大型深基坑施工技術(shù)及應(yīng)用

巨錦鋒

中鐵廣州工程局集團(tuán)市政環(huán)保工程有限公司，中國(guó)·陜西 咸陽(yáng) 721000

1 引言

近二十多年來(lái)，中國(guó)建筑基坑工程技術(shù)得到很快發(fā)展，由控制失穩(wěn)到對(duì)周邊建筑的影響，再對(duì)環(huán)境的影響。很多新型支護(hù)結(jié)構(gòu)及施工新技術(shù)得到推廣和應(yīng)用。而深基坑施工具有地質(zhì)變化復(fù)雜、開(kāi)挖難度大、費(fèi)用高及對(duì)周邊環(huán)境影響大等問(wèn)題，是城市建設(shè)中一個(gè)亟待攻克的難題，所以對(duì)大深基坑施工技術(shù)的研究是社會(huì)高速發(fā)展和建筑業(yè)的趨勢(shì)。在不同地質(zhì)情況下選擇不同的工藝，或在周?chē)h(huán)境發(fā)生變化時(shí)選擇相適宜的工藝使其在保證安全質(zhì)量的前提下提高社會(huì)價(jià)值。

2 大型深基坑工程特點(diǎn)

2.1 施工周期短

由于深基坑開(kāi)挖深度一般較大，工程量比淺基坑增加很多。抓緊施工工期，不僅是施工管理上的要求，它對(duì)減小基坑變形，減小基坑周?chē)h(huán)境的變形也具有特別的意義。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)性高

深基坑工程是個(gè)臨時(shí)工程，安全儲(chǔ)備相對(duì)較小，因此風(fēng)險(xiǎn)性較大。由于深基坑工程技術(shù)復(fù)雜，涉及范圍廣，事故頻繁，因此在施工過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并應(yīng)具備應(yīng)急措施。深基坑工程造價(jià)較高，但有時(shí)臨時(shí)性工程，一般不愿投入較多資金，一旦出現(xiàn)事故，造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響往往十分嚴(yán)重[1]。

2.3 區(qū)域性較高

巖土工程區(qū)域性強(qiáng)，巖土工程中的深基坑工程，區(qū)域性更強(qiáng)。如黃土地基、砂土地基、軟粘土地基等工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件不同的地基中，基坑工程差異性很大。即使是同一城市不同區(qū)域也有差異。

2.4 綜合程度高

深基坑工程涉及土力學(xué)中強(qiáng)度(或稱(chēng)穩(wěn)定)、變形和滲流三個(gè)基本課題，三者融溶一起需要綜合處理。深基坑工程的區(qū)域性和個(gè)性強(qiáng)也表現(xiàn)在這一方面。同時(shí)，深基坑工程是巖土工程、結(jié)構(gòu)工程及施工技術(shù)相互交叉的學(xué)科，是多種復(fù)雜因素相互影響的系統(tǒng)工程，是理論上尚待發(fā)展的綜合技術(shù)學(xué)科。

3 加固形式

3.1 鉆孔咬合灌注樁

全套鉆孔咬合灌注樁可用于基坑工程的擋墻結(jié)構(gòu)、止水帷幕或主體承重結(jié)構(gòu)?？稍诟鞣N土層、強(qiáng)風(fēng)化與中等風(fēng)化巖層中施工；適用于直徑為0.8m、1.0m、1.2m 和1.5m，深度在45m 以下的樁孔施工；合理的基坑開(kāi)挖深度一般不大于20m。

3.1.1 施工原理

鉆孔咬合樁（如圖1所示）采用搓管機(jī)及旋挖機(jī)配合鉆孔施工，在樁與樁之間形成相互咬合排列的一種基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

