影響。圖1 為基坑坑底彈性隆起。

圖1 基坑坑底彈性隆起

市政基坑工程支護結構變形包括豎向與水平位移部分，基底隆起是上部土體突然卸荷使基底土體原始應力狀態改變反應，分為彈性與塑性隆起，基坑開挖到一定深度發生塑性變形，基坑內外土體壓力差增加引起基底周邊地面沉降。基底隆起量估算包括分層總和法，經驗法與數值分析法[3]。基坑開挖導致周邊土體產生豎向與水平位移，不同位置建筑物產生變形，附加應力增加到一定程度建筑物產生裂縫。地表變形引起建筑物損壞包括均勻與不均勻沉降損壞，基坑開挖中建筑物受多種地表變形的影響，應對地表土體變形監控。建筑物允許變形指在自重作用下沉降控制標準。目前基坑工程發展成為集勘察設計施工監測于一體的綜合學科，必須以工程地質等資料為依據進行基坑設計施工，市政深基坑工程大多位于城市道路管線密集區，對基坑變形提出嚴格的要求。

1.2 市政工程深基坑支護施工技術

我國城市地下工程建設起步較晚，隨著城市軌道交通工程等大量建設，地鐵輕軌等公共交通迅速發展促進建筑科技的進步，建筑深度大對基坑工程要求高，為建筑施工帶來很大的困難。市政工程深基坑施工包括巖土工程勘察，基坑開挖與地層位移預測等，工程調查主要是確定巖土參數與地下水參數，支護結構包括擋土墻圍護結構及土體加固等，支護結構設計要考慮地下水狀況，提供施工設施場地等。基坑開挖支護施工包括土方降水與施工組織設計等。

市政深基坑工程支護方法主要包括明暗挖法，鉆井法與注漿法等。明挖法施工簡單經濟安全，一些基坑可直接開挖，基坑深度大通常采用支護，城市地下工程發展初期主要采用鋼板樁加井點降水滿足基坑施工安全[4]。隨著基坑深度的加大，支護技術出現擋土擋水與支承系統，常見深基坑支護類型包括直接開挖，擋水土支護系統與支承支護系統。擋水土支護系統包括深層攪拌支護，混凝土灌注樁與地下連續墻支護技術等；支撐支護主要是混凝土鋼結構與錨桿支護技術。暗挖法適用于城市中不能采用明挖法地方，施工原則是管超前短開挖快封閉，用鋼管超前棚頂導管注入水泥漿增強圍巖自穩能力，先進行環狀開挖預噴5cm 混凝土后噴30cm 形成初期支護。巖石中進行暗挖施工通常采用鉆爆法。

目前基坑工程向大深度大面積方向發展，逆作法施工受樁承載力限制很大，如何降低沉降加快進度成為今后研究方向。目前有支護深基坑工程中大多以人工挖土為主，土釘支護方案實施充分運用噴射混凝土技術，濕式噴射混凝土逐步取代干式噴射混凝土。通過施加預應力法控制變形逐步推廣，采用深層攪拌技術對土體加固成為控制變形的有效手段[5]。為保護地下水資源采用帷幕式支護，采用旋噴樁等工法構成止水帷幕。為避免軟土地基底部隆起，可采用深層攪拌裝對基底部土地加固提高強度。基坑工程發展是新支護形式出現帶動分析方法產生。

2 市政工程深基坑施工支護技術設計應用

市政工程基坑變形分為圍護結構與坑外地表沉降，基坑開挖后土體卸載導致產生水平與豎向變形，圍護結構向坑內變形促使坑外土體向坑內移動，坑底隆起土體與坑外土體形成塑性聯通區，坑外地表沉降與基底降水引起附加應力有關，基坑降水處理不當會引發流土管涌等滲透破壞，滲透力在坑內方向上，坑外土體向坑內移動導致地表沉降。市政深基坑工程支護施工技術包括懸臂式結構，土層錨桿支護，土釘墻與重力式結構等，需要根據工程實際合理設計選擇支護施工方案。

