城市狹窄環(huán)境下基坑支護(hù)體系的優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工研究

李明

（江西省地質(zhì)工程（集團(tuán)）公司，南昌 330029）

1 概況

1.1 工程概況

某綜合樓基坑場地位于南昌市城區(qū)鬧市區(qū)，規(guī)劃建筑面積約17 880 m2，工程綜合樓28層，建筑物采用框剪結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)地下室1層?；悠矫娉叽鐬榻铺菪危s150 m×60 m×45 m，基坑開挖深度6.8 m，標(biāo)高24.76 m，屬大型較深基坑，基坑設(shè)計(jì)等級為二級。

1.2 基坑周邊環(huán)境條件

擬建綜合樓北側(cè)為城市道路，并緊靠人行道圍墻，基坑邊線距圍墻最近處僅為2 m，且圍墻外人行道布有煤氣及電信管線，埋深1.5 m，最里側(cè)通訊管線距基坑邊線3.5 m，距煤氣管道4.5 m。東側(cè)為1棟8層老式建筑，緊靠圍墻，基坑邊線距圍墻最近處僅為3.0 m，距建筑物約6 m；西南兩側(cè)為拆遷空地，雖有大量各式建筑，但距離基坑邊線最小距離20 m以上，場地較為寬松。場地平面如圖1所示。

圖1 場地平面示意圖

1.3 工程水文地質(zhì)條件

1.3.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)該項(xiàng)目的《巖土工程勘察報(bào)告》，場地地層自上而下詳述如下。

1）人工填土

①雜填土：黃褐色、稍濕、松散。主要由建筑垃圾組成，近期堆填，未經(jīng)壓密處理，結(jié)構(gòu)松散，揭露層厚0.50～1.50 m。

2）第四系上更新統(tǒng)沖積層

②粉質(zhì)黏土：黃褐色、稍濕、可塑，無搖振反應(yīng)，稍有光澤，少許鐵錳質(zhì)，中等韌性，揭露層厚3.50～6.30 m；③細(xì)砂：黃褐色、稍濕、稍密。揭露層厚1.90～4.80 m；④粉質(zhì)黏土：灰色，軟塑狀。揭露層厚1.00～2.60 m；⑤中砂：黃褐色，稍濕~飽和，中密。揭露層厚11.0～12.0 m。

1.3.2 水文地質(zhì)條件

上層滯水：主要賦存于上部①雜填土層中，勘察期間水位埋深3.80～8.50 m，水位標(biāo)高21.40～21.60 m，水位及水量受季節(jié)性變化影響大。

第四系松散巖類空隙承壓水：主要賦存于第四系上更新統(tǒng)砂礫層中，具承壓性，勘察期間水位埋深9.70～10.00 m，水位標(biāo)高12.30～12.70 m，受贛江地表水體側(cè)向補(bǔ)給，補(bǔ)給條件好，水量豐富，水位受季節(jié)變化，總體承壓水位埋深較深。

2 基坑設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

1）本工程的巖土工程勘察報(bào)告；

2）有關(guān)基坑設(shè)計(jì)計(jì)算規(guī)范及規(guī)程：（1）JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》；（2）GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》；

3）本基坑按二級基坑設(shè)計(jì)。

2.2 基坑支護(hù)方案的優(yōu)化選擇

2.2.1 工程難點(diǎn)

該基坑平面尺寸約150 m×60 m×45 m，深度6.8 m，屬大型深基坑，特別是北鄰圍墻及道路、煤氣管道及通信線路，東鄰老式8層樓房，基坑設(shè)計(jì)除要滿足地下室建筑的施工要求外，如何保證基坑變形不影響周邊鄰近建筑和道路管線的安全，是本工程的主要難點(diǎn)。

2.2.2 支護(hù)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化確定分析

1）懸臂鉆孔擋土樁+角撐支護(hù)設(shè)計(jì)方案分析

支護(hù)方案有多種形式，在本工程開挖深度及工程水文地質(zhì)條件下，先考慮采用的懸臂式鉆孔擋土樁+鋼管角支撐方案，由于鉆孔樁剛性大，加之在易變形的基坑轉(zhuǎn)角處設(shè)計(jì)鋼管角支撐，抵抗主動土壓力之水平向側(cè)彎矩能力強(qiáng)，支護(hù)效果最好，但卻無法滿足局部狹窄區(qū)段（圖1中DE段和EF段）擋土樁成孔鉆機(jī)設(shè)備施工泥漿循環(huán)系統(tǒng)對場地的占地要求，且該方案施工成本相對較高，工期也無法滿足合同要求，因此，本設(shè)計(jì)放棄此設(shè)計(jì)方案。

