深基坑支護技術(shù)研究與實踐
——以沈陽局調(diào)度所改擴建工程為例

鐘安德 谷雪冰

(1.中國鐵路沈陽局集團有限公司，遼寧沈陽 110001； 2.國鐵建設(shè)管理有限公司，北京 100048)

1 概述

受工程地質(zhì)條件、地下構(gòu)筑物及管線、周圍各類建筑物、道路、相鄰工程施工以及工程工期等限制，在城市商業(yè)和辦公、生活密集區(qū)進行深基坑開挖施工，存在基坑垮塌、道路沉陷、周邊建筑物開裂等諸多安全風(fēng)險，可能危及現(xiàn)場施工人員和行人、居民的生命安全。

為了規(guī)避深基坑施工的安全風(fēng)險，確保施工人員和人民群眾的生命安全，國內(nèi)眾多學(xué)者和技術(shù)人員對建筑工程深基坑支護技術(shù)的特點和施工方法進行了研究。

喻韶州、石偉[1-2]對建筑工程中的深基坑支護施工技術(shù)進行了研究；潘春雨等[3]以某52層超高層建筑為例，對樁式、重力式支護體系選型和創(chuàng)新設(shè)計思路進行了分析；陳海清[4]介紹了深基坑施工中常見的技術(shù)類型和高層建筑深基坑支護樁、錨桿支護技術(shù)；周凱[15]對護坡樁、土釘支護技術(shù)和施工管理進行了分析；鐘其何[6]對鋼板樁、排列式灌注樁、深層拌和水泥土樁支護施工方法進行了研究；陳慧蘭[7]以富興廣場工程為例，對定位鋼筋掛鐵絲網(wǎng)、噴射C20混凝土和土釘墻支護施工流程進行了闡述；周勇[8]對鋼支撐、混凝土支撐、鋼與混凝土混合支撐等內(nèi)支撐的優(yōu)缺點進行了分析；梁青林[9]介紹了逆作拱墻和錨桿支護施工方法；劉波明[10]對深層攪拌樁等支護技術(shù)的操作原理進行了總結(jié)；謝金東[11]介紹了深基坑支護結(jié)構(gòu)選型；閆懷瑞等[13-14]對重力式擋土墻和懸臂式支護結(jié)構(gòu)的工藝原理進行了闡述。上述研究均立足于對深基坑支護類型、施工方法和管理手段等的研究，沒有針對某一工程深基坑支護設(shè)計方案的研究論證和優(yōu)化變更。

在分析沈陽鐵路局調(diào)度所改擴建工程原設(shè)計深基坑支護方案存在問題的基礎(chǔ)上，為確保鄰近工程現(xiàn)場的各類建筑物和公共設(shè)施結(jié)構(gòu)安全[16]，同時滿足工程工期需要，對原設(shè)計深基坑支護結(jié)構(gòu)方案進行了優(yōu)化和變更，采用護坡樁、冠梁、三道錨索綜合支護技術(shù)和信息化監(jiān)測方法，保證了工程安全和工期要求。

2 工程概況

沈陽局調(diào)度所改擴建工程主要工程內(nèi)容為：新建調(diào)度樓18 000 m2建筑結(jié)構(gòu)為地下2層、地上4層，配套新建客專調(diào)度系統(tǒng)設(shè)備，遷移既有普速調(diào)度系統(tǒng)設(shè)備(如圖1所示)。建成后，可實現(xiàn)原沈陽鐵路局行車、信號、通信、供電、車輛、客服、信息等各類調(diào)度系統(tǒng)的統(tǒng)一指揮。新建調(diào)度樓地下建筑總面積為14 812.35 m2，其中，調(diào)度樓及附屬設(shè)施5 600.27 m2，地下車庫9 212.08 m2，基坑7 370.3 m2(東西長89.7 m，南北寬82.1 m)，最大埋深16.05 m。工程于2015年5月1日正式開工，2015年12月30日完成主體施工，2016年10月30日調(diào)度系統(tǒng)投入使用。

