浅谈某工程深基坑施工的技术

摘 要：本文笔者主要介绍了某工程深基坑的施工技术，在100 m 直径圆形深基坑施工过程中，又综合运用了超深地下连续墙、降承压水、岛式和对称、均衡、分层开挖等施工技术以及碰桩区地下墙补强、电梯井围护方案优化等措施，并结合全过程信息化监测，保证了超大直径圆形无支撑深基坑施工和周围环境的安全。

关键词：深基坑；无支撑；施工技术

1. 工程概况

1.1地质条件

本工程地基土均属第四系河口滨海相、滨海浅海相沉积层，主要由饱和粘性土、粉性土、砂土组成，缺失第⑧层粉质粘土，第⑥层土是一层很好的不透隔水层，自第⑥层以下埋藏有高水头的承压含水层，为某城市第I、II、Ⅲ承压含水层的连通区，承压含水层埋深为27.88 m，承压水的水头高差达到18.18 m，电梯井开挖深度达25.89 m，坑底已经进入了第⑥层土，距离承压水层只有2.0 m 左右的覆土。

1.2 基坑围护简介

塔楼区位于基坑的中央，基坑采用直径为100 m圆形地下墙围护结构，面积7855 m2，开挖深度18.35m，墙厚1.0 m，地下墙一般深31.55 m，临近电梯井深坑处为33.55 m，地下墙入土系数0.701～0.217，地下墙顶采用钢筋混凝土顶圈梁连成整体，地下墙内侧设三道钢筋混凝土环形围檩，不设支撑，坑底被动区采用宽5.0 m 深4.0 m 格栅式高压旋喷桩加固。电梯井深坑为“坑中坑”，采用12.0 m 长φ800@900 钻孔灌注桩围护，内设一道钢支撑,面积2116 m2，开挖深度25.89 m。围护结构断面如图1 所示。

1.3 工程特点

1.3.1 地下墙成槽深度一般为34 m，最深36 m，需穿越第 ⑥层暗绿色粉质粘土、进入⑦1 层砂质粉土夹粉细砂约8.0 m 左右，其中第⑥层土的内聚力达到40kPa，标准贯入度值达到55，成槽机在该层的挖掘难度很大，且⑦1 层俗有“铁板砂”之称，更增加了成槽取土难度。

1.3.2 有6 根φ700×14 钢管桩（深度接近70 m）分布在四幅地下墙内，要充分表现出其圆形结构的空间受力特点，就必须在原位成墙，碰桩区地下墙施工是 该工程施工的一大难点。

1.3.3 承压水对基坑安全影响大。由于基坑底部覆土自重小于第⑦层承压水头压力，需降低承压水压力以确保基坑和周围环境的安全。

1.3.4 本工程地下墙基坑围护结构厚度1.0 m，基坑直径达100.0 m，厚度与直径之比1/100，技术含量高,施工难度大。

1.3.5 本工程基坑面积7855 m2，属大面积圆形深基坑，取土量约16 万m3，必须加强周边环境的观察，实施信息化施工，最大限度地减小基坑的变形是施工的又一关键技术。

2. 关键施工技术

2.1 超深地下墙施工

本工程地下墙施工跟常规相比，圆形地下墙围护结构同心圆精度控制以及成槽深度达到设计标高是地下墙施工的两大重点。

2.1.1由于基坑是由正多边形构成的圆形围护结构，要充分表现出其圆形结构的空间受力特点，地下墙的同心圆精度控制要求较高。导墙是地下墙施工质量控制的基准，因此，只有控制好导墙施工精度，才能保证地下墙的施工精度。

在导墙施工放样中，建立以基坑圆心为极坐标测量系统,使用红外线全站仪，每隔1.0 m 设置圆弧控制点，导墙的内圆半径实际偏差控制在±1.0 cm 以内，为下一步地下墙同心圆精度控制创造了良好的条件。

2.1.2 根据本工程的地质特点，地下墙穿越第⑥层暗绿色到草绿色粉质粘土，进入第⑦1 铁板砂层，成槽难度较大，针对硬土层成槽时先采用全导杆式成槽机挖至25 m，有利于垂直度的控制，再采用利勃海尔绳索式成槽机开挖至设计标高。 利勃海尔的成槽机可以可在标准贯入度达100 击的弱风化岩中成槽，有强力纠偏功能，而且由于强力纠偏装置的作用，地下连续墙的垂直度控制良好。

2.2 碰桩区地下墙施工

有6 根φ700×14 钢管桩分布在地下连续墙槽段内，绝对标高-10.5 m，根据国内目前施工技术现状，要将约70 m 长的钢管桩，没有成功的先例，国内一般做法如图示2（a）、（b），该处理方法围护结构无法形成正圆,不能要充分表现出其圆形结构的空间受力特点，设计要求必须在原位成墙。