2）錨桿式支護(hù)設(shè)計(jì)方案分析

根據(jù)基坑的開挖深度、場區(qū)工程地質(zhì)參數(shù)、水文地質(zhì)情況以及基坑周邊環(huán)境等條件，基坑開挖深度范圍：（1）除上部0.8 m的素填土外，大部處在黏性土層，該層內(nèi)聚力大，主動土壓力之側(cè)向水平彎矩相對較小。（2）下部的細(xì)砂層基本處在坑底部1.2 m以下，無坑底以上主動土壓力，對增大整體主動土壓力的彎矩極值影響不大。（3）地下水位在工程擬建期間水位較低，位于基坑底部有相當(dāng)深距，不會侵入錨固支護(hù)范圍影響錨桿對圍體之拉結(jié)錨固力，從而造成圍體支護(hù)能力的降低。但設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮最不利工況，假設(shè)地下水會大幅上漲而采取降水措施控制水位在坑底以下0.5 m，即最大水位相對標(biāo)高7.30 m作為主動壓力設(shè)計(jì)前提條件。（4）考慮基坑?xùn)|側(cè)相鄰樓房、北側(cè)相鄰道路管線施工場地狹小的因素，本著安全、快速施工及經(jīng)濟(jì)性的原則，綜合比較，最終決定采用布置形式靈活的錨桿式支護(hù)設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)時(shí)，錨桿支護(hù)深度、角度會在相鄰路面以下深度范圍避開煤氣、電信管線及多層樓房基礎(chǔ)位置，從而在設(shè)計(jì)上確保周邊環(huán)境的安全性。

2.3 基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)

2.3.1 基坑巖土力學(xué)參數(shù)

基坑土壓力計(jì)算引用的巖土力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 基坑巖土地層力學(xué)參數(shù)表

2.3.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

1）方案總體

基坑按穩(wěn)定控制設(shè)計(jì)計(jì)算確定。東側(cè)及北側(cè)緊靠圍墻、管線及8層樓房，DE段、EF段土釘墻支護(hù)面的坡度控制為i=1∶0.3，自上而下設(shè)置5排錨桿；西南兩側(cè)側(cè)場地較為寬松，F(xiàn)A段、ABCD段土釘墻支護(hù)面坡度適當(dāng)放緩，控制坡度i=1∶0.5，自上而下設(shè)置5排錨桿。地下水位較深，在基坑面以下，不予考慮。

2）具體方案設(shè)計(jì)