圖1 新建調(diào)度樓與周邊建筑效果

3 工程難點

3.1 周圍建筑物距基坑較近

(1)東側(cè)緊鄰既有調(diào)度樓、辦公樓和雙層地下車庫，基坑底部邊緣距既有調(diào)度樓及雙層地下車庫(樁基礎(chǔ)埋深4.8 m)邊緣約5.7 m。

(2)南側(cè)緊鄰北五馬路，基坑底部邊緣距道路邊緣約6.7 m。

(3)西側(cè)緊鄰昆明北街，基坑底部邊緣距道路邊緣約8.8 m，距道路一側(cè)某小區(qū)七號樓約19.5 m。

(4)北側(cè)緊鄰某新建住宅樓(地下3層含2層停車場，地上33層)工程，兩工程基坑垂直邊緣間距為2 m，地下工程同步施工。

3.2 工程地質(zhì)條件較差

(1)地質(zhì)鉆探顯示，在鉆孔深度范圍內(nèi)的巖土由上至下為第四系全新統(tǒng)人工填筑雜填土、素填土，第四系全新統(tǒng)沖積黏性土、砂類土；第四系上更新統(tǒng)沖洪積黏性土、砂類土、圓礫。基坑深度內(nèi)地下土體密實度較低，結(jié)構(gòu)松散，基坑開挖后邊坡容易垮塌。

(2)地下水賦存于第四系的中、粗、礫砂層中，屬孔隙潛水?，F(xiàn)場鉆孔量測顯示，地下水水位埋深為13.20～13.50 m，穩(wěn)定水位高程為31.14～31.90 m，地下水水位季節(jié)性變幅為2.0～4.0 m，中、粗、礫砂層等含水層滲透性強?；咏邓掷m(xù)時間長，坑內(nèi)降水對施工工期及周圍建筑物的安全影響較大。

3.3 施工條件較差

(1)施工現(xiàn)場場地狹窄，施工機械難以擺放，無建筑材料堆放及鋼筋加工場地；基坑深16.05 m，無放坡開挖條件；開挖土方量約13×104m3。

(2)本工程地處沈陽市核心區(qū)繁華鬧市，東臨沈陽鐵路局辦公樓，南側(cè)和西側(cè)緊鄰市政道路，西側(cè)、南側(cè)均為居民樓，西側(cè)地下結(jié)構(gòu)外皮距居民樓19.5 m。施工過程中的噪聲、光污染、揚塵、混凝土澆筑等因素影響附近居民的生活和休息。

綜上所述，必須采取切實可行又經(jīng)濟合理的支護方案，減少對工期和環(huán)境的影響。

4 基坑支護設(shè)計方案與安全監(jiān)測

4.1 原設(shè)計方案概述

(1)原基坑支護主要技術(shù)方案

原基坑支護方案為“鉆孔灌注樁+2道混凝土內(nèi)支撐”支護體系。如圖2所示。

圖2 原設(shè)計兩道鋼筋混凝土內(nèi)支撐模型

①在基坑四周設(shè)置鉆孔灌注樁，樁徑為0.8 m、1.0 m兩種，間距為1.0 m、1.2 m兩種。

②在地面以下2.0 m及9 m各設(shè)置1道鋼筋混凝土支撐，在地面以下10.5 m設(shè)置鋼管斜倒撐，在地下一層斜坡道位置設(shè)置鋼倒撐。

③在冠梁以上設(shè)置厚0.3 m、高2.0 m的混凝土擋墻。

④在鉆孔灌注樁外側(cè)設(shè)置三軸水泥攪拌樁止水帷幕。

⑤在圍護樁及樁間土體土石面網(wǎng)噴C20混凝土。

(2)存在問題及不足

①在基坑內(nèi)兩個不同高度處施作兩道鋼筋混凝土內(nèi)支撐支護體系，施工工藝復(fù)雜，與調(diào)度樓樁基、基礎(chǔ)和地下結(jié)構(gòu)施工相互交叉干擾，且基坑內(nèi)無鉆機和起重機占位條件，基坑開挖工期近6個月，主體工程工期至少順延3個月。

