復(fù)雜環(huán)境下醫(yī)院擴建工程深基坑設(shè)計與施工實例

付瑞勇 武登輝,2 葉勝林,2 趙慶亮,2 馬 振

(1.山東建勘集團有限公司，山東濟南 250031；2.山東省基坑與邊坡工程研究中心，山東濟南 250031)

0 引言

大型綜合性醫(yī)院是城市公共設(shè)施的重要組成部分，直接關(guān)系到居民生活幸福指數(shù)的高低。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市規(guī)模的擴大，20世紀規(guī)劃建設(shè)完成的位于城市中心的大型醫(yī)院越來越難以滿足城市居民的就醫(yī)需求，床位緊張、停車困難是老院區(qū)的通病，為改善居民就醫(yī)條件，需要在院區(qū)內(nèi)進行擴建工程。面對緊張的用地空間，擴建工程需要最大程度地開發(fā)地下空間。

山東省立醫(yī)院位于濟南市槐蔭區(qū)，新建兒科綜合樓選址于醫(yī)院兒科病房樓西側(cè)，將院區(qū)內(nèi)原2—5層辦公用樓拆除后進行建設(shè)。建設(shè)場地十分狹窄，本工程建設(shè)期間需保證東側(cè)兒科病房樓正常使用，基坑重要性大，對施工工藝的各項要求高，需綜合權(quán)衡基坑安全度、施工效率以及經(jīng)濟性等各方面指標。綜合考慮場地地層以及周邊環(huán)境情況，基坑支護采用樁錨支護方案，地下水控制采用高壓旋噴樁截水帷幕結(jié)合管井降水的方案[1-4]，經(jīng)開挖驗證，方案經(jīng)濟合理，施工效率高，確保了醫(yī)院擴建工程的順利實施。

1 工程概況

1.1 擬建物概況

擬建山東省立醫(yī)院兒科綜合樓地上19層，地下3層，基坑大致呈矩形，長約93.6 m，寬約62.1 m，基坑開挖深度為15.7～19.9 m。

1.2 場地地層情況

場地地層自上而下由新近人工堆積填土、第四系全新統(tǒng)—上更新統(tǒng)沖洪積層和燕山期閃長巖風化帶組成，基坑支護深度影響范圍內(nèi)自上而下分8層。詳述如下：

①雜填土：雜色，稍密，稍濕，主要成分為石灰、磚塊等建筑垃圾，混少量—多量黏性土，層厚1.0～3.0 m。

②黃土狀粉質(zhì)黏土：黃褐色，可塑，局部硬塑，具大孔結(jié)構(gòu)，具濕陷性，含少量鈣質(zhì)條紋，局部含少量姜石或碎石，層厚3.0～5.2 m。

③粉質(zhì)黏土：黃褐色，可塑，含少量氧化鐵。該層局部揭示碎石夾層③1，灰黃色，中密，飽和，碎石成分為石灰?guī)r，粒徑3～6 cm，最大8～10 cm，充填30%～40%的黏性土，局部膠結(jié)，厚度0.4～3.2 m。該層厚度0.5～6.5 m。

④粉質(zhì)黏土：棕黃色，硬塑，局部可塑或堅硬，含少量鐵錳氧化物及結(jié)核，局部相變?yōu)轲ね?，層?.0～5.4 m。

⑤粉質(zhì)黏土：棕紅色，硬塑，局部可塑或堅硬，含少量鐵錳結(jié)核，局部相變?yōu)轲ね痢?/p>

⑥粉質(zhì)黏土：棕黃色，硬塑，局部可塑，含少量鐵錳氧化物，局部相變?yōu)轲ね?。該層局部揭示碎石夾層⑥1，灰黃色，中密—密實，飽和，碎石成分為石灰?guī)r，粒徑3～8 cm，充填20%～40%的黏性土，局部膠結(jié)，厚度0.7～3.9 m。該層厚度3.1～6.5 m。

⑦強風化閃長巖：灰綠色，細粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，裂隙發(fā)育，巖芯呈短柱狀及塊狀，少量砂狀，采取率70%～80%，RQD=0～20，屬極軟巖，破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。該層厚度0.80～5.60 m。

⑧中等風化閃長巖：灰綠色，細粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖芯呈柱狀，少量短柱狀，節(jié)長一般5～20 cm，最長30～40 cm，采取率80%～90%，RQD=65～80，屬軟巖，較完整，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ。該層未揭穿，最大揭露厚度15.2 m。

1.3 場地地下水

為第四系孔隙潛水，主要補給來源為大氣降水及地下徑流?？辈炱陂g從鉆孔內(nèi)測得地下水靜止水位埋深6.3～7.4 m，相應(yīng)標高34.9～35.6 m，近5年來水位變化幅度約1～2 m。

