房建工程超大深基坑的設(shè)計(jì)與施工

許興杰

（中鐵二十二局集團(tuán)電氣化工程有限公司，北京 102300）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市土地資源日益緊缺，為滿足城市交通、商業(yè)、停車等功能需求，開發(fā)大型的地下空間成為必然趨勢。地下軌道、車站、停車庫、商業(yè)、倉庫、民防工事等不斷出現(xiàn)，且開發(fā)數(shù)量和規(guī)模也迅速增長，一些一線大城市已經(jīng)進(jìn)入城市空間立體開發(fā)階段，地下空間的開發(fā)利用成為未來建設(shè)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。在此背景下，大批超大深基坑工程也隨之而來。這些超大深基坑往往位于大城市的樞紐中心位置，工程項(xiàng)目的周邊密布著眾多建筑設(shè)施、地鐵隧道、主副干道、地下管線等等。施工條件復(fù)雜，對(duì)周邊環(huán)境的保護(hù)要求很高，再加上施工場地有限、施工周期緊張，進(jìn)一步增大了超大深基坑工程的設(shè)計(jì)和施工難度。因此，亟需進(jìn)一步加大對(duì)該問題的探討，不斷優(yōu)化基坑工程的設(shè)計(jì)方法、施工手段和監(jiān)測技術(shù)。

1 項(xiàng)目背景

在基坑支護(hù)開挖設(shè)計(jì)過程中，我們需對(duì)地質(zhì)、地下水、周邊交通、臨近建筑物等進(jìn)行詳細(xì)的分析測算，方可制定科學(xué)合理、工期可控、安全可靠的工作方案。本文重點(diǎn)圍繞基坑在設(shè)計(jì)、施工時(shí)遇到相關(guān)問題時(shí)的應(yīng)對(duì)措施和實(shí)施方案進(jìn)行論述。

本文是依據(jù)“中國鐵建·明月府邸項(xiàng)目4號(hào)地塊項(xiàng)目”為背景進(jìn)行分析和研究；該項(xiàng)目建筑面積136074㎡，地下建筑面積40551㎡。共計(jì)13棟住宅樓，其中22#、24#樓為30層，29#、33#樓為32層；23#樓為9層；25#、26#樓為6層；27#、28#、34#樓為4層；30#、31#、32#樓為3層?；娱_挖長約210m，寬約172m，基坑的深度12m。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，施工場地范圍內(nèi)25.00m深度內(nèi)的地層按土的物理力學(xué)性質(zhì)及時(shí)代成因劃分為5層，土質(zhì)分別雜填土、黃土和粉質(zhì)黏土。宗地內(nèi)的地下水屬孔隙潛水。該地區(qū)地下水穩(wěn)定水位深度在16.50m～22.0m。地下水主要來自降雨和地表水滲入補(bǔ)給，排水措施主要是人工導(dǎo)流排水和蒸發(fā)為主。由于地下水位位于基礎(chǔ)底板以下，本項(xiàng)目不需要采取降水措施。

2 超大深基坑圍護(hù)方案設(shè)計(jì)的影響因素

城市中建筑物的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)至關(guān)重要；設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮基坑周邊建筑物、周邊道路交通流量、當(dāng)?shù)貧夂驐l件、地質(zhì)情況、地下水文、地下管線、施工工期以及優(yōu)化施工方案，節(jié)約成本使項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益最大化。施工前在調(diào)研相關(guān)數(shù)據(jù)的同時(shí)，對(duì)地質(zhì)條件進(jìn)行勘探獲取參數(shù)為首要任務(wù)，在進(jìn)行基坑方案設(shè)計(jì)和圍護(hù)施工時(shí)，現(xiàn)場的地質(zhì)情況和水文特征、周邊環(huán)境對(duì)基坑都有不同程度的安全影響，而且不可控因素較多。提取地質(zhì)勘探參數(shù)和地下水文數(shù)據(jù)工程量大、信息復(fù)雜，處理數(shù)據(jù)較多，而且對(duì)業(yè)務(wù)人員素質(zhì)要求較高。然而數(shù)據(jù)的正確率直接影響支護(hù)方案設(shè)計(jì)的可靠性、可行性和經(jīng)濟(jì)性。