②調(diào)度樓基坑施工期間，現(xiàn)場外在條件發(fā)生了變化，北側(cè)住宅樓工程已經(jīng)先于調(diào)度樓工程進行基坑開挖，基坑北側(cè)邊緣圍護樁與內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)已無法實施，調(diào)度樓基坑已由原設(shè)計的“口”字形結(jié)構(gòu)變成“門”字形結(jié)構(gòu)。如圖3所示。

圖3 “門”字形基坑支護結(jié)構(gòu)模型

③兩道混凝土內(nèi)支撐和兩道鋼倒撐的支護體系保險系數(shù)過大，基坑支護造價在調(diào)度樓主體工程造價中占比過高，造成沒有必要的投資浪費。

4.2 基坑支護結(jié)構(gòu)選型

為滿足工程工期和周圍既有建筑物及道路的安全要求，同時降低基坑支護工程造價，工程實際開工后，鐵路局開展了工程現(xiàn)場實地挖驗和基坑支護設(shè)計方案優(yōu)化，并組織專家進行論證，確定將原設(shè)計的“支護樁+兩道混凝土內(nèi)支撐”支護體系，優(yōu)化為“支護樁+預(yù)應(yīng)力錨索”支護系統(tǒng)，設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨桿及鋼腰梁，形成樁錨結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式；為保證既有調(diào)度指揮樓和既有地下車庫安全，在基坑?xùn)|側(cè)增設(shè)雙排樁設(shè)計，取消“在基坑內(nèi)施作兩道混凝土內(nèi)支撐支護體系”的原設(shè)計。

(1)基坑護坡設(shè)計參數(shù)

①地面超載按q=20 kPa考慮，行車指揮樓超載按q=50 kPa，地下車庫超載按q=20 kPa考慮。

②基坑變形：基坑樁錨支護部位按Ⅰ級基坑控制變形，基坑安全等級為Ⅰ級；北側(cè)放坡體按Ⅲ級基坑控制變形，基坑安全等級為Ⅲ級。

(2)基坑各剖面支護結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)規(guī)程中支護結(jié)構(gòu)選型和地層現(xiàn)狀、基坑深度、場地周邊建筑物等情況，對基坑支護方案進行細化，分為5個剖面：1-1(基坑西南側(cè)及南側(cè))、2-2(基坑?xùn)|側(cè))、3-3(基坑?xùn)|側(cè)北端)、5-5(基坑西北側(cè)，剖面采用“雙排樁+370 mm磚擋墻+錨索”支護體系)、4-4(基坑北側(cè)，剖面自然放坡)。新建調(diào)度樓基坑平面及剖面位置如圖4所示；基坑剖面及支護位置現(xiàn)場實景如圖5所示。

圖4 新建調(diào)度樓基坑平面及剖面位置

圖5 新建調(diào)度樓基坑剖面及支護位置現(xiàn)場實景示意

4.3 基坑支護設(shè)計方案

(1)以1-1剖面設(shè)計為例，“樁錨+370 mm磚擋墻”支護設(shè)計方案如圖6。

圖6 基坑1-1剖面三道錨索示意(單位：mm)

①本剖面位于基坑西南側(cè)及南側(cè)，從自然地面算起，基坑深約16.00 m，采用“樁錨+370 mm磚擋墻”支護體系，上部1.65 m施作370 mm磚擋墻，預(yù)留肥槽(寬1.2 m)，地面超載為20 kPa。

②護坡樁采用A型鉆孔灌注樁，樁長23.5 m，其中嵌固段長9.65 m，樁間距1.0 m，樁徑800 mm，樁身強度為C30，混凝土塌落度為180～220 mm。

③冠梁尺寸為800 mm×500 mm，強度為C30，兩側(cè)各配3C20HRB400級熱軋螺紋鋼筋，中間加配2C18HRB400級熱軋螺紋鋼筋，箍筋為C8@150。

④三道錨索分別位于冠梁頂下3.35 m、7.35 m、11.35 m處，水平間距為1.5 m(三樁兩錨)，錨索孔徑為150 mm，下傾角為15°。錨索成孔后，放入4～5φ15 mm(7φ5 mm)低松弛型鋼絞線，每2 m設(shè)1對中支架。二次壓漿灌注P.S.A32.5 MPa礦渣純水泥漿，水灰比為0.50，強度為20 MPa。錨索鋼絞線下入過程中，增加1根塑料壓漿管，沿著該塑料管注漿和二次壓漿(塑料壓漿管不取出)。錨索鎖在2根I28b型鋼上。1-1剖面3道錨索參數(shù)如表1所示。