圖1 咬合樁試樁示意圖

3.1.2 導(dǎo)墻施工

為了提高鉆孔咬合樁孔口的定位精度并提高就位效率，在樁頂上部施作混凝土或鋼筋混凝土導(dǎo)墻，這是鉆孔咬合樁施工的第一步。具體的施工步驟如下：

（1）平整場(chǎng)地：清除地表雜物，填平碾壓地面管線遷移的溝槽。

（2）測(cè)放樁位：根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑淖鴺?biāo)（設(shè)計(jì)圖紙坐標(biāo)已考慮相關(guān)因素影響的外放量）計(jì)算排樁中心線坐標(biāo)。

（3）導(dǎo)墻溝槽開(kāi)挖：在樁位放樣線符合要求后即可進(jìn)行溝槽的開(kāi)挖，采用機(jī)械開(kāi)挖，人工配合施工。

（4）模板施工：模板采用自制整體鋼模，導(dǎo)墻預(yù)留定位孔模板直徑為管套直徑放大4cm。

（5）混凝土施工：混凝土澆筑時(shí)兩邊對(duì)稱(chēng)交替進(jìn)行，嚴(yán)防走模。

（6）導(dǎo)墻預(yù)留孔中心與樁位中心的偏差不得大于20mm。

3.2 單樁的施工工藝流程

咬合樁分為A、B 樁兩種型式，具體步驟如下。

（1）鉆機(jī)就位

當(dāng)導(dǎo)墻強(qiáng)度達(dá)到100%后，重新定位樁中心位置，將點(diǎn)位反到導(dǎo)墻頂面上，作為鉆機(jī)定位控制點(diǎn)。移動(dòng)套管鉆機(jī)至正確位置，使套管鉆機(jī)抱管器中心對(duì)應(yīng)定位在導(dǎo)墻孔設(shè)計(jì)樁位中心。

（2）取土成孔

在樁機(jī)就位后，吊裝第一節(jié)管在樁機(jī)鉗口中，校正樁管垂直度后，磨樁下壓樁管，壓入深度約為1.5 ～2.5m，然后用抓斗從套管內(nèi)取土，一邊抓土、一邊繼續(xù)下壓套管，始終保持套管底口超前于開(kāi)挖面的深度不應(yīng)小于2.5m。

（3）鋼筋籠制作及安裝

鋼筋籠制作要符合《鋼筋焊接及驗(yàn)收規(guī)程》要求。鋼筋制作在加工場(chǎng)進(jìn)行，加工要符合圖紙尺寸要求，籠體完整牢固。

（4）灌注混凝土

混凝土灌注過(guò)程中需注意以下幾點(diǎn)：

①水下混凝土灌注采用導(dǎo)管法，導(dǎo)管采用直徑為Φ250的法蘭式鋼管。導(dǎo)管埋入混凝土的深度宜保持在2m ～6m 之間，最小埋入深度不得小于1m。嚴(yán)禁將導(dǎo)管提出混凝土面或埋入過(guò)深，一次拔出高度不得超過(guò)4m。

②混凝土出廠前和到工地澆筑，分別對(duì)于A、B 樁每車(chē)混凝土均取一組試件，監(jiān)測(cè)其緩凝時(shí)間及坍落度情況，如發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)反饋信息，以便采取應(yīng)急措施。

（5）拔管成樁

一邊澆注混凝土一邊拔管，應(yīng)注意始終保持套管底低于混凝土面不小于2m。

3.3 排樁的施工工藝流程

總的施工原則是先施工A 樁，后施工B 樁，其施工工藝流程是：A1—A2—B1—A3—B2—A4—B3……（如圖2所示）。

圖2 排樁施工工藝流程圖

分段施工接頭的處理方法。往往一臺(tái)鉆機(jī)施工無(wú)法滿足工程進(jìn)度，需要多臺(tái)鉆機(jī)分段施工，這就存在與先施工段的接頭問(wèn)題。處理方法為在施工段與段的端頭設(shè)置一個(gè)砂樁（成孔后用砂灌滿），待后施工段到此接頭時(shí)挖出砂子，灌上混凝土即可。如圖3所示：