通過對(duì)該項(xiàng)目的周邊環(huán)境和施工特點(diǎn)進(jìn)行分析，該項(xiàng)目存在道路結(jié)構(gòu)和建筑物結(jié)構(gòu)，且地下障礙物較多，給維護(hù)方案的設(shè)計(jì)與施工帶來了很大影響。首先，周邊的建筑物使整個(gè)項(xiàng)目地塊不能全面同步施工，項(xiàng)目地塊內(nèi)的障礙物較多，給項(xiàng)目的統(tǒng)籌開展增大了難度；再加上附近地鐵施工，對(duì)整個(gè)工程的施工車輛行走路線和施工時(shí)間節(jié)點(diǎn)造成約束。其次，場地條件較差影響基坑開挖和結(jié)構(gòu)施工運(yùn)行，本工程基坑較大，周邊的便道條件惡劣，增大了基坑場布策劃的難度，可用的施工場地十分有限。最后再加上氣候影響因素，結(jié)合基坑施工影響，都會(huì)對(duì)超大深基坑圍護(hù)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施形成較大障礙。

3 超大深基坑圍護(hù)體系特點(diǎn)和方案設(shè)計(jì)思路

3.1 基坑工程的特點(diǎn)

基坑圍護(hù)體系是臨時(shí)性的結(jié)構(gòu)，與永久性的結(jié)構(gòu)相比，基坑在設(shè)計(jì)時(shí)考慮的安全儲(chǔ)備都比較小。因此基坑工程具有較大的風(fēng)險(xiǎn)性，對(duì)設(shè)計(jì)、施工和管理的各個(gè)環(huán)節(jié)都提出了更高的要求；同時(shí)基坑工程具有很強(qiáng)的區(qū)域性，它對(duì)場地工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件要求均很高，幾乎每個(gè)基坑工程都有特殊性，它與周邊環(huán)境條件密切相關(guān)，在城區(qū)和空曠地圍護(hù)體系的差別也很大。在基坑設(shè)計(jì)時(shí)不僅涉及到土力學(xué)中穩(wěn)定、變形和滲流三個(gè)基本課題，而且基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，基坑空間形狀多變，所以要求設(shè)計(jì)人員不僅應(yīng)具有很好的巖土工程分析能力，還應(yīng)具有很好的結(jié)構(gòu)工程分析能力。另外基坑圍護(hù)體系的變形和地下水位下降都可能對(duì)基坑周圍的道路、地下管線和建筑物產(chǎn)生不良影響，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致破壞?；庸こ淘O(shè)計(jì)和施工一定要在重視環(huán)境效應(yīng)的同時(shí)也要加強(qiáng)實(shí)時(shí)監(jiān)測并實(shí)現(xiàn)智慧工地。

3.2 基坑設(shè)計(jì)的前置條件

基坑的設(shè)計(jì)受部分條件的限制，需提前了解和熟悉周邊環(huán)境和地質(zhì)地下情況；依據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告掌握地塊內(nèi)的地層分布、地下水水位及分布和來源；調(diào)研周圍交通、建筑物、地下建筑及管線，并結(jié)合工期及當(dāng)?shù)貧庀髼l件設(shè)計(jì)基坑圍護(hù)方案和降水措施。

3.3 基坑支護(hù)體系選型

深基坑圍護(hù)的方法包括板樁式圍護(hù)、深層攪拌樁、鋼板樁、內(nèi)支撐和地下連續(xù)墻等等。目前深基坑的圍護(hù)應(yīng)用較多的是排樁、地下連續(xù)墻、水泥土重力式圍護(hù)墻、土釘墻等，同時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)上部的支撐也多種多樣，目前應(yīng)用較廣的包括鋼筋混凝土內(nèi)支撐、型鋼混凝土內(nèi)支撐、型鋼內(nèi)支撐及錨拉等。

3.4 基坑的降排水設(shè)計(jì)思路

地下工程在施工過程中，控制地下水，防止地表水是基坑設(shè)計(jì)的重點(diǎn)工作之一。在基礎(chǔ)施工時(shí)必須將水位降低至基底地面0.5m以下的高度，在施工時(shí)我們只能選擇集水明排、截水、人工降水。地表及基坑明排都較為簡單，但地下水排除方案需根據(jù)基坑的實(shí)際情況、周邊環(huán)境、地質(zhì)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)不妥容易導(dǎo)致周邊建筑物及圍護(hù)體系發(fā)生變形，而目前常用的排水方式主要有輕型井點(diǎn)、多級(jí)輕型井點(diǎn)、噴射井點(diǎn)、電滲井點(diǎn)、真空降水管井、截水、井點(diǎn)回灌技術(shù)。各種技術(shù)所對(duì)應(yīng)的排水深度及地質(zhì)條件各有不同。

