復(fù)雜環(huán)境下深基坑施工及監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)

聶建國

山西省建筑科學(xué)研究院有限公司 山西 太原 030001

城市建設(shè)的快速發(fā)展推動著地下空間開發(fā)利用的高速發(fā)展，而深基坑的順利安全建造是利用開發(fā)地下空間的前提和關(guān)鍵。隨著地下空間開發(fā)利用規(guī)模的增長，深基坑開挖的深度和規(guī)模亦越來越大。深基坑工程施工動態(tài)平衡貫穿整個建造施工過程，土層應(yīng)力分布、坑底土體的隆起、支護(hù)體系與周邊建（構(gòu)）筑物變形等都隨施工工況推進(jìn)而動態(tài)變化和平衡。深基坑工程技術(shù)風(fēng)險大，施工工藝復(fù)雜，施工工況具有不確定性，加之我國幅員遼闊，不同地區(qū)不同土層力學(xué)特性差異較大，所引起的基坑變形也有較大差異?；庸こ毯艽蟪潭壬蠒艿刭|(zhì)條件的影響，使基坑工程具有獨特的地域性特點。因此，我國深基坑工程技術(shù)一直都處于不斷發(fā)展和完善的過程中。

深基坑施工涉及的施工工序主要有圍護(hù)、加固、支撐、降水、開挖等。其中，安全風(fēng)險和對環(huán)境影響表現(xiàn)最為突出的階段則是開挖施工階段。從某種程度上說，深基坑成功建造的關(guān)鍵即在于深基坑的順利安全開挖。在地下水位較高的場地進(jìn)行深基坑開挖施工，施工過程中會采取必要的降排水措施，而降水會不可避免地導(dǎo)致局部水文地質(zhì)條件發(fā)生變化，進(jìn)而對周邊環(huán)境造成較大的影響。在地質(zhì)水文和周邊環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域，深基坑工程能安全實施的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)即在于降水和開挖施工的順利進(jìn)行。在深基坑施工過程中，通常采取信息化施工的方法來對基坑施工安全風(fēng)險和環(huán)境影響進(jìn)行預(yù)防和控制，而現(xiàn)場監(jiān)測目前是實現(xiàn)信息化施工的關(guān)鍵手段?；邮┕み^程中引發(fā)的土體形狀、環(huán)境、鄰近建筑物、地下設(shè)施變化的監(jiān)測也已成為工程建設(shè)不可缺少的環(huán)節(jié)[1-6]。基于此，本文以山西太原某具體工程實踐為例，對其深基坑施工過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)—降水施工和開挖施工進(jìn)行研究和探討，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)檢驗其施工效果和環(huán)境影響程度，在確保背景工程深基坑對環(huán)境低影響和順利安全實施的同時，還可為類似地質(zhì)或環(huán)境條件下的深基坑施工提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡介

背景工程為山西省某醫(yī)院門急診樓項目，3層地下室，基坑普遍區(qū)開挖深度為18.09 m，局部深坑深度為21.29 m。基坑西側(cè)為新建路，南側(cè)為雙塔西街（圖1），南側(cè)和東側(cè)地下還有多條市政管線，周邊影響范圍內(nèi)的環(huán)境較為復(fù)雜，距離紅線最近處為4.7 m，距離既有建筑最近處為5.1 m。

圖1 工程位置示意

1.2 巖土與水文條件

背景工程場地地勘顯示地貌單元屬于河漫灘平原。在勘探深度范圍內(nèi)，場地地基土沉積時代及成因類型自上而下依次為：第四系全新統(tǒng)中、早期河流相沖積層，第四系上更新統(tǒng)河流相沖積層。

在勘探深度范圍內(nèi)，場地地基土自上而下可劃分為11個大層：①雜填土、②粉土、③粉砂、④粉土、⑤粉砂和粉質(zhì)黏土、⑥粉土、⑦細(xì)砂、⑧粉土、⑨礫砂、⑩粉土和卵石土、粉土。其中，⑥粉土層層底埋深介于16.78～18.74 m，⑦細(xì)砂層層底埋深介于20.32～22.22 m。背景工程基坑普遍區(qū)深度18.09 m，局部深坑深度21.29 m，可知普遍區(qū)基坑坑底位于⑥粉土層，局部深坑的坑底則位于⑦細(xì)砂層，基坑范圍內(nèi)主要為粉土、粉砂等易塌地層，地質(zhì)條件較為復(fù)雜。

勘察報告顯示地下水類型上部為潛水，主要位于第②層粉土中，以基坑北面的河流側(cè)向徑流和大氣降水補給，水位水量會隨季節(jié)性有一定變化，地下水位年內(nèi)變幅在0.5 m左右。在勘察期間，地下水平水期實際測得穩(wěn)定水位的埋深為現(xiàn)狀地表下2.30～3.85 m。