DE段、EF段錨桿設(shè)置參數(shù)：土釘墻支護(hù)面坡度為1∶0.3，錨桿孔孔徑100 mm，傾角為10°，5排錨桿支護(hù)，分別為：

第一排：設(shè)置深度1.2 m，錨桿長度4.0 m，水平間距1 400 mm，錨桿采用1根φ22 mm螺紋鋼；

第二排：設(shè)置深度2.6 m，錨桿長度6.0 m，水平間距1 400 mm，錨桿采用1根φ22 mm螺紋鋼；

第三排：設(shè)置深度4.0 m，錨桿長度7.0 m，水平間距1 400 mm，錨桿采用1根φ22 mm螺紋鋼；

第四排：設(shè)置深度5.4 m，錨桿長度9.0 m，水平間距1 400 mm，錨桿采用1根φ22 mm螺紋鋼；

第五排：設(shè)置深度6.6 m，錨桿長度5.0 m，水平間距1 400 mm，錨桿采用1根φ22 mm螺紋鋼。

DE段、EF段錨桿設(shè)置參數(shù)如圖2所示。

圖2 DE段、EF段錨桿設(shè)置參數(shù)圖

FA、ABCD段錨桿設(shè)置參數(shù)：土釘墻支護(hù)面坡度為1∶0.5，錨桿孔孔徑100 mm，傾角為10°，5排錨桿支護(hù)，分別為：

第一排：設(shè)置深度1.2 m，錨桿長度4.0 m，水平間距1 400 mm，錨桿采用1根φ22 mm螺紋鋼；

第二排：設(shè)置深度2.6 m，錨桿長度5.0 m，水平間距1 400 mm，錨桿采用1根φ22 mm螺紋鋼；

第三排：設(shè)置深度4.0 m，錨桿長度6.0 m，水平間距1 400 mm，錨桿采用1根φ22 mm螺紋鋼；

第四排：設(shè)置深度5.4 m，錨桿長度6.0 m，水平間距1 400 mm，錨桿采用1根φ22 mm螺紋鋼；

第五排：設(shè)置深度6.6 m，錨桿長度4.0 m，水平間距1 400 mm，錨桿采用1根φ22 mm螺紋鋼。

2.4 支護(hù)設(shè)計(jì)安全性驗(yàn)算

根據(jù)地層及環(huán)境條件，錨桿分布置5道，分層開挖設(shè)置，基坑最大開挖深度工況剖面計(jì)算圖如圖3所示。

圖3 最大開挖深度工況剖面計(jì)算圖

計(jì)算結(jié)果：

1）滑動圓心：（1.03，0.00）m；

2）滑動半徑：11.23 m；

3）下滑力：630.3 kN/m；

4）抗滑力：842.5 kN/m；

5）土釘抗滑力：0.0 kN/m；

6）整體穩(wěn)定安全系數(shù)：1.34；要求安全系數(shù)：1.30，滿足要求，設(shè)計(jì)方案可行。

3 基坑支護(hù)施工

3.1 基坑開挖

整個(gè)基坑按錨桿位置分5層開挖，并按設(shè)計(jì)將基坑面修成i=1∶0.3或1∶0.5坡度。每層開挖至錨桿標(biāo)高以下20 cm停挖，復(fù)核每排錨桿的水平標(biāo)高后，按設(shè)計(jì)的錨桿水平間距要求進(jìn)行布孔。

3.2 錨孔成孔

錨桿鉆機(jī)就位后，按設(shè)計(jì)傾角以150 mm的孔徑鉆至超過設(shè)計(jì)深度0.3～0.5 m，遇淤泥層及砂層等易塌孔地層時(shí)，采用泥漿循環(huán)護(hù)壁或套管跟進(jìn)鉆進(jìn)。鉆孔深度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，由有關(guān)部門對孔深進(jìn)行查驗(yàn)，并做詳細(xì)、完整的鉆孔記錄。

3.3 錨桿施工

在6.8 m垂直高度范圍內(nèi)，待每層開挖后，由上而下，按設(shè)計(jì)垂直間距分別打入5排水平傾角度為10°的φ22 mm螺紋鋼錨桿，所有錨桿水平間距1.4 m，相鄰上下層錨桿水平錯(cuò)開0.7 m布置。待錨桿打入坑壁錨孔中后，進(jìn)行錨桿注漿，采用水泥漿或水泥砂漿壓入護(hù)坡土層中膠結(jié)土質(zhì)，以達(dá)到穩(wěn)定土層的目的。為提高粉細(xì)砂層錨桿摩阻力，自上而下第四排、第五排采取二次注漿，注漿壓力0.5 MPa。

3.4 坡面護(hù)面

錨桿施工完成7 h后，護(hù)坡中水泥漿土質(zhì)終凝后再進(jìn)行坡面鋼筋混凝土網(wǎng)面支護(hù)。具體方法為：以錨桿為支點(diǎn)，焊接φ14mm的主加強(qiáng)筋網(wǎng)格，再在加強(qiáng)筋網(wǎng)格上加密布設(shè)φ6.5 mm@200 mm×200 mm鋼筋網(wǎng)格。網(wǎng)格布設(shè)完畢后，對布筋的整個(gè)坡面噴射澆筑混凝土，噴射混凝土厚度為100 mm，強(qiáng)度等級C20，配合比按水泥∶砂∶石=1∶2∶2，水灰比0.4～0.45。形成鋼筋網(wǎng)格做骨架的鋼筋混凝土護(hù)坡層，能有效地對坡面進(jìn)行支護(hù)。坡面噴射混凝土澆筑完成后，要及時(shí)覆蓋或直接灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于7 d。