3.5 基坑的監(jiān)測及智能化應(yīng)用

3.5.1 基坑監(jiān)測的必要性

在施工過程中無法避免對(duì)周邊土體、環(huán)境、建筑物及地下設(shè)施的擾動(dòng)，然而過程監(jiān)測已經(jīng)成為必不可少的重要環(huán)節(jié)。在一些復(fù)雜的圍護(hù)體系中，因涉及的方面和考慮的問題較多，在綜合分析時(shí)無法從理論的角度測算出定量分析數(shù)據(jù)，只能依賴現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過傳統(tǒng)監(jiān)測方式和現(xiàn)代預(yù)埋電子感應(yīng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)險(xiǎn)情提前預(yù)警。

3.5.2 基坑監(jiān)測的目標(biāo)

在基坑開挖和施工過程中，必須要安排經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師進(jìn)行巡視觀察，主要是對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部、鄰近建筑物及鄰近地面可能出現(xiàn)的裂縫、塌陷和支護(hù)結(jié)構(gòu)工作失常、流土、流沙、滲漏或局部管涌等不良現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展進(jìn)行記錄、檢查和綜合分析，發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)通報(bào)。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)以下情況時(shí)要加強(qiáng)監(jiān)測，提高監(jiān)測頻率，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析：

（1）監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到報(bào)警值；

（2）監(jiān)測數(shù)據(jù)變化量較大或者速率加快；

（3）存在勘察中未發(fā)現(xiàn)的不良地質(zhì)條件；

（4）超深、超長開挖或未及時(shí)加撐等未按設(shè)計(jì)施工；

（5）基坑及周邊大量積水、長時(shí)間連續(xù)降雨、市政管道出現(xiàn)泄漏；

（6）基坑附近地面荷載突然增大或超過設(shè)計(jì)限值；

（7）支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂；

（8）周邊地面出現(xiàn)突然較大沉降或嚴(yán)重開裂。

3.5.3 基坑監(jiān)測的手段

在基坑監(jiān)測過程中，對(duì)一些常規(guī)的建筑物或臨時(shí)構(gòu)筑物在水平和垂直方向的監(jiān)測主要采用全站儀和水準(zhǔn)儀。為實(shí)現(xiàn)智能化，在一些關(guān)鍵監(jiān)測方面我們需依靠斜側(cè)管、安裝鋼筋計(jì)、錨桿軸力計(jì)、土壓力盒、孔隙水壓力計(jì)，運(yùn)用傳感器進(jìn)行全自動(dòng)采集，通過采集和無線傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，形成智能化工地。

3.5.4 智能化應(yīng)用

目前基坑支護(hù)單元計(jì)算設(shè)計(jì)軟件及基坑數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件較多：如理正、同濟(jì)曙光等，運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算，不僅可以從基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的平面布置、內(nèi)支撐設(shè)置，到支護(hù)結(jié)構(gòu)的空間分析、配筋計(jì)算、構(gòu)件歸并、計(jì)算書及施工圖的生成，全過程實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)化。計(jì)算理論先進(jìn)、有效解決工程難題、降低工程造價(jià)。同時(shí)它可以實(shí)現(xiàn)基坑數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控。在基坑施工監(jiān)測的基礎(chǔ)上，對(duì)基坑關(guān)鍵部位的受力、變形采用全自動(dòng)監(jiān)測，并可以建立數(shù)字化的施工安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化、可視化及安全預(yù)警。項(xiàng)目監(jiān)測智慧化實(shí)現(xiàn)了基坑變形和受力關(guān)鍵部位全自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測，可以通過Internet能隨時(shí)隨地訪問監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化，并能完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動(dòng)安全預(yù)警。