圖3 端頭砂樁處理示意圖

3.4 關(guān)鍵技術(shù)的質(zhì)量控制辦法

3.4.1 孔口定位誤差的控制

為了保證鉆孔咬合樁底部有足夠的咬合量，應(yīng)對(duì)其孔口的定位誤差進(jìn)行嚴(yán)格的控制。在鉆孔咬合樁樁頂以上設(shè)置鋼筋混凝土導(dǎo)墻，導(dǎo)墻上設(shè)置定位孔，其直徑宜比樁徑大20 ～40mm。鉆機(jī)就位后，將第一節(jié)套管插入定位孔并檢查調(diào)整，使套管周?chē)c定位孔之間的空隙保持均勻。

3.4.2 樁的垂直度的控制

控制了樁身垂直度，也就能保證了鉆孔咬合樁底部有足夠厚度的咬合量。除對(duì)其孔口定位誤差嚴(yán)格控制外，還應(yīng)對(duì)其垂直度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，根據(jù)中國(guó)《地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》和設(shè)計(jì)要求，樁身垂直度偏差不大于5‰。

3.4.3 克服“管涌”的施工控制

“管涌”是指在B 樁成孔過(guò)程中，由于A 樁混凝土未凝固，還處于流動(dòng)狀態(tài)，A 樁混凝土有可能從A、B 樁相交處涌入B 樁孔內(nèi)?？朔肮苡俊狈椒ㄈ缦拢?/p>

（1）B 樁混凝土的坍落度應(yīng)相對(duì)小一些，不宜超過(guò)20cm，以便于降低混凝土的流動(dòng)性。

（2）套管底口應(yīng)始終保持超前于開(kāi)挖面一定距離，以便于造成一段“瓶頸”，阻止混凝土的流動(dòng)，如果鉆機(jī)能力許可，這個(gè)距離越大越好，但至少不應(yīng)小于2.5m。

（3）必要時(shí)（如遇地下障礙物套管底無(wú)法超前時(shí)）可向套管內(nèi)注入一定量的水，通過(guò)水壓力來(lái)平衡B 樁混凝土的壓力，阻止“管涌”的發(fā)生。

A 樁成孔過(guò)程中應(yīng)注意觀察相鄰兩側(cè)A 樁混凝土頂面，如發(fā)現(xiàn)A 樁混凝土下陷應(yīng)立即停止B 樁開(kāi)挖，并一邊將套管盡量下壓。一邊向B 樁內(nèi)填土或注水，直到完全制止住“管涌”為止。

3.4.4 克服鋼筋籠上浮的方法

由于套管內(nèi)壁與鋼筋籠外緣之間的空隙較小，因此在上拔套管的時(shí)候，鋼筋籠將有可能被套管帶著一起上浮。其預(yù)防措施主要有：

（1）B 樁混凝土的骨料粒徑應(yīng)小一些，不宜大于20mm；

（2）在鋼筋籠底部焊上一塊比鋼筋籠直徑略小的薄鋼板以增加其抗浮能力；

（3）鋼筋籠導(dǎo)正器必須制作；

混凝土灌注必須按操作規(guī)程進(jìn)行。

3.5 超緩凝混凝土的施工質(zhì)量控制

A 樁混凝土緩凝時(shí)間應(yīng)根據(jù)單樁成樁時(shí)間來(lái)確定，單樁成樁時(shí)間與施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、樁長(zhǎng)、樁徑和鉆機(jī)能力等因素相關(guān)。根據(jù)咬合樁施工工藝，A 樁初凝時(shí)間應(yīng)為：

t—單樁成樁時(shí)間，一般取12h。

K—預(yù)留時(shí)間，取24h。

因此，一般工程初步控制A 樁初凝時(shí)間為T(mén)=60h，可以在施工中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)整。

3.6 事故樁的處理方法

在鉆孔咬合樁施工過(guò)程中，因A 樁超緩凝混凝土的質(zhì)量不穩(wěn)定出現(xiàn)早凝現(xiàn)象或機(jī)械設(shè)備故障等原因，造成鉆孔咬合樁的施工未能按正常要求進(jìn)行而形成事故樁，事故樁的處理主要分以下幾種情況。