碰桩区地下墙施工，由于受钢管桩影响，不能象常规方法一样成槽取土，只能利用成槽机、钻孔机、高压水枪相结合的方法进行取土，砂石泵反循环清底。先根据钢管桩的位置进行槽段的划分，将钢管桩划分在4 个槽段内。 考虑到高压水冲很可能造成槽壁坍塌，对槽壁两侧采用φ1000 护壁高压旋喷桩加固，深度34.0 m，水泥掺量20%，垂直度不大于1/100，养护1 月以上，实际上碰桩区地下墙施工时旋喷桩养护达45 d 以上。

图3 中阴影部分为接缝处封闭旋喷桩，其目的封闭已施工完地下墙与旋喷桩之间的接缝，使碰桩区加固形成封闭的空间，不仅防止高压水冲塌槽壁，实际上在基坑开挖过程中起到很好的止水效果。

碰桩区地下墙施工非常艰难，四幅地下墙施工时间占整个地下墙施工时间的1/3。但是，基坑开挖后，接缝处混凝土密实，墙面平整。为基坑的安全开挖创造了有利条件，碰桩区地下墙常施工步骤如图3 图示。

2.3 碰桩区地下墙局部补强措施

碰桩区地下墙通过采取各种措施，完成了地下墙混凝土的浇灌，围护体形成一封闭圆，但是地下工程看不到摸不着，地下墙施工有不可预见性风险，是否存在夹泥或混凝土不密实不连续等现象都难以预料。

为确保基坑的安全，在碰桩区的护壁旋喷桩内套打一排φ1000@1200 钻孔排桩，深度34 m；坑内被动区土体加固由4.0 m 加宽到9.0 m，深度由5.0 m 加深到13.0 m，压顶圈梁加宽到4.3 m，将钻孔排桩与地下墙连成整体，其目的是弥补地下墙缺陷，提高基坑的稳定性。碰桩区地下墙从整体看施工比较成功的，但是如果局部接缝存在夹泥或混凝土的不密实等现象，可能会造成环向应力受阻，钻孔排桩用来抵消后侧土体压力，环向应力通过加大混凝土环梁的截面等措施来弥补应力受阻。

2.4 深井减压降水施工技术

从地质剖面图可以看到第⑥层土是一层很好的不透隔水层，自第⑥层以下埋藏有高水头的承压含水层，为第I、II 承压含水层的连通区，承压含水层埋深为27.88 m，承压水的水头高差达到18.8 m。电梯井开挖深度达25.89 m，坑底已经进入了第⑥层土，距离承压水层只有2 m 左右的覆土，基坑坑底抗承压水稳定安全系数Ky=0.194，远远小于规范要求的1.05。 2.4.1基坑底板稳定性分析

本基坑开挖较深，场区承压含水层顶板与基坑底板之间土层厚度较小，故应对基坑底板进行稳定性分析，以防止产生高水头承压水从最不利点突涌的不良现象。

式中 F 为安全系数取系数（取1.1）；hs 为基坑底板至承压含水层顶板的距离（m）；hw 为承压含水层顶板以上的水头高度值（m）； γs为基坑底板至含水层顶板之间土的平均容重（kN•m-3）； γw 为水的容重（kN•m-3）。 据勘察报告，第⑦1 层的层顶标高为-23.88～-25.37 m，顶板埋深为27.88～29.37 m。从最不利的角度考虑，选取承压含水层顶板埋深为27.88 m，承压含水层水头埋深约9.70 m（依据抽水试验），按照上述公式计算，深坑开挖至25.89 m，确保基坑稳定时承压水水头下降14.92 m，故承压水头须降至地面24.62 m 以下，但考虑到基坑开挖面到⑦1 顶板仅厚2.0m，为安全起见应将⑦1 水头降到26.00 m 左右,以保证施工的顺利进行。

2.4.2 深井减压降水的布置

通过计算，共布置16 口减压井。因减压井抽水需持续到地下构筑物的重量足以满足基坑底板稳定性要求后才能停止抽水，并考虑到基坑无支撑无法固定减压井以及井点保护、封堵井点难度大等因素，故减压井布置以坑外为主，坑外布井以基坑中心为圆心，以55 m 为半径，在345.5 m 长的圆周上等间距布置14口降水井。坑内布置2 口备用井，抽水井开孔、终孔直径均为650 mm，孔深56 m，井管为273 mm 的钢质焊缝管，过滤管长21 m，沉淀管1.0 m，滤管为桥式过滤器，孔隙率30%，自孔底至孔深28 m 环填石英圆砾，以形成良好的过滤层，在23～28 m 深处先环填5.0 m 粘土球封孔以避免上部潜水漏入井内，尽可能控制降水引起的地面沉降，其后填粘土至孔口，以进行管外封孔。 布设1 口坑外和2 口坑内观测井，坑外布设分层沉降观测井和孔隙水压力孔各1 口,开终孔直径为φ350，井管直径为φ127 mm，井深34 m，过滤器长3 m。