4 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)常見問題的分析和應(yīng)對(duì)策略

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)作業(yè)面大、范圍廣，在監(jiān)測和勘察時(shí)總會(huì)有考慮不周的地方，所以它的不確定性較多。同時(shí)地層下面的東西我們無法通過肉眼能觀測和全面判斷，從而再萬全的圍護(hù)方案也隱埋著不同的危險(xiǎn)源。在施工過程中因風(fēng)險(xiǎn)源引起最多的問題主要有支撐失穩(wěn)、基底隆起及突涌、圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏水、基坑邊坡坍塌、周邊建筑物變形及裂縫。

4.1 支撐失穩(wěn)

4.1.1 原因分析

造成支撐失穩(wěn)的原因主要有3個(gè)方面：（1）支撐軸力超過設(shè)計(jì)軸力，導(dǎo)致支撐失穩(wěn)；（2）支撐與圍護(hù)結(jié)構(gòu)接觸不密實(shí)、牢固，導(dǎo)致支撐受力偏心滑移失穩(wěn)；（3）支撐受到外力撞擊失穩(wěn)。

4.1.2 應(yīng)對(duì)策略

支撐失穩(wěn)危險(xiǎn)性比較大，會(huì)導(dǎo)致支撐滑落傷人和危及基坑安全，甚至造成大的安全事故。為了防止支撐失穩(wěn)，基坑開挖前組織一定的鋼支撐備用，一旦出現(xiàn)支撐軸力過大現(xiàn)象，超過了軸力預(yù)警值，迅速增加支撐數(shù)量，分散支撐軸力；防止吊裝物品和挖掘機(jī)碰撞鋼支撐。嚴(yán)格控制開挖順序，合理安排、協(xié)調(diào)施工，掌握好“分層、分段、分塊、對(duì)稱、限時(shí)”五個(gè)要點(diǎn)，并遵循“豎向分層、水平分區(qū)分段、開挖支撐、先撐后挖、嚴(yán)禁超挖、基坑底墊層要求隨挖隨澆”的原則進(jìn)行施工。土方開挖過程中，機(jī)械設(shè)備行走路線安排專人指揮，嚴(yán)禁碰撞支撐系統(tǒng)；夜間施工設(shè)置足夠照明燈具，保證工作面無陰暗死角；鋼立柱四棱邊涂刷夜光警示漆進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

4.2 基底隆起及突涌

4.2.1 原因分析

隆起是由于上部土體被挖掉，導(dǎo)致基底上部土壓力荷載消失，基底以下土體的原有壓力釋放，使土體向上鼓動(dòng)。突涌是基底下承壓水沖破其上部土體，發(fā)生水及砂子涌向基底表面。

4.2.2 應(yīng)對(duì)策略

為了防止發(fā)生突涌和減少基底隆起，基坑開挖前做好基坑排水，加強(qiáng)對(duì)微承壓水位的觀測，提前計(jì)算承壓水頂部土體的重量，根據(jù)承壓水頭壓力核算抗浮安全性。當(dāng)挖到基底以后，及時(shí)組織墊層施工，將基底進(jìn)行封壓，減少基底反彈。發(fā)生基底突涌時(shí)立即停止開挖，撤出施工人員和機(jī)械，嚴(yán)禁重型機(jī)械靠近。在突涌處先用草袋、砂袋分層交替進(jìn)行壓堵，減少透水量，防止砂子流失，然后對(duì)突涌處注雙液漿進(jìn)行封閉加固。在突涌發(fā)生后，組織在基底處挖簡易排水溝，在溝內(nèi)鋪設(shè)塑料布，將涌水引到旁邊，用水泵及時(shí)抽走，防止基坑內(nèi)出現(xiàn)大量積水。

4.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏水

4.3.1 原因分析

圍護(hù)結(jié)構(gòu)局部沒有實(shí)現(xiàn)完全封閉，存在透水通道和薄弱環(huán)節(jié)，當(dāng)基坑內(nèi)土方挖掉后，在基坑內(nèi)外壓力差的作用下，坑外地下水沖破阻力滲入或涌入基坑。止水帷幕設(shè)計(jì)深度不夠，與土層接頭不密實(shí)，開挖后地下水滲入或涌入基坑。