3.6.1 平移樁位單側(cè)咬合

B 樁成孔施工時(shí)，其一側(cè)A1 樁的混凝土已經(jīng)凝固，使套管鉆機(jī)不能按正常要求切割咬合A1、A2 樁[2]。處理方法為向A2 樁方向平移B 樁樁位，使套管鉆機(jī)單側(cè)切割A(yù)2 樁施工B 樁（鑿除原樁位導(dǎo)墻，并嚴(yán)格控制樁位），并在A1 樁和B 樁外側(cè)增加一根旋噴樁作為防水處理，具體情況如下圖4所示：

圖4 平移樁位單側(cè)咬合示意圖

3.6.2 背樁補(bǔ)強(qiáng)

B1 樁成孔施工時(shí)，其兩側(cè)A1 樁、A2 樁的混凝土均已凝固，處理方法為放棄B1 樁的施工，調(diào)整樁序繼續(xù)后面咬合樁的施工，以后在B1 樁外側(cè)增加三根咬合樁及兩根旋噴樁作為補(bǔ)強(qiáng)、防水處理。如圖5所示，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中將A1和A2 樁之間的夾土清除噴上混凝土即可。

圖5 咬合樁背樁補(bǔ)強(qiáng)示意圖

3.6.3 預(yù)留咬合企口

如圖6所示，在B1 樁成孔施工中發(fā)現(xiàn)A1 樁混凝土已有早凝傾向但還未完全凝固時(shí)，此時(shí)為避免繼續(xù)按正常順序施工造成事故樁可及時(shí)在A1 樁右側(cè)施工一砂樁以預(yù)留出咬合企口，待調(diào)整完成后再繼續(xù)后面樁的施工。

圖6 咬合樁預(yù)留砂樁示意圖

3.7 銑削式成槽機(jī)地下連續(xù)墻

3.7.1 工作原理

地下連續(xù)墻是在深層地下澆注一道鋼筋混凝土墻，既可起擋土護(hù)壁，又可起隔滲作用，還可以成為工程主體結(jié)構(gòu)的一部分，也可以代替地下室墻的外模板。地下連續(xù)墻也可簡(jiǎn)稱(chēng)地連墻，地連墻施工是利用特制的成槽機(jī)械，在泥漿護(hù)壁的情況下，開(kāi)挖一定深度的溝槽，然后吊放鋼筋籠，澆筑混凝土，施工時(shí)，可以分成若干單元（5～8 米一段），然后將各段進(jìn)行接頭連接，形成一通地下連續(xù)墻。

3.7.2 特點(diǎn)

地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)剛度大，整體性好，防滲性能好，結(jié)構(gòu)安全可靠，同時(shí)具有施工速度快，對(duì)臨近建筑物、地下管線影響小，適用于各種復(fù)雜的地質(zhì)條件和較深的基坑[3]。缺點(diǎn)為要用專(zhuān)用設(shè)備施工，施工機(jī)械化程度要求較高，單體施工造價(jià)高；其優(yōu)點(diǎn)為各種地質(zhì)條件及復(fù)雜的施工環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)，施工不必放坡，不用支撐。

3.7.3 工藝流程

測(cè)量放線→導(dǎo)墻施工→地下墻成槽→清基→鋼筋籠吊放→混凝土澆注→墻后注漿。

（1）測(cè)量放線

由正確的基點(diǎn)、導(dǎo)線和水準(zhǔn)點(diǎn)，基點(diǎn)不少于3 個(gè)，導(dǎo)線不少于2 條，水準(zhǔn)點(diǎn)不少于2 個(gè)。