表1 1-1剖面三道錨索參數(shù)

⑤樁間土體掛φ6.5@200×200 mm鋼筋網(wǎng)，使用C16 U形鋼筋勾將鋼筋網(wǎng)片與護坡樁固定，加強筋的縱向間距為1.0 m。然后噴射細石混凝土，強度為C20，面墻厚度約為100 mm。

⑥采用信息法施工，根據(jù)現(xiàn)場實際情況做適當(dāng)調(diào)整。

(2)以2-2剖面為例，“雙排樁+370 mm磚墻擋墻+錨索支護”設(shè)計方案如下。

①本剖面位于基坑?xùn)|側(cè)，鄰近既有行車指揮中心，護坡樁內(nèi)皮距指揮中心約5.7 m，行車指揮中心基礎(chǔ)埋深4.8 m，采用樁基礎(chǔ)。從自然地面算起，坑深約16.00 m，采用“雙排樁+錨索+370 mm磚擋墻”支護體系，上部1.65 m施作370 mm磚擋墻，預(yù)留肥槽(寬1.2 m)，地面超載為20 kPa。

②B型鉆孔灌注樁護坡樁長24.5 m，其中嵌固段長10.65 m，前排樁間為距1.2 m，后排樁間距為2.4 m，排距為2.0 m，樁徑為1 000 mm，樁身強度為C30，混凝土塌落度為180～220 mm。

③冠梁尺寸為1 000 mm×500 mm，強度為C30，兩側(cè)各配3C20HRB400級熱軋螺紋鋼筋，中間加配4C20HRB400級熱軋螺紋鋼筋，箍筋為C8@150。

④連梁、錨索、樁間土體掛鋼筋網(wǎng)的做法同1-1剖面。

⑤采用信息法施工，根據(jù)現(xiàn)場實際情況做適當(dāng)調(diào)整。

(3)注意事項

①距坑邊3.0 m范圍內(nèi)嚴(yán)禁堆放鋼筋等雜物或行駛重型卡車。

DBT對非致密型腺體的檢查敏感性、特異性、陽性/陰性預(yù)測值與FFDM相比，差異不顯著（P＞0.05）；對于致密型腺體良惡性的判斷，DBT特異性較FFDM高，比較差異顯著（P＜0.05），但敏感性、陽性/陰性預(yù)測值相比，兩者差異均不顯著（P＞0.05）。見表3。

②土方開挖要與護坡相協(xié)調(diào)，嚴(yán)禁超挖。

③錨索張拉鎖定前，坑邊嚴(yán)禁行駛車輛，避免因動荷載引起鋼絞線與水泥漿之間出現(xiàn)松動現(xiàn)象。

4.4 基坑開挖安全監(jiān)測與施工

深基坑的安全與穩(wěn)定直接關(guān)系到基坑本身及鄰近建筑物、基坑周邊道路和鄰近地下管線的安全。根據(jù)深基坑支護有關(guān)規(guī)范要求，在結(jié)構(gòu)主體地下部分施工階段，必須對基坑支護系統(tǒng)和周邊環(huán)境進行監(jiān)測。由于巖土工程的復(fù)雜性，深基坑支護系統(tǒng)受到許多難以確定因素的影響，因此，應(yīng)加強監(jiān)測，及時掌握支護系統(tǒng)及周圍環(huán)境的動態(tài)變化，確保支護系統(tǒng)和周圍環(huán)境的安全。

(1)支護坡體水平及垂直位移監(jiān)測

① 監(jiān)測項目

支護坡體水平、垂直位移，基坑周邊道路、管線及地面沉降觀測，錨索內(nèi)力監(jiān)測，基坑深部位移變形監(jiān)測，既有建筑物沉降觀測，地下水水位觀測，支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測。

