建筑工程深基坑支护施工及应用研究

摘要：本文是作者结合某建筑工程实例，主要针对实例中的深基坑支护技术作出了相关的分析，旨在提供一个在复杂环境及不良工程地质条件下进行基坑开挖支护的可供借鉴的实例。以供同行参考。

关键词：基坑支护工程 复杂环境 地质条件差 组合支护体系 信息化 施工

一、工程概况

该工程采用框架结构，地下一层，基坑开挖深度4.4m，基坑面积5480m2。该工程北侧邻近繁忙街道，其余三侧紧邻民居(图1)，特别是北侧和南侧西段距多层民居仅1～3m，距民居稍远的南侧中部以东地段还要留作上部主体施工场地，基坑支护可利用空间非常狭小，基坑四周只能直立开挖。这些民居已有30年以上的历史，均系砖房，而且多采用简单的砖石条基，埋深甚至不到1m，有的房子已年久失修，其本身抗变形的能力已非常低，给基坑支护结构的设计增加了难度。另一方面，由于基坑开挖深度范围内涉及的主要是软土，这也极大地限制了支护形式及支护结构的选择。但是经过设计单位、施工单位、监理单位及业主等各尽所能、通力合作，仍然取得了非常理想的支护效果及经济效益。

图1基坑周边环境条件示意图

二、 场地工程地质与水文地质条件

1．工程地质条件

根据该场地岩土工程勘察报告，影响基坑支护工程设计的主要地层自上而下为：

(l)人工填土：以素填土为主，主要成分为粘性土，夹少量砖头、碎石、砂砾等建筑垃圾，局部为杂填土,由粘性土、砖头、碎石、砂砾等建筑垃圾组成。层厚0.80～3.00m。

(2)冲积层淤泥：深灰、灰黑色，饱和，流塑，含有机质、粉细砂和少量贝壳碎片。层厚0.90～9.40m。内摩擦角平均值φ=3.6o，粘聚力平均值C=4.2Kpa。

(3)冲积层细砂、中砂：以灰、灰黄、灰白色为主，饱和，松散，以中砂为主，分选性较好，含少量粗砂、砾石和粘性土，磨圆度一般，局部夹少量淤泥质，局部夹个别碎石。层厚0.40～8.00m。修正后标贯击数为7～9击，平均8击。

(4)冲积层粉质粘土：局部为粘土，灰黄、黄红间灰白等色，可塑，很湿，含少量中细砂，粘性较好，基本连续，局部呈夹层分布。层厚0.80～7.20m。修正击数为5～6击，平均5击。内摩擦角平均值φ=6.2o，粘聚力平均值C=25Kpa。

(5)冲积层淤泥质土：深灰、灰黑色，饱和，流塑，含有机质、粉细砂和少量腐木碎片，局部为软塑粘土。层厚0.70～2.40m。

(6)残积层粘性土及下部基岩。

2．水文地质条件

根据勘察报告，该场地地下水主要为第四纪松散覆盖层中的孔隙潜水，地下水主要受大气降水和周边居民生活用水渗漏补给。下部分布的中砂、细砂属强透水层，渗透系数k=2.4x10-2cm/s。钻探结束后，测得孔中水位埋深在0.30～1.20m之间。

三、基坑工程设计

1．边坡支护型式及支护结构

针对该基坑环境条件复杂、场地地层软弱、只能直立开挖支护、边坡变形控制要求严格等特点，设计人员提出了一个与场地条件较匹配、造价较低的综合处治方案（图2），该设计沿整个基坑周边划分了若干个区段，因地制宜地采用了不同的基坑支护型式。

图2基坑支护结构平面布置图

（1）基坑中部ABCDEF区段（如图3）：由于该区段淤泥层较薄，与邻近建筑有一定距离，采用较经济的复合土钉墙结构进行坑壁支护，并设置水泥搅拌桩止水帷幕，兼作超前支护结构。由于有足够的嵌固深度，水泥搅拌桩止水帷幕同时还相当于一道低强度薄壁连续墙（图4），实际上极大地提高了土钉墙的水平抗滑能力[1]。该段支护结构安全设计等级定为三级。

图3基坑北侧中部ABCDEF段边坡支护剖面图

图4基坑水泥搅拌桩止水帷幕平面图

（2）基坑中部FGH、OPQ段：如图5所示，与ABCDEF区段相比，该区段除了具有同样的周边环境条件外，它的显著特点是淤泥层厚度较大，达到了4m，支护结构的水平抗滑稳定问题非常突出，经计算比较后决定采用复合加强型土钉墙支护方案，支护结构安全设计等级定为二级。

图5基坑中部FGH、OPQ段边坡支护剖面图

本方案的特点是在基坑下部设计了较长的土钉，且在淤泥层底部增设了一排长度达15m、水平间距2.4m的全长粘结非预应力锚杆，该排锚杆穿透淤泥深入到下部可提供较大表面摩阻力的砂土内部，从而更好地提高了土钉墙的整体抗滑能力。此外本段设计的水泥搅拌桩止水帷幕截断了砂层中的渗流，防止了它对基坑局部深挖桩基承台施工的不利影响。