本項目地質(zhì)和環(huán)境條件均較為復(fù)雜，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》和山西省DBJ04/T 306—2014《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定要求，確定本工程基坑安全等級為一級，如何確?；影踩樌麑嵤┖驮诨訉嵤┻^程中降低周邊環(huán)境影響顯得尤為重要。

2 施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 降水施工

由于本工程地下水位高，基坑開挖施工涉及的地層主要為粉土、粉砂，局部存在淤泥質(zhì)黏土，加之土方開挖時處于雨季，根據(jù)基坑施工進(jìn)度進(jìn)行地質(zhì)降水、排水施工對土方順利開挖十分必要。在基坑施工前根據(jù)所提供的地質(zhì)水文資料、基坑支護(hù)設(shè)計方案和周邊管線建（構(gòu)）筑物等環(huán)境設(shè)計制定降水方案。

本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻同時起到止水帷幕的作用，坑外地下水被地下連續(xù)墻擋在基坑外部?？觾?nèi)土體中所蘊含的地下水采取疏干降水?；又胁康氖韪删x用大口徑管井?；娱_挖過程中，局部區(qū)域還可采取明溝排水來確?；觾?nèi)不受或少受地下水的影響。

基坑開挖前進(jìn)行疏干降水，降水范圍和時間由基坑面積、土方開挖受影響的深度等綜合確定?；臃謱?、分塊開挖前，坑內(nèi)水位降至開挖面以下0.5～1.0 m?；油獠窟€應(yīng)設(shè)置地表排水系統(tǒng)，以防止基坑外地表水流到基坑內(nèi)部。地表排水系統(tǒng)主要由集水井和排水溝等組成，排水溝通常與止水帷幕或圍護(hù)結(jié)構(gòu)的凈距在0.5 m以上，排水溝還應(yīng)設(shè)置有防滲措施，以防地層和圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移引起水溝開裂，地表水滲入坑內(nèi)?；觾?nèi)明水通過排水明溝或排水暗溝來疏導(dǎo)，集水井中的水采用抽水設(shè)備抽至地面。

降水井井管采用φ273 mm鋼管，壁厚4 mm，濾管孔隙率不小于15%，濾水管采用橋式包網(wǎng)濾水管。主樓降水深度17.59 m，井深27 m，降水井60口。附屬樓降水井東側(cè)為3口，井深為13 m；西側(cè)為3口，井深為19 m。觀測井井管為φ110 mm的PVC管，井深22 m，19口；回灌井井深20 m，16口。

疏干井井管口高出地面0.3 m并加井蓋。疏干井內(nèi)安裝揚程滿足要求的潛水泵，用鋼絲繩懸吊潛水泵于井內(nèi)，采用塑料膠管進(jìn)行連接，抽取地下水到周邊排水溝內(nèi)，當(dāng)現(xiàn)場抽水量大的時候，適當(dāng)加大潛水泵的流量，將抽出來的地下水通過排水溝排走，并避免發(fā)生水污染。疏干井要保持連續(xù)集水，不能出現(xiàn)水位忽起忽落的情況。坑內(nèi)疏干井井管隨著施工中的基坑開挖進(jìn)度逐步拆除。

為防止地表水流入基坑，沖刷邊坡，基坑周邊沿支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部砌筑高30 cm的擋水墻，擋水墻使用混凝土澆筑?；由峡诰€均1 m翻邊，翻邊做法同邊坡，翻邊向外做2%泛水。開挖至基坑坑底后，在基底肥槽內(nèi)設(shè)置下口寬度為300 mm、上口寬度為400 mm的明排排水溝，排水溝與疏干井相連，并向疏干井方向做成0.5%的坡度，同時配置25 m以上揚程的潛水泵來進(jìn)行抽排水。

2.2 開挖施工

本工程地質(zhì)以粉土和粉砂易塌地層為主，基坑開挖深度較大，其地下水位也較高，相應(yīng)的開挖施工過程中釋放的水土壓力也較大；緊鄰交通主干道，周邊建筑物密集，施工場地受限，無法進(jìn)行放坡開挖施工，在基坑內(nèi)設(shè)置內(nèi)支撐，基坑開挖施工需要和內(nèi)支撐施工交替進(jìn)行。

本工程基坑開挖施工的工序如下：場地平整→降水→土方開挖→內(nèi)支撐施工→內(nèi)支撐支護(hù)閉合體系完成→支撐強度達(dá)設(shè)計要求的80%后開挖下部土方→內(nèi)支撐施工→水平倒運配合垂直抓鏟出土→基底平整、驗槽→基礎(chǔ)施工。

本工程設(shè)計支護(hù)結(jié)構(gòu)為采用地下連續(xù)墻與3道鋼筋混凝土內(nèi)支撐形式，土方開挖按設(shè)計要求以形成閉合體系為原則施工。如圖2所示，按施工、設(shè)計實際情況將支撐5、支撐4劃分為第1個閉合段，支撐4、支撐3劃分為第2個閉合段，支撐3、支撐1、支撐2劃分為第3個閉合段。