2 基坑支護及地下水控制方案

本場地為拆遷場地，場地周邊環(huán)境復(fù)雜。綜合考慮基坑周邊建構(gòu)筑物以及地層情況，采取樁錨支護形式，并采用高壓旋噴樁截水帷幕+管井降水的地下水控制方案。

2.1 基坑周邊環(huán)境情況

基坑平面布置以及周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1 基坑平面布置以及周邊環(huán)境圖(單位：m)

(1)基坑北側(cè)西半部距離地下室外墻20.2 m處為6層磚混結(jié)構(gòu)住宅樓(為濟南市機電公司商住樓)，條形基礎(chǔ)，埋深約1.5 m；北側(cè)東半部距離地下室外墻15 m處為2層磚混結(jié)構(gòu)住宅樓(為省立醫(yī)院用房)，條形基礎(chǔ)，埋深約3.5 m。距離新建地下室外墻約10.0 m處有雨水、給水及污水等管線，埋深約1.5 m；距離約15.0 m處有空中架設(shè)熱量管線等。

(2)基坑?xùn)|側(cè)距離地下室外墻3.2 m處為已建兒科病房樓，該樓地上6層、地下1層，框架結(jié)構(gòu)，采用筏板基礎(chǔ)，基底標高35.6 m；兒科病房樓與基坑之間3.2 m范圍內(nèi)存在電力(南段)、雨水及污水(北段)管線。經(jīng)建設(shè)單位確認，上述管線將在基坑開挖及施工前開挖移除或采取保護措施。

(3)基坑南側(cè)為經(jīng)五路，地下室外墻距道路邊線10.0 m。西段距離地下室外墻約3.0 m處存在熱力、給水管線，埋深約2.5 m；基坑南側(cè)東端為過街天橋梯道(距離地下室外墻3.0 m)，天橋主體采用連續(xù)鋼梁，主橋部分采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)(樁長約8.5 m)，承臺呈“T”字形，3.2 m×3.1 m，承臺底埋深1.6 m；天橋梯道采用型鋼結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用柱下獨立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深1.2 m。

(4)基坑西側(cè)為緯七路，地下室外墻距道路邊線12.1 m，地下室外墻距離西側(cè)最近建筑物25.6 m(為省立醫(yī)院用房)。

2.2 基坑支護設(shè)計方案

(1)緊鄰現(xiàn)狀兒科病房樓區(qū)段

該段地面整平標高42.2 m，基坑深度16.0 m，基坑上部1.0 m范圍內(nèi)采用天然放坡，放坡坡度1∶0.5，坡底留1.2 m平臺；1.0 m以下采用錨拉式(排樁+錨索)支護結(jié)構(gòu)，樁徑1.0 m，樁間距1.4 m，一樁一錨，設(shè)4道錨索，錨索長18.0～27.0 m，排樁嵌固深度10.0 m(見圖2)。

(2)靠近道路區(qū)段

基坑西側(cè)緊鄰緯七路，基坑深度19.9 m，基坑上部3 m范圍內(nèi)采用土釘墻支護形式，放坡坡度1∶0.5，設(shè)2道土釘，土釘長度3.0 m，豎向間距1.3 m，水平間距1.6 m，梅花狀布置；3.0 m以下采用錨拉式(排樁+錨索)支護結(jié)構(gòu)，樁徑1.0 m，樁間距1.6 m，一樁一錨，設(shè)6道錨索，錨索長25.0～28.0 m，排樁嵌固深度9.1 m(見圖3)。

2.3 地下水控制方案

本工程采用坑內(nèi)降水、基坑周邊設(shè)置高壓旋噴樁與支護樁相互咬合形成的帷幕截水，并結(jié)合坑外回灌的地下水控制方案。

圖2 緊鄰建筑物側(cè)基坑支護剖面圖(單位：m)

圖3 靠近道路側(cè)基坑支護剖面圖(單位：m)

(1)截水方案：支護樁間設(shè)置2個旋噴樁，高壓旋噴樁樁頂位于地面以下3.0 m，樁底穿過碎石層，進入強風化閃長巖內(nèi)，樁徑800 mm，高壓旋噴樁間搭接為300 mm，與支護樁搭接為350 mm，水泥摻入量為300 kg/m(見圖4)。

圖4 截水帷幕大樣圖(單位：mm)

(2)降水方案：采用管井降水方案，于基坑內(nèi)沿地下室外墻周邊共布置降水井25眼，降水井間距12.0 m，降水井井底標21.2 m、17.4 m(進入基礎(chǔ)底面以下≥5.0 m)；基坑內(nèi)布設(shè)疏干井8眼，間距約20.0 m，疏干井井底標19.0 m、15.0 m；盡量布置在電梯井及集水坑處。