这种支护新型式，是专门针对软弱土地层和强透水地层的特点而从常规土钉墙发展起来的，它除了具有常规土钉墙分层分段快速支护、工期短、造价便宜等优点外，它还具有截水、超前支护、有效控制整移等功能，正是这些辅助功能，解决了常规土钉墙技术无法应用于软弱地层和强透水地层直立边坡支护工程的难题。

(3)基坑东、西两端附近其余边坡：其支护结构安全设计等级为一级。这些部位淤泥层厚达8.5 ~10.5m，且基本呈流塑状，物理力学性能非常差，所能提供的锚杆抗拔力非常有限，因此设计采用了“小型挡土排桩+内支撑”的支护型式，其优点是支护结构整体刚度大，能有效限制桩顶变形，由于桩长有限，经济造价并不高。虽然该种支护型式对基坑土方的挖运会产生一定的不利影响，但是该支护型式总的来说仍具有非常明显的比较优势。

如图6所示，设计护坡钻孔灌注桩桩径0.6m，计算表明桩的中心间距尺寸可取1.5m，桩长11.0~13.5m；桩顶设置了断面尺寸为1.0×0.6m的钢筋混凝土冠梁；水平支撑采用了整体刚度较大的钢筋混凝土结构，断面尺寸为0.6×0.5m。为了防止桩间淤泥塌方影响护坡桩的安全，桩间设置水泥搅拌桩挡土（图7）。

图6基坑东、西两端附近基坑边坡支护剖面图

图7基坑护坡桩桩间水泥搅拌桩止水平面图

方案选择时，曾将钻孔灌注桩与预应力管桩进行过比较，但计算表明桩身最大弯矩达到365.2kN.m，预应力管桩无法胜任。

为保证地下室底板的防水效果，水平支撑的立柱在地下室底板底以上部分采用钢结构柱，底板以下部分为钻孔混凝土桩，钢柱与桩钢筋笼焊接插入混凝土桩的长度为2m；为有效发挥水平支撑的挡土效果，冠梁顶面位于现有地面下0.5m处，以上部分砌砖挡土；水平支撑和支撑立柱的布置考虑了避开地下室的梁、柱和承台的问题。

经计算，该区段基坑边坡支护剖面对应基坑开挖到底工况的整体抗滑稳定、抗隆起、抗管涌、抗倾覆的安全系数分别为1.55、1.96、2.65和1.81，桩顶最大水平位移计算值26mm。

2．地下、地表水控制方案

如前述，本基坑环周边设计了一道截水帷幕，具体为：土钉支护段采用单排水泥搅拌桩帷幕止水，“挡土桩+内支撑”支护段采用桩间水泥搅拌桩止水，与桩间旋喷桩止水方案相比，桩间搅拌桩止水方案经济得多。

尽管设计了截水帷幕，但由于坑内土层中仍有一定的静贮水，且在施工中还会受降雨影响，故在坑底设计了一道300×300砖砌排水沟，在基坑转角处设计了若干个砖砌集水井，用以排泄基坑渗水及雨天积水；为避免地表水软化坡肩，有效排泄边坡渗水，在坡顶设计了一道300×300砖砌排水沟截断地表水，在基坑开挖前，要求疏干地表已有积水，并采取有效措施保证地表水能顺畅排泄。地表水及地下水在排入城市管网前设置三级沉淀池。

四、基坑工程施工

1．土方开挖

按照本工程设计方案的技术特点，为确保施工安全，本工程在土方开挖过程中是严格遵循“分区、分层、分段、均衡、适时”的原则执行的：

（1）土钉支护段：在平面中将基坑分为中心区和周边区，在距边坡8m以内的基坑周边区地带分层、分段开挖，每层的厚度等于两层土钉之间的垂直距离，分段长度一般取20m，但在淤泥层分段长度则不大于15m，严禁超挖。为加快施工进度，施工中一般均分槽段跳挖施工，按照投入的施工力量，每层同时施工3段。为保证安全，上一排土钉或锚杆的注浆体养护至少36小时以后方开挖下一层土方。

（2）“护坡桩+内支撑”支护段：土方要在挡土桩和支撑的结构强度达到设计强度的70%后方才开挖。为使得该段的支护结构系统的受力状态不发生异常突变，土方分层、对称开挖，分层厚度小于2.0m，施工时是平行于内支撑由北往南退挖的。为保证支护结构不受到破坏，土方开挖时特别要求挖土、运土的机械设备不得撞击支撑结构，也不得悬空的支撑构件上停放或行走。

（3）基坑周边承台部位：承台基坑的土方采用人工开挖，以确保尽可能不消弱被动区支撑土体。对于净间距小于4m的承台必进行跳挖施工，在一承台垫层浇筑完毕后，再开挖相邻承台。