2.1 市政工程深基坑支護施工方法

市政工程深基坑支護結構作用是承受水土水平壓力，依靠支護結構進入土層部分水平阻力及拉錨支撐保護支護土壁穩定，保證基坑和基礎結構施工安全進行。市政深基坑工程支護施工方法包括重力式支護，土層錨桿與懸臂式支護等。懸臂式支護結構選材包括鋼筋混凝土板樁支護等，地下錨固部分結構可視為剛性懸臂靜定結構，支護結構頂部無水平拉桿，支護結構在主動土壓力推動下向左轉動。深基坑支護土壓力理論未正式提出，土壓力計算與支護結構剛度等有關。

錨拉式支護結構選材與懸臂式支護相同，在頂部加設抗拉結構形成支護體系節約材料，拉結錨固結構應設在穩定區域內。土錨桿是在地下水墻面開挖土層鉆孔擴大端部形成球狀，灌入水泥漿與土層結合成為抗拉力強的錨桿。土層錨桿應用較多的為壓漿式，土層錨桿由錨頭拉桿與錨固體組成，錨桿材料包括鋼筋鋼管與鋼絞線，鋼拉桿單桿多用直徑26mm 螺紋鋼筋，錨固體多由水泥漿在壓力灌注下成型。錨桿埋深應保證不使引起地面隆起與地基剪切破壞，水平間距1.0～4.5m，錨桿傾角不宜小于12.5°。單桿錨桿承載力通過抗拔試驗確定，由錨固體與土體間的極限抗拔力確定。

2.2 市政工程深基坑支護選型結構設計

市政基坑支護方案設計要根據現場實際土質選擇適合的支護類型，項目基坑支護選型關系到工期成本與安全。選用圍護體系原則是安全可靠經濟合理保證工期。合理選擇基坑支護形式要結合實際土質情況決定，隨著深基坑工程的大量出現，工程采用支護方法包括放坡開挖，鋼板樁等類型。基坑支護是系統性強的工程，要充分認識支護結構的優缺點，支護結構設計要求保證安全下保證鄰近市政管道沉降在規范要求內，全方位綜合考慮才能合理選型。

基坑支護設計要充分考慮土體在開挖動態下應力重分布情況，預測失穩前兆制定相應的措施，承載極限力要控制模擬基坑位移變形量，通過相應的支護理論計算模擬分析安全穩定性。基坑選型設計包括結合土質性能選擇支護體系，驗算基坑支護體系涉及的穩定性等方面要求。不同地區工程場地應用土質差異大，土壓力難以確定，土方開挖土體發生應力重分布，準確確定土壓力對基坑設計計算非常重要。土壓力大小是擋土墻設計的依據，按擋土墻位移將土壓力分為主被動與靜止土壓力。目前土壓力計算主要采用庫倫理論，通過假設條件成立可以簡化問題。深基坑支護種類較多，根據計算方法分為常規設計法及有限元法。

基坑支護結構懸臂式排樁內力計算靜力平衡法根據土壓力隨著支護結構進入土體深度發生變化求出樁進入土體深度。計算板樁最大彎矩點為結構斷面剪力為零點，布魯姆計算法是將原來樁腳出現被動土壓力被集中力E 代替的方式。基床系數法是將樁作為彈性地基的量，解法包括直接用數學法彈性撓曲微分方程求解及有限元求解。單支點排樁計算與頂端自由排樁簡化模型計算方法不同，支點選擇方式取決于樁的埋深。目前普遍應用彈性地基梁法將樁作為彈性地基梁，等值梁法是圖解分析法的簡化。平衡法前提是圍護結構可視為簡支梁通過力矩平衡求解法。單點排樁支護不能滿足深基坑現場需要，為減少支撐樁的彎矩可設置多層支撐，要考慮設置多道錨桿固定，具體設置支撐層數根據現場土的類型，周邊環境等因素確定。