（2）導(dǎo)墻施工

導(dǎo)墻施工要精心施工，其質(zhì)量的好壞直接影響地下墻的施工質(zhì)量。

（3）循環(huán)泥漿

為防止泥漿滲漏及土體失穩(wěn)，破壞槽壁穩(wěn)定，在成槽施工前，試配幾種性能指標(biāo)不同的泥漿，根據(jù)施工成槽中實(shí)際泥漿護(hù)壁效果取樣測(cè)試后予以調(diào)整選用，從而改善和保證泥漿的護(hù)壁性能。

（4）成槽施工

在導(dǎo)墻面及槽內(nèi)做好槽段及每一幅的記號(hào)，按槽段施工順序進(jìn)行施工。 成槽機(jī)導(dǎo)桿垂直于槽段，抓斗張開(kāi)，照準(zhǔn)油漆標(biāo)志徐徐入槽抓土，嚴(yán)禁快速下斗，快速提升，終槽時(shí)應(yīng)輕放慢提，以防破壞槽壁引發(fā)坍塌。

（5）鋼筋籠的制作及安裝

鋼筋籠采用一部100t 吊車(chē)和一部50t 吊車(chē)聯(lián)合起吊，起吊時(shí)主鉤起吊鋼筋籠頂部，副鉤起吊鋼筋籠中部，采用多組葫蘆平衡起吊，使鋼筋籠逐漸起高轉(zhuǎn)而垂直，慢慢地入槽，鋼筋不允許發(fā)生不可恢復(fù)的變形，吊放時(shí)應(yīng)垂直，并按設(shè)計(jì)要求將槽鋼焊接于導(dǎo)墻面上，控制其標(biāo)高，入槽過(guò)程中，應(yīng)禁止強(qiáng)行放置鋼筋籠以及任何割斷構(gòu)鋼筋的現(xiàn)象。

（6）導(dǎo)管布置和水下混凝土澆注

澆注水下混凝土采用導(dǎo)管法施工，鋼筋籠入槽后，放置兩根或一根（根據(jù)槽段長(zhǎng)度設(shè)置）導(dǎo)管于鋼筋籠中，混凝土導(dǎo)管選用F250 的圓形螺旋快速接頭型，長(zhǎng)度每節(jié)2～2.5m，用吊車(chē)依次將接長(zhǎng)的導(dǎo)管吊入槽段的規(guī)定位置，直至槽底50cm 左右的標(biāo)高，然后設(shè)置混凝土機(jī)架，導(dǎo)管頂端安上方形漏斗，準(zhǔn)備澆注混凝土。

（7）冠梁施工

地下連續(xù)墻頂層冠梁的作用是將各槽段地下墻頂部聯(lián)成整體，以改善基坑土方開(kāi)挖時(shí)地下墻的受力狀況。

冠梁施工順序?yàn)椋翰饘?dǎo)墻、挖土放坡→墻頂廢混凝土鑿除→墊層明溝→鋼筋制作安裝→模板安裝→澆筑混凝土→拆模養(yǎng)護(hù)

（8）地墻接頭墻后注漿

為改善地下連續(xù)墻各槽段連接處的防滲性能，保證基坑土體的順利開(kāi)挖，擬在部分地下連續(xù)墻接頭外側(cè)施作品字型壓密灌漿，使水泥漿在土層中起到填充、擠塞、滲透等效應(yīng)，從而切斷接頭處地下水的滲流路線，徹底改善地墻接頭的防滲功能。

根據(jù)基坑開(kāi)挖流程支護(hù)后就可以開(kāi)挖，到一定的深度再支護(hù)再開(kāi)挖。

3.8 復(fù)合土釘墻

復(fù)合式土釘墻是將土釘墻與一種或幾種單項(xiàng)支護(hù)技術(shù)或截水技術(shù)有機(jī)組合成的復(fù)合支護(hù)體系，它的構(gòu)成要素主要有土釘、預(yù)應(yīng)力錨桿、截水帷幕、微型樁、掛網(wǎng)噴射混凝土面層、原位土體等。