圖2 開挖分塊示意

土方開挖方式為第1步大開挖后做第1道支撐。先將基坑土體開挖至支撐梁設(shè)計底標(biāo)高以上10 cm位置，然后采用人工方法清除支撐梁范圍內(nèi)的土體至支撐梁底標(biāo)高以下2 cm，在梁底部人工整平后支撐架設(shè)模板施工內(nèi)支撐梁。待內(nèi)支撐梁閉合體系強度達(dá)到設(shè)計強度的80%后開始掏挖下部土方，支撐、土方交替作業(yè)，降水工作持續(xù)進(jìn)行，第2—第4步土分平臺分段分層均衡對稱由北往南按閉合支撐體系退臺開挖，不同規(guī)格挖機、裝載機、抓鏟（最后土方外運）、自卸汽車配合施工。

3 監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)

本工程基坑深度大、周邊環(huán)境復(fù)雜、建筑物密集、管線多、緊鄰交通主干道、土體位移動態(tài)變化、內(nèi)支撐受力等影響復(fù)雜，必須采取信息化實時監(jiān)測來保證基坑及周邊環(huán)境安全。根據(jù)現(xiàn)場實施監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出支護(hù)體系和周邊環(huán)境的變形規(guī)律，再結(jié)合某些控制性指標(biāo)來判斷基坑施工過程是否穩(wěn)定和安全。將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時動態(tài)反饋到施工的各個環(huán)節(jié)，當(dāng)出現(xiàn)安全或環(huán)境風(fēng)險時，及時采取針對性的技術(shù)措施，確?；有畔⒒┕つ苈涞綄嵦?。

為了滿足實時監(jiān)測的需求，提高基坑施工變形監(jiān)測工作的信息化程度，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行及時、充分的利用，過程中做好基坑支護(hù)、土方開挖、拆換撐、主體結(jié)構(gòu)、回填土等施工階段監(jiān)測記錄，尤其需要對地下連續(xù)墻頂水平位移、圍護(hù)墻側(cè)向最大位移、坑外地面沉降、鄰近建筑物位移、圍護(hù)墻頂沉降、地下管線位移、支撐內(nèi)力監(jiān)測、地下水位、立柱隆沉等項目進(jìn)行監(jiān)測，保證土方開挖、拆換撐階段內(nèi)支撐應(yīng)力變化正常，防止基坑變形影響周邊環(huán)境。監(jiān)測記錄數(shù)據(jù)反映，在各個施工階段數(shù)據(jù)變化均在可控范圍內(nèi)，變化速率趨于穩(wěn)定，從監(jiān)測變化情況也反映出整體支護(hù)合理、可行。

鑒于論文篇幅所限，監(jiān)測數(shù)據(jù)眾多，無法一一羅列分析，監(jiān)測過程亦不再贅述。根據(jù)安全等級為一級的基坑監(jiān)測要求，本文節(jié)選基坑監(jiān)測中最為重要的2個指標(biāo)—支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移和影響范圍內(nèi)鄰近建筑物的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)來檢驗基坑實施效果。根據(jù)山西省地方建筑規(guī)范DBJ04/T 306—2014《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范》和設(shè)計要求，支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移監(jiān)測報警值為2～3 mm/d、累計值為20 mm，基坑開挖影響范圍內(nèi)鄰近建筑物的沉降監(jiān)測報警值為1～3 mm/d、累計值為30 mm。

實測數(shù)據(jù)表明，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為9 mm，鄰近建筑物最大沉降為27 mm，水平位移和沉降最大變形速率都小于1 mm/d，累計變形值和變形速率均在規(guī)范和設(shè)計要求的報警控制值之內(nèi)，說明本工程復(fù)雜環(huán)境下深基坑在安全順利實施的同時，對周邊環(huán)境的影響也較小。

4 結(jié)語

深基坑施工安全風(fēng)險和對環(huán)境影響最大的階段是開挖施工階段，在地下水位較高的水文地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)，深基坑降水和開挖施工成為影響工程順利實施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為確保深基坑施工過程安全順利，需運用現(xiàn)場實時監(jiān)測手段對施工過程中引發(fā)的土體形狀、環(huán)境、鄰近建筑物和地下設(shè)施變化等進(jìn)行預(yù)防和控制?；诖?，本文以山西太原某具體工程實踐為例，對其深基坑施工過程中的降水、開挖施工進(jìn)行研究，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)檢驗其施工效果和環(huán)境影響程度。目前工程已成功建造完畢，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，在工程基坑實施過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、鄰近建筑物沉降累計變形值和變形速率均在規(guī)范和設(shè)計要求的報警控制值內(nèi)，說明本工程復(fù)雜環(huán)境下的深基坑在安全順利實施的同時，對周邊環(huán)境的影響也較小。