通过理论计算并结合抽水试验，单井出水量50～70 m3/h，高峰期出水量约15000 m3/d。

实际实施过程中，单井出水量1300 m3/d，在基坑开挖过程中，对降压井降水运行分阶段控制，如下表1。既满足了承压水在基坑开挖阶段的减压要求，又通过严格控制抽水量及缩短抽水时间，减小了对周围环境的影响。表1降水控制阶段表

9 -11.65 -10.0

2.4.3基坑内疏干井布置

由于基坑面积约7855 m2，坑内的潜水通过设置疏干井降水，排除对基坑有影响的淤泥层及其以上各土层内的潜水，每口井的降水有效面积按200 m2，坑内需布40 口疏干井，孔径650 mm，井深22.0 m，井1740 岩 土 工 程 学 报 2006 年管采用φ273 mm 焊接钢管，过滤头长度15 m，沉淀管长度1.0 m，为基坑土方开挖和结构施工创造良好的条件.

2.5 对称、均衡、分层开挖技术

为控制基坑变形以及圆形基坑均匀受力，工程土方采用分层、分块、对称、均衡开挖，基坑从立面分7 层12 次（第􀂴11 、12 次由后续单位施工）开挖，第③、⑤、⑦、⑨层土方开挖分别在第②、④、⑥、⑧层土方开挖后连续进行，在加强垫层强度达到80%后连续进行⑩11 次土方开挖，待深坑顶圈梁和钢支撑安装后进行第12次开挖，随挖随浇筑垫层，挖土工况见图4。

每层开挖时对称、分层开挖基坑周边土方，为使基坑受力均衡，要求离地下墙15.0 m 范围内土方高差不得大于1.5 m，其它控制在2.0 m 左右，再对称浇筑混凝土环梁，基坑中心岛土堤待混凝土环箍封闭后强度达到80%后再开挖。

基坑周边土体开挖时（可看作为环形沟槽），分四区两次对称开挖，环梁混凝土浇筑分四段两次对称浇筑，即1 区和3 区同时挖土同时浇筑环梁混凝土，2区和4 区同时挖土同时浇筑环梁混凝土。

为考虑大型基坑开挖和施工要求，坑内设置四个独立的挖土栈桥，（见平面图5），栈桥长20 m，宽6.5m，栈桥由钢筋砼桥面、桥身、桥桩组成，桥面通过格构柱+钻孔灌注桩作为支撑架，与地下墙完全脱离，减小对围护结减小对围护结构的影响。

由于整个圆形基坑开挖基本遵循了设计要求的 “对称、均衡、分层”原则，因此各测点的变形比较协调，变化规律基本一致。实际变形值接近预测变形值（预测报警值30 mm），至基坑开挖结束时，无论垂直方向还是水平方向变形数据均比较接近，离散性小，在一定程度上保证了整个圆形基坑的均衡受力。

2.6 电梯井深坑围护方案优化

电梯井深坑位于塔楼基坑中部，为坑中坑形式，开挖深度8.04 m，面积约2116 m2，约占塔楼基坑面积27%，原电梯井围护设计方案采用φ800@900，深度为14.0 m 钻孔排桩，外加2.0 m 宽，深度为13.0 m高压旋喷桩止水帷幕，设二道钢支撑、坑底抽条加固，抽条加固宽度4.0 m，深度5.0 m，间距4.0 m。其目的是增加被动土压力，减小围护体变形，防止工程桩产生较大的位移。

由于基底位于第⑥层为暗绿色粉质粘土层，渗透系数小，含水率低，属超固结土，考虑到长期的疏干降水和减压降水对土体起到很好的固结作用，采用旋喷桩止水帷幕和坑底抽条加固意义不大。为节省造价，深坑围护体系改为原工程钢管桩间套打2 根φ900 或1根φ1200 钻孔灌注桩组成复合型围护结构，设一道H200×500 型钢双榀支撑，取消高压旋喷桩止水帷幕和坑底抽条加固。开挖情况良好。仅旋喷桩一项节约成本600 余万元，取得了良好的技术效果和经济效益。

3 深基坑信息化监测

深基坑工程施工过程中进行信息化施工监测，有利于实时掌握围护结构及周边环境的动态变化，根据监测结果动态调整优化施工参数，指导施工，并根据超大直径圆形无支撑深基坑施工技术 1741监测信息和施工参数的变化规律预测下一步施工工况，及时提出应对措施。塔楼监测于2005 年3 月30日结束，历时14 个月，累计监测结果见表2。

表2 累计监测结果表

4 结 语

由以上详细分析总结出以下几点结论：

(1) 深井减压降水是结构安全封底进展顺利的前提和保证，基坑采用深井降水降低承压水水头进行坑底卸压，既保证了基坑开挖和安全封底，也有效地控制了降水引起的地面沉降。

(2) 平面分块、分段、对称均匀开挖，立面分层分次、先四周后中间，并有栈桥出土的方法使圆形围护结构均匀承受土压力。

(3) 圆形围护结构具有整体刚度大和径向变形小的特点，相对变形在0.12H%左右，为常规深基坑中变形最小的（常规为0.7H%），是一种较为经济合理的地下空间结构型式。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。