3.8.1 工作原理

土釘墻由原位土體、設(shè)置在土中的土釘和噴射混凝土面層組成。通過(guò)土釘、墻面與原狀土體的共同作用，形成以主動(dòng)制約機(jī)制為基礎(chǔ)的復(fù)合體，具有明顯提高邊坡土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗變形能力，減小土體側(cè)向變形，增強(qiáng)整體穩(wěn)定性的特點(diǎn)。[4]

3.8.2 工藝流程

工作面開(kāi)挖→清理邊坡→孔位布點(diǎn)→成孔→安設(shè)土釘鋼筋→注漿→鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)→噴射混凝土面層→下一工序的開(kāi)挖。

（1）工作面開(kāi)挖。土釘支護(hù)應(yīng)分層開(kāi)挖深度按作業(yè)順序施工，在完成上層作業(yè)面的土釘與噴混凝土以前，不得進(jìn)行下一層深度的開(kāi)挖。。

（2）邊坡清理。基坑開(kāi)挖后，基坑的邊壁宜采用小型機(jī)具或鏟鍬進(jìn)行切削清坡，以達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的坡度。

（3）布孔及成孔。土釘成孔前，應(yīng)按設(shè)計(jì)要求定出孔位并作出標(biāo)記和編號(hào)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求的平面位置，孔深，下傾角，孔徑，選擇合理的鉆孔設(shè)備，人工成孔一般采用洛陽(yáng)鏟成孔?？讖?、孔深、孔距、傾角必須滿足設(shè)計(jì)要求。

（4）安設(shè)土釘。鋼筋使用前應(yīng)調(diào)直，除銹，涂油。

（5）注漿。土釘鋼筋置入孔中后，可采用重力、低壓(0.4 ～0.6MPa)或高壓(1 ～2MPa)方法注漿填孔。

（6）鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)。在噴射混凝土前，面層內(nèi)的鋼筋網(wǎng)片應(yīng)牢固固定在邊壁上并符合規(guī)定的保護(hù)層厚度要求。

（7）噴射混凝土。噴射混凝土?xí)r噴射順序應(yīng)自下而上，噴頭與受?chē)娒婢嚯x宜控制在0.8-1.5m 范圍內(nèi)，射流方向垂直指向噴射面，在鋼筋部位應(yīng)先噴鋼筋后方，然后再?lài)娞钿摻钋胺?，防止在鋼筋背面出現(xiàn)空隙。

（8）待混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%時(shí)開(kāi)挖下一層，循環(huán)施工。

4 在實(shí)際項(xiàng)目的引用

4.1 工程概況

本工程位于青島市黃島區(qū)，建建筑物包括12 棟高層，局部多層，住宅2 棟多層商鋪，1 棟地下停車(chē)庫(kù)等。本基坑開(kāi)挖深度12.2m，基坑全周長(zhǎng)約1110m。地質(zhì)情況為素填土、粉質(zhì)粘土、中粗砂、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化安山巖。

4.2 工藝的引用

綜合考慮工程地質(zhì)條件、基坑開(kāi)挖深度和周?chē)h(huán)境條件，決定采用“放坡+土釘墻”的方案，基坑外采用水泥攪拌樁止水帷幕支護(hù)方案。

4.3 工藝推廣

大型基坑技術(shù)工程造價(jià)小，開(kāi)挖周轉(zhuǎn)快，工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備要求低，技術(shù)含量低，容易操作且能保證質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

大型深基坑工程施工技術(shù)目前還在日新月異的發(fā)展，特別是發(fā)展經(jīng)濟(jì)較快的城市，對(duì)基坑開(kāi)挖技術(shù)要求越來(lái)越高，開(kāi)挖支護(hù)工藝還有很長(zhǎng)一段的探索路程。目前根據(jù)不同的地質(zhì)情況和周?chē)沫h(huán)境選擇不同的工藝，在保證安全質(zhì)量的前提下降低成本和環(huán)境污染，以提高其社會(huì)價(jià)值。