3 市政工程深基坑施工控制技術

80 年代我國建造高層建筑基坑深度多為1～2 層，隨著我國經濟的快速發展，高層建筑地下室部分發展到3～5 層，無法滿足支護結構的穩定安全要求，由于缺乏設計施工經驗軟基坑支護失效每年達1/4 左右。基坑失效模式包括坑底隆起，地基承載力失穩等。深基坑市政工程施工要加強動態監測，結合實際合理選擇設計支護方案，加強對周邊環境擾動施工的控制。

3.1 市政工程深基坑施工工藝方案

某廣場規劃用地面積9.33 萬m2，建筑地上39.00m2，項目包括商業綜合體，7 棟32 層住宅及底商。工程基坑分為大商業區與住宅樓區獨立基坑，住宅樓區基坑面積3.2 萬m2，工程基坑開挖深度以至承臺底為準。根據場地工程水文地質等條件采用旋噴樁等支護形式。住宅基坑間窄長形土條部分采用兩側PHC 管樁。大商業區東西側深基坑采用灌注樁+預應力錨索支護方式。基坑側壁安全等級為1 級，道路及堆場荷載為20kPa。

市政廣場基坑由商業區與住宅區獨立基坑組成，大商業區基坑開挖深度介于9～18m，場地地下水初見水位埋深為2.3～4.4m。選取模型進行分析模擬，選取寬度170m 深30m 的土體為模型研究，假設豎直方向允許發生變形。圖2 為支護結構模型圖。基坑計算理論基礎上假設用板單元代替擋土墻模擬分析。基坑土方開挖首先進行灌注樁與旋噴樁施工，然后設置錨桿與腰梁。分析土體有效應力隨土方開挖過程發生變化，初始荷載加載影響下基坑內側土體有效應力伴隨基坑開挖深度增加。基坑土方開挖中土體相互作用力再平衡，模擬發現沉降區在基坑上部5～7m 的位置，后期土體穩定沉降值較小。

圖2 支護結構模型

3.2 市政工程深基坑施工控制

市政深基坑工程通常處于建筑物道路等密集區，深基坑施工中土體應力場改變，基坑周邊地表沉降影響基坑周邊環境。計算機技術不斷發展得到廣泛應用，計算機強大功能推動深基坑工程的快速發展。深基坑開挖中周邊環境安全與支護結構密切相關，支護結構位移與周邊環境安全性存在關系，可利用控制支護結構變形法減小對周邊土體的變形。在錨索與土體作用下，基坑變形與支護結構剛度等因素有關，合理確定錨索傾斜角等支護結構設計參數對減小基坑變形非常重要。

根據工程實際情況綜合選用旋挖灌注樁，預應力錨桿等施工工藝。深基坑工程旋挖灌注樁樁徑為0.8～1.0m，混凝土等級為水下C30。成孔設備就位后確保施工中不發生傾斜移動，采取措施控制機械鉆孔深度。灌注樁混凝土澆筑關鍵部位是水位下部分，為提高混凝土澆筑質量要結合實際情況，考慮在水下混凝土配置時加入高效減水劑。工程基坑止水帷幕采用雙重管高壓旋噴樁長為10～16m，采用P.C 32.5 普通硅酸鹽水泥為泥漿護壁，高壓旋噴樁采用雙重管施工法，空壓機壓力為0.7MPa。工程支護樁采用灌注樁，端部位移大為基坑支護帶來不利影響，通過預應力錨桿固段埋置穩定地層限制圍護結構位移。

4 結語

本文總結深基坑施工支護技術類型，對不同支護方案類比分析，確定安全可靠的支護方式。基坑開挖引起周邊地表的沉降，基坑開挖深最大沉降點與基坑距離近，探討相關因素影響下基坑周邊地表變化規律；利用有限元軟件建立基坑開挖數值模擬計算模型，發現樁體側向變形存在明顯空間效應。通過施工工程范例闡明深基坑支護技術適用范圍，積極推廣應用新工藝促進深基坑工程施工的發展。