4.3.2 應(yīng)對(duì)策略

（1）嚴(yán)格控制止水帷幕施工質(zhì)量，確保止水范圍、深度及效果達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期效果；（2）基坑先撐后挖，開挖時(shí)對(duì)稱、均衡，逐步釋放土體應(yīng)力，使支撐體系均勻受力，防止因支撐內(nèi)力不均衡導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)開裂滲水；（3）土體分層開挖，開挖過程中加強(qiáng)現(xiàn)場巡視，一旦發(fā)現(xiàn)側(cè)壁存在滲漏現(xiàn)象，立即停止該處開挖施工（水量大時(shí)，堆砂袋加壓），依據(jù)“截、堵、疏”原則，對(duì)滲漏部位進(jìn)行處理，完畢后再進(jìn)行開挖施工；（4）止水帷幕以下開挖一層，掛網(wǎng)噴錨一層，及時(shí)對(duì)側(cè)壁進(jìn)行封閉；（5）設(shè)反濾層及泄水孔，按照設(shè)計(jì)要求布置孔位，確保泄水孔不堵塞。

4.4 基坑邊坡坍塌

4.4.1 原因分析

邊坡坍塌主要原因：（1）邊坡放坡不合理；（2）在進(jìn)行邊坡混凝土封面時(shí)未設(shè)置泄水孔或泄水孔數(shù)量不足及堵塞；（3）基坑上面周邊范圍內(nèi)未進(jìn)行混凝土硬化封閉，周邊的截排水措施做得不到位。

4.4.2 應(yīng)對(duì)策略

基坑開挖時(shí)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)放坡要求開挖，同時(shí)在基坑上方周邊范圍內(nèi)做好相應(yīng)的硬化和截水及排水措施；在進(jìn)行邊坡表面噴射混凝土?xí)r按照設(shè)計(jì)要求做好泄水孔的設(shè)置并確保不能堵塞。

4.5 建筑物變形及裂縫

4.5.1 原因分析

周邊建筑物變形及出現(xiàn)裂縫的原因：（1）在基坑支護(hù)或者是樁基施工時(shí)，因工藝要求，所產(chǎn)生的震動(dòng)使周邊土體發(fā)生變化；同時(shí)有可能因場區(qū)地下水潛水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋在長期浸水和干濕交替作用條件下均具弱腐蝕性，場區(qū)地下水承壓水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性。在施工中受震動(dòng)作用，結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。（2）因土方開挖后，支護(hù)體系對(duì)土體的作用力不足，導(dǎo)致土層發(fā)生變化，建筑物下部結(jié)構(gòu)受力不均，產(chǎn)生了裂縫。（3）在進(jìn)行降水時(shí)，降水措施不到位，致使周邊建筑物下部的土體塌陷。

4.5.2 應(yīng)對(duì)策略

在樁基礎(chǔ)施工時(shí)，合理地選用鉆進(jìn)方式，避免選用震動(dòng)較大的施工工藝；對(duì)于結(jié)構(gòu)體系，在有位移時(shí)做好內(nèi)撐或者進(jìn)行鉆孔錨拉；針對(duì)因降水措施導(dǎo)致的地下水位降低，地層下陷的情況，合理地做好井點(diǎn)回灌。對(duì)已產(chǎn)生地層裂縫時(shí)，及時(shí)地停止作業(yè)，進(jìn)行水泥灌注。

5 結(jié)束語

隨著地下空間的開發(fā)進(jìn)程加快，基坑的設(shè)計(jì)及施工的重要性日益凸顯?；邮┕な墙ㄖこ添?xiàng)目的龍頭，俗話說基礎(chǔ)不牢，山動(dòng)地?fù)u。而且基礎(chǔ)及地下施工在項(xiàng)目的造價(jià)中也占據(jù)了一大部分，一個(gè)好的基坑圍護(hù)方案不僅節(jié)約成本，還消除了工程中最大的安全隱患。積極地運(yùn)用軟件設(shè)計(jì)不僅避免了人工測算的錯(cuò)誤及考慮不周，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用也提高了監(jiān)測水平和監(jiān)測效率，并能提前對(duì)無法人工量化的預(yù)測提前警報(bào)。同時(shí)智慧化工地的建設(shè)已成為下一階段建筑業(yè)發(fā)展的主流方向。智慧化工地的推廣已迫在眉睫，它是建筑業(yè)向現(xiàn)代化、科技化發(fā)展的必要手段之一。