4 施工質(zhì)量控制

4.1 控制措施

1）施工中錨索安裝平面位置偏差不得大于50 mm。

2）鉆機(jī)上應(yīng)鋪墊木方或木板，確保鉆機(jī)放置平衡，避免在成孔過程中因此而產(chǎn)生較大的晃動，影響成孔質(zhì)量。

3）鉆機(jī)的鉆桿應(yīng)用羅盤儀進(jìn)行校核，偏差不得超過±1°，發(fā)現(xiàn)偏差時(shí)應(yīng)立即校正。

4）為了保證成孔的深度，鉆孔的深度應(yīng)比設(shè)計(jì)深度深20～30 cm。

5）在土質(zhì)較差的地層中施工時(shí)，采用套管跟進(jìn)護(hù)壁成孔。

6）錨桿要嚴(yán)格按照施工圖的有關(guān)直徑、長度的要求進(jìn)行下料，定位器的焊接位置準(zhǔn)確。

7）錨桿的焊接，必須經(jīng)焊接試?yán)囼?yàn)合格后方可正式進(jìn)行施工。焊接過程要及時(shí)清渣，焊縫表面光滑平整，焊縫飽滿。

8）嚴(yán)格按設(shè)計(jì)的水泥漿配合比制作水泥漿，不能存在小團(tuán)粒，且必須用篩網(wǎng)過濾以防堵塞注漿泵。

9）錨桿灌漿前，必須保證洗孔質(zhì)量，孔內(nèi)要流出清水方為合格，以免孔中泥漿過多影響水泥漿的強(qiáng)度。

10）錨桿灌漿時(shí)，要在孔口出漿后方可將灌漿管逐步往外拔出，漿管必須待灌漿回流出新鮮濃漿時(shí)拔出，以確?？變?nèi)水泥漿液體的飽滿度。由于水泥漿凝固時(shí)會收縮，因此，灌好漿的錨索，一般在第二天需補(bǔ)灌，確保錨桿的拉結(jié)力的有效性。

4.2 施工常遇問題及處理

1）在淤泥層、砂層鉆進(jìn)成孔出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象時(shí)，采用跟套管鉆進(jìn)，套管要求穿過不良地層。

2）錨桿體不能完全安放入孔內(nèi)時(shí)，可采取如下措施：（1）連接注漿管，加大泵量向孔內(nèi)沖水，邊沖水邊下錨索；（2）拉出錨索，用鉆機(jī)重新掃孔至孔底，再下放桿體；（3）拉出錨索，下套管至基巖面（或套管鉆進(jìn)成孔后，不拔套管），再下放錨索，最后拔出套管；（4）經(jīng)上述處理后錨索仍不能下放孔內(nèi)，拉出錨索，向孔內(nèi)灌注M10水泥砂漿，達(dá)到一定強(qiáng)度后，重新鉆孔。

3）注漿過程中，若發(fā)現(xiàn)注漿量大大減少或注漿管爆裂時(shí)，應(yīng)將桿體注漿管拔出，待更換注漿管后，再下放桿體。

5 總結(jié)

5.1 工期

該工程按設(shè)計(jì)要求順利完工，實(shí)際工期比合同工期要求提前5 d，得到業(yè)主的工期提前獎5萬元。本工程的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)為工期的提前打下了良好的基礎(chǔ)，工期的提前不但減少了施工成本，也產(chǎn)生了明顯的項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益。

5.2 沉降監(jiān)測

基坑及周邊共設(shè)置20個(gè)觀測點(diǎn)，對基坑本身及周邊環(huán)境進(jìn)行的沉降監(jiān)測，結(jié)果表明，基坑最大沉降15 mm，最大位移20 mm，周邊道路、建筑及管線安全正常，沒有受到破壞性影響，說明本基坑工程施工質(zhì)量良好，達(dá)到了支護(hù)設(shè)計(jì)預(yù)期安全要求，取得了良好的技術(shù)、質(zhì)量、環(huán)境及安全等綜合社會效益。

5.3 結(jié)論

從以上綜合分析說明，該工程的圍護(hù)設(shè)計(jì)方案總體上是成功的，技術(shù)上基本達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，工期、經(jīng)濟(jì)效果也較明顯。通過本圍護(hù)設(shè)計(jì)/施工案例的成功經(jīng)驗(yàn)表明，支護(hù)體系方案有多種形式的選擇，而錨桿式支護(hù)體系在地下水位較低、地層相對緊密的特定地質(zhì)條件前提下，特別適合在城市狹窄地域受限情況下進(jìn)行施工，其施工簡便靈活、成本低廉，施工速度快的特性得到充分體現(xiàn)，也為今后的類似工程起到參考和借鑒作用。