②監(jiān)控預(yù)警值和報警值

根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB50497—2009)，本次基坑?xùn)|側(cè)(調(diào)度樓一側(cè)) 2-2剖面、3-3剖面的基坑變形控制：水平安全預(yù)警值為h×1.0‰×70%，報警值為h×1‰；垂直變形安全預(yù)警值為h×1.0‰×70%，報警值為h×1‰?；?-1剖面、5-5剖面變形控制：水平安全預(yù)警值為h×2.0‰×70%，報警值為h×2‰；垂直變形安全預(yù)警值為h×2.0‰×70%，報警值為h×2‰?；?-4剖面變形控制：水平安全預(yù)警值為h×5.0‰×70%，報警值為h×5‰；垂直變形安全預(yù)警值為h×6.0‰×70%，報警值為h×6‰。樁錨支護連續(xù)3 d內(nèi)變形速率不得超過2 mm/d；4-4剖面連續(xù)3 d內(nèi)變形速率不得超過5 mm/d；周邊管線連續(xù)3 d變形速率不得超過2 mm/d?；又ёo變形觀測預(yù)、報警數(shù)值與實測數(shù)據(jù)對照如表2所示。

表2 基坑支護變形觀測預(yù)、報警數(shù)值與實測數(shù)據(jù)對照 mm

錨索的內(nèi)力監(jiān)測宜采用專用測力計、鋼筋應(yīng)力計或應(yīng)變計，量程宜為對應(yīng)設(shè)計值的2倍，量測精度不宜低于0.5%F·S，分辨率不宜低于0.2%F·S。

(3)護坡樁變形監(jiān)測

通過測斜儀觀測各深度處的水平位移。測斜儀系統(tǒng)精度不宜低于0.25 mm/m，分辨率不宜低于0.02 mm/500 mm。

4.5 基坑開挖施工要點

(1)按“分層開挖、嚴(yán)禁超挖”的施工原則，嚴(yán)防基坑邊坡超挖。按支護方案施工工藝與支護步數(shù)逐層分段開挖，待支護達到允許強度后再進行下部開挖。

(2)當(dāng)土方開挖至冠梁底面高程后進行冠梁施工；冠梁施工完成后，分層開挖至錨索高程下500 mm，逐層進行錨索施工，直至挖至基底以上300 mm。

(3)基坑開挖到距距離坑底300 mm時，必須采用人工挖除，基坑開挖到最終坑底面后應(yīng)及時施作墊層。

(4)基坑開挖施工時，圍護結(jié)構(gòu)周圍的地面超載不能大于設(shè)計規(guī)定的超載極限值，基坑3.0 m范圍內(nèi)嚴(yán)禁堆載。

(5)土方開挖時，挖斗嚴(yán)禁碰撞護坡樁、錨頭、腰梁等支護結(jié)構(gòu)。

5 安全、經(jīng)濟和社會效益分析

通過優(yōu)化護坡樁、冠梁、錨索、掛網(wǎng)噴漿、擋水墻和基坑支護變形監(jiān)測等安全防護技術(shù)方案，保證了基坑四周既有建筑物和道路、管線等的設(shè)施安全，保證了施工、辦公、道路通行人員和居民安全，縮短基坑支護工期3個月，節(jié)約投資230萬元，確保了2015年末調(diào)度樓主體結(jié)構(gòu)、屋面和全部砌體按期完成(見圖7)。

圖7 建成后調(diào)度樓實景

2016年12月28日，新建調(diào)度大廳125個調(diào)度臺和普速、客專調(diào)度系統(tǒng)全部按期開通使用，通信、信號、信息、供電、客服等各專業(yè)調(diào)度系統(tǒng)設(shè)備的可靠性和安全性得到極大改善和提高，尤其是保證了133個既有調(diào)度信息系統(tǒng)搬遷施工的按期完成，實現(xiàn)了調(diào)度信息系統(tǒng)設(shè)備質(zhì)量、使用功能、運行速度和可靠性等方面質(zhì)的飛躍，使得鐵路局調(diào)度所對全局客專和普速鐵路行車的調(diào)度指揮更加順暢，為鐵路局運輸提質(zhì)增效做出了貢獻，取得了較好的安全、經(jīng)濟和社會效益。