(3)回灌方案：基坑周邊在截水帷幕外側(cè)布設(shè)回灌井26眼，井深同降水井，間距10～15 m。當降水原因引起帷幕外水位下降超過0.5 m時及時進行回灌，確保帷幕外地下水位與降水前相比下降不超過0.5 m。

3 基坑支護施工及土方開挖

3.1 支護樁及帷幕施工

受限于場地周邊道路的交通管制措施以及醫(yī)院內(nèi)安全文明施工要求，支護施工工期較長。支護施工單位于2014年7月中旬進場，10月中旬完成支護樁施工，11月初完成截水帷幕的施工，11月底完成降水井施工并開始降水。由于場地狹小，而且基坑開挖后需進行工程樁及抗浮錨桿施工，如在地面完成疏干井施工，土方開挖及工程樁施工期間難以保護，考慮淺部土方開挖時降水壓力較小，僅施工降水井抽水，工程樁施工完成后施工坑內(nèi)疏干井進行深部降水。由于本項目基礎(chǔ)埋深大，若從地面施工工程樁，樁位偏差難以控制，考慮基坑開挖后打樁，至2015年5月底基坑開挖至深度14.9 m處，在該標高進行主樓工程樁施工，8月底工程樁施工完成。至2015年10月底開挖至設(shè)計基底標高并進行主體結(jié)構(gòu)施工，剩余北側(cè)出土坡道至2015年12月開挖完畢，基坑總工期約18個月。(見圖5、圖6)

圖5 基坑?xùn)|部開挖完成后現(xiàn)場照片

圖6 基坑西部開挖完成后現(xiàn)場照片

3.2 錨索施工

本項目場地空間狹小，周邊環(huán)境復(fù)雜，錨索在施工時充分考慮場地特點，有針對性地施工，并根據(jù)出現(xiàn)的特殊情況進行了相應(yīng)調(diào)整。

(1)基坑?xùn)|側(cè)緊鄰現(xiàn)狀兒科病房樓，錨索進入病房樓基礎(chǔ)范圍內(nèi)，尤其是第一層錨索與病房樓基底豎向距離近，施工時易對病房樓基底持力層產(chǎn)生擾動，針對該情況施工時采取了間隔分批施工的順序，錨索成孔后立即進行注漿，注漿時添加適量速凝劑，間隔2天，待水泥注漿體達到一定強度后進行下一批錨索的施工。

(2)由于本項目基坑深度大，但場地狹小，土方開挖只能采取預(yù)留內(nèi)坡道的方式，坡道坡率1∶4。前期土方開挖時，坡道設(shè)置于基坑?xùn)|南角，施工時先開挖周邊土方為錨索施工提供工作面，待坑內(nèi)土方按第一層錨索標高開挖完畢后，挖除坡道，施工坡道處錨索，錨索達到養(yǎng)護齡期后張拉鎖定，坑內(nèi)挖土恢復(fù)臨時坡道進行下一步土方開挖，依次交叉施工作業(yè)至第四層錨索張拉鎖定，挖土至14.9 m深度時預(yù)留1 m厚土施工開挖完成的工程樁，工程樁施工完畢后將臨時坡道遷移至沿基坑北側(cè)，緊靠支護樁東西向布置，施工坡道處第四層錨索，張拉鎖定后開挖至15 m深度施工此處工程樁。這樣采用流水交叉施工的方式最終收坡道土方時，僅剩余2層錨索，減少了坡道位置支護施工的工期。

(3)基坑南側(cè)第三層錨索施工時，錨索端部進入經(jīng)五路下防空洞下部地層，防空洞內(nèi)有地下水充填，部分錨索施工時，防空洞內(nèi)地下水沿錨孔涌出(見圖7)。該層錨索開孔標高位于地下水位以下1.7 m，水頭差不大，從錨孔中涌出的地下水無夾泥現(xiàn)象，對該部位錨索施工采取了預(yù)留一個錨孔導(dǎo)流泄壓，其余錨孔正常注漿封堵，待該錨孔附近錨索都施工完畢后，封堵作泄壓用的錨索。

圖7 錨索進入防空洞以下地層時錨孔涌水情況

(4)基坑西側(cè)第一層錨索施工時，遇場地外深厚填土，該層錨索注漿量大，尤其二次注漿時注漿壓力低，局部地面出現(xiàn)冒漿情況，經(jīng)張拉測試，錨索抗拔承載力達不到設(shè)計要求。根據(jù)這種情況，在該層錨索下部1 m處增設(shè)一層錨索以保證基坑安全。