通过实施上述原则，整个基坑的土方开挖是井然有序的，特别是周边区的土方开挖，由于事先已通过设计文件和合同条款明文约束，土方开挖完全服从支护单位指挥，确保了支护工程施工的顺利进行。

2．土钉及非预应力锚杆施工

为了解决在淤泥和砂层中难以成孔的问题，本工程土钉或非预应力锚杆的钢材全部采用钢花管制作，土钉钢花管表面每隔一定距离设置一对角钢制作的倒刺，其作用有多方面，但主要起定位架、防堵塞的作用，保证钢花管始终能居于已成孔的中部，从而使其外周有足够的水泥浆保护层（图8）。本工程土钉主要是按“击入法”进行施工的，施工机械包括6～12m3/min的空压机、φ90～φ110mm潜孔冲击锤（包括焊接固定在锤底中心的φ20mm钢筋定位器）、导轨及托架等，施工时在土钉头部套入中间隔断、长约200mm的D70mm管靴，然后将导轨及托架按照土钉的设计水平倾角调整好，冲击锤定位器对准土钉管靴，最后开动空压机，用人工或机械向前推移启动冲击器，在高频冲击力作用下，钢管被慢慢击致设置的深度；非预应力锚杆的施工除少部分采用了上述工艺外，主要是按照“自钻式锚杆”工艺进行施工的，即钻孔前先将钢管截断，制成长度2m的短管，表面倒刺换作套于管壁外侧的圆环状钢管定位架，两端以螺口连接，然后直接利用这些短锚管作为钻杆，配置满足设计孔径要求的简易的三页钻头后用“泥浆循环护壁法”或“水泥浆循环护壁法”直接钻进，到达设计深度后直接按“顶浆法”由底往上灌注水泥浆。这种方法更加快捷、简便，锚固力更有保障。试验表明，按“击入法”施工的锚管在软塑状淤泥中的锚固力为3～5Kpa，而按“自钻式锚杆”式法施工的锚管在相同地层中的锚固力则可达5～7Kpa。注浆时按“顶浆法”及“高压注浆法”由管底向管顶灌注水灰比为0.5的纯水泥浆。注浆前先将钢管前端因锤击而疲劳破坏的部分用钢锯锯除，然后套入设计好的长约10cm的D57mm钢管注浆嘴，侧面用螺钉固定，再缓慢加压注浆。本工程土钉注浆水泥用量平均达到25-40kg/m。

图8钢花管土钉大样图

3．护坡桩及桩间搅拌桩施工

以往排桩支护结构采用搅拌桩进行桩间止水的实例很少，本工程桩间搅拌桩是先于钻孔桩施工时，施工过程比较顺利。实际上若先施工钻孔桩，桩间搅拌桩根本无法紧贴钻孔桩搅拌，这将导致搅拌桩与护坡桩之间形成漏水缝隙，达不到应有的止水效果，而且这样做还极易折断搅拌头。

4．内支撑拆除

内支撑拆除是一个风险大、需要认真对待、仔细对待的工作，选择合适的拆撑的时机也是至关重要的。本工程内支撑拆除安排在桩地下室底板完成且养护5天（应根据季节天气情况决定）以上、地下室周边具备换撑的空间和施工条件之后。在底板与挡土桩之间的空隙处采用块石混凝土密实填筑（该工作可以在底板混凝土施工前进行，也可以采用同底板混凝土一起浇筑），使得下道支撑点提高到底板处，有的区段还沿基坑周边设置了钢管桁架临时斜撑，其底端撑于底板外侧边，上端撑于桩顶冠梁底面；内支撑的底面设置了竖向钢管桁架等临时替换支撑。拆撑时先拆八角撑及角撑，最后再拆除主撑。

5．环境保护及位移沉降观测

对基坑周边环境条件的保护是基坑工程设计施工的一个主要内容，本工程除在设计上采取了止水帷幕、控制支护结构变形值等预防措施外，认真贯彻信息化施工的原则，在基坑周边每隔20-25m设计了一个位移沉降观测点、土层深层测斜点、内支撑轴力监控和周边地下水位变化等，施工期间定期进行观测，充分运用了这些观测信息指导支护工程的施工，使环境保护问题得到了进一步的具体落实。

此外，按照岩土工程“动态设计”的原则，设计人员对施工中发现的一些在原设计图纸中未能考虑到、但确定存在安全隐患的区段进行了必要的设计变更，保证了边坡及周边环境的安全。本工程开工后进行了几次设计变更，对某些区段进行了补强加固处理。

五、结束语

本基坑支护工程虽然不深，但周边环境条件复杂、地质条件较差，且当前复合型土钉墙仍然处于摸索阶段，这些都给基坑工程的设计施工带来了一定的难度和挑战性。设计通过技术处理，运用多种不同支护方式；施工方经过技术分析判断、科学精心施工、经验合理运用，获得圆满成功。本文介绍的该基坑工程设计施工过程中的独特之处，望能供同行参考。

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