4 基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)

現(xiàn)場監(jiān)測工作自2014年10月8日正式開始，到2016年5月30日完成所有監(jiān)測工作，歷時600天。實際布置各類型監(jiān)測點72個，其中基坑位移(水平及垂直共用)監(jiān)測點20個，基坑周邊環(huán)境監(jiān)測點(道路管線、周邊建筑物、周邊管線)沉降監(jiān)測點28個，錨索軸力監(jiān)測點8個，深層水平位移監(jiān)測點8個，地下水位監(jiān)測點8個。

所測基坑最大水平位移為13.3 mm，最大豎向位移為8.6 mm，周邊道路最大沉降值為13.8 mm，周邊建筑最大沉降值為8.5 mm，深層水平位移最大值為4.8 mm，基坑開挖及使用期間水平位移變化速率平穩(wěn)，無較大起伏，且最大水平位移未超過規(guī)范報警值。

基坑西東側(cè)6層兒科病房樓緊鄰基坑開挖邊線，該處基坑開挖深度16 m，采用樁錨支護，錨索水平向間距1.4 m，豎向間距2.5 m，沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖8、圖9所示。

圖8 兒科病房樓沉降曲線

圖9 兒科病房樓對應(yīng)區(qū)段基坑水平位移曲線

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，采用樁錨支護方案對控制變形效果理想，兒科病房樓最大沉降值為6.6 mm，支護樁頂水平位移最大值為13.3 mm。

2015年5月中旬，該處基坑開挖至14.9 m深度，并進行工程樁施工，至8月底，工程樁施工完畢，10月初墊層施工完成，隨后進行主體結(jié)構(gòu)施工，由于該側(cè)預(yù)留施工操作面較少，無防水施工操作空間，總包單位將基坑側(cè)壁采用混凝土填平后，以單邊支模的方式施工該側(cè)地下室外墻及防水，至2015年12月底，該側(cè)結(jié)構(gòu)施工至地面標高，同時該側(cè)基坑回填完畢。將工程施工進度與基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析，建筑物及基坑支護結(jié)構(gòu)在工程樁施工至設(shè)計基坑底標高期間變形速率相對較快，并達到最大沉降量，之后隨主體結(jié)構(gòu)施工少量回彈并趨于穩(wěn)定。

本工程設(shè)計時采用理正深基坑軟件進行計算[5-6]，計算基坑水平方向最大變形量為30.77 mm，地表沉降按拋物線法計算最大沉降量31 mm(見圖10、圖11)。

圖10 軟件計算水平位移包絡(luò)圖

圖11 軟件計算地表沉降圖

實測基坑水平位移以及周邊建筑沉降量遠小于計算變形量，支護方案有進一步優(yōu)化的空間。

5 結(jié)論

(1)支護方案選型：濟南市槐蔭區(qū)老城區(qū)內(nèi)的改擴建工程場地狹小，周邊建筑物密集，在山東省立醫(yī)院附近場地采用樁錨支護形式安全可靠，同內(nèi)支撐支護形式相比，可大大降低土方開挖難度，減少工程工期及造價。

(2)降水方案選型：場地下部分布有碎石層，含水量豐富，采用樁間搭接高壓旋噴樁的形式設(shè)置落底式截水帷幕，帷幕底穿透碎石層進入強風化閃長巖內(nèi)，經(jīng)開挖驗證，截水效果良好，基坑涌水量不大，基坑外側(cè)地下水位無明顯下降。

(3)施工控制措施：該類型場地中，錨索進入臨近建筑物基底對建筑物沉降影響較小，施工時可采取隔孔施工并添加速凝劑的方式進一步減少錨索施工對建筑物的影響，保證建筑物的安全。

(4)堅持動態(tài)設(shè)計原則：老城區(qū)市政道路下分布有老舊防空洞，年代久遠，資料缺失，部分防空洞位于地下水位以下，呈充水狀態(tài)，施工前宜進行詳細調(diào)查，盡量查清其分布，施工時如出現(xiàn)與設(shè)計考慮情況不符的情況，及時調(diào)整錨索位置以避免防空洞對基坑支護的影響；老城區(qū)內(nèi)的改擴建工程用地空間狹小，往往不具備規(guī)范要求的在基坑外不小于基坑深度2倍范圍布置勘探點的要求，場地外地層情況只能結(jié)合場地內(nèi)的勘察資料進行綜合分析，當施工時遇到不明地層情況時，應(yīng)及時反饋設(shè)計，進行設(shè)計變更；該類型場地基坑實測變形量小于理正深基坑計算變形量，支護方案有進一步優(yōu)化的空間。