復(fù)雜地質(zhì)條件下深基坑工程支護(hù)設(shè)計(jì)與施工的研究

杜夢(mèng)民

【摘 要】某深基坑位于昆明老城區(qū)，開挖深度達(dá)10.4m，在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)該工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，土質(zhì)條件和周圍環(huán)境，以土釘墻作為主要基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)型式，詳細(xì)介紹了該方案設(shè)計(jì)思路以及施工步驟。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，實(shí)測(cè)基坑邊坡側(cè)向最大位移值僅為26mm，一般在5～15mm間，其他監(jiān)測(cè)指標(biāo)均在設(shè)計(jì)的控制標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，取得了較好的支護(hù)效果和經(jīng)濟(jì)效益。

【關(guān)鍵詞】深基坑；支護(hù)設(shè)計(jì)；土釘墻

Research on Design and Construction for a Deep Foundation Pit Supporting Project in Complicated Geological Conditions

Du Meng-min

（Tianjin University of Science and Technology Tianjin 300457）

【Abstract】A Deep Foundation Pit was located in the old city zone of Kunming， which was dug 10.4m in depth. In the design of the protective structure of excavation， the characteristics of the engineering ambience and the quality of soil were taken into account. The soil-nailing wall was the main type of pit-protection structure， which was introduced aboratively. The displacement monitored in the field could reach 26mm， but was commonly between 5mm and 15mm， Other monitored indexes were all within the standard limit of the design. The Deep Foundation Pit Supporting Project was accomplished with a good protecting and economical effect.

【Key words】Deep pit；Design for protection；Soil-nailing wall

1. 引言

基坑是建筑工程的一部分，其發(fā)展與建筑業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)，而深基坑是充分利用土地資源的方式之一。由于我國(guó)地少人多，人均占有土地還不及全世界人均占有土地的十分之一，為節(jié)約土地，向空間要住房，向舊房要面積，許多高層建筑拔地而起。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，1980～1989年10年間，我國(guó)新建高層建筑1000余幢，1990年～1999年10年間，全國(guó)新建的高層建筑超過9000幢。適當(dāng)發(fā)展多層和高層，向空中和地下發(fā)展是解決我國(guó)土地資源緊張的一條重要出路。隨著城鎮(zhèn)建設(shè)中高層及超高層建筑的大量涌現(xiàn)，深基坑工程越來越多，同時(shí)，密集的建筑物、大深度的基坑周圍復(fù)雜的地下設(shè)施，使得放坡開挖基坑這一傳統(tǒng)技術(shù)不再能滿足現(xiàn)代城鎮(zhèn)建設(shè)的需要，因此，深基坑開挖與支護(hù)引起了各方面的廣泛重視。尤其是90年代以來，基坑開挖與支護(hù)問題已經(jīng)和正在成為我國(guó)建筑工程界的熱點(diǎn)問題之一。

2. 深基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)與施工[1]

（1）深基坑支護(hù)的目的在于確?？颖诘姆€(wěn)定，施工安全，鄰近建筑物和構(gòu)筑物以及管線的安全，有利于挖土及地下室的建造，而且要保證支護(hù)結(jié)構(gòu)施工方便，經(jīng)濟(jì)的合理性，所以支護(hù)體系的選用原則應(yīng)該是安全、經(jīng)濟(jì)、方便施工，同時(shí)選用支護(hù)體系也要因地制宜。

（2）安全不僅指支護(hù)體系本身安全，保證基坑開挖、地下結(jié)構(gòu)施工順利，而且要保證鄰近建（構(gòu)）筑物和市政設(shè)施的安全和正常使用；經(jīng)濟(jì)不僅是指支護(hù)體系的工程費(fèi)用，而且要考慮工期，考慮挖土是否方便，考慮安全儲(chǔ)備是否足夠，應(yīng)采用綜合分析，確定該方案是否經(jīng)濟(jì)合理；方便施工也應(yīng)是支護(hù)體系的選用原則之一，方便施工可以降低挖土費(fèi)用，而且可以節(jié)省工期，提高支護(hù)體系的可靠性。一個(gè)優(yōu)秀的支護(hù)體系設(shè)計(jì)，要做到因地制宜，根據(jù)基坑工程周圍建（構(gòu)）筑物對(duì)支護(hù)體系變位的適應(yīng)能力，選用合理的支護(hù)型式，進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)。相同的地質(zhì)條件，相同的挖土深度，允許圍護(hù)結(jié)構(gòu)變位量不同，滿足不同變形要求的不同的支護(hù)體系的費(fèi)用相差可能很大。

（3）深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工不同于上部結(jié)構(gòu)，除地基土類別的不同外，地下水位的高低，土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)以及周圍環(huán)境條件等，都直接與支護(hù)結(jié)構(gòu)的選型有關(guān)。表1所示為幾種常見深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)。支護(hù)結(jié)構(gòu)型式選擇的合理性，關(guān)系到安全可靠、施工順利和工期等等問題，下面就昆明某深基坑探討該工程支護(hù)方案的設(shè)計(jì)與施工問題。

3. 工程概況

該工程位于昆明市老城區(qū)。由地上10～22層住宅樓，3層裙房和地下車庫(kù)等建筑物構(gòu)成，平面尺寸約為110m×82m，均設(shè)兩層地下室，基礎(chǔ)埋深均為-10.4m，屬于大型深基坑。

由于基礎(chǔ)埋深范圍內(nèi)存在上層滯水，為滿足基坑土方開挖及地下土建施工期間對(duì)邊坡穩(wěn)定性和地下水的要求，必須在基坑四周采取有效的人工降水和護(hù)坡措施以確?；舆吰碌陌踩?/p>

3.1 工程地質(zhì)概況

3.1.1 工程地層情況。

擬建場(chǎng)區(qū)基本平坦，自然地坪標(biāo)高平均約為42.82m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探與原位測(cè)試及室內(nèi)土工試驗(yàn)成果綜合分析，在最大勘探深度范圍內(nèi)（20.0m）的地層，除局部有人防分布外，按沉積年代、成因類型，共劃分為2個(gè)成因類型4個(gè)大層，自上而下分述如下：

3.1.2 人工堆積層。

該層分布于場(chǎng)地表層，包括粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土填土層及房渣土層，局部有爐灰位于第二層，厚度一般為2.0m～4.0m，局部達(dá)4.40m～5.10m。

3.1.3 第四紀(jì)沉積層。

①砂質(zhì)粉土、粘質(zhì)粉土層：位于標(biāo)高37.76m～40.81m以下，具中低壓縮性；

②砂質(zhì)粉土、粘質(zhì)粉土層：位于標(biāo)高36.22m～37.58m以下，具低壓縮性；

③粉砂、細(xì)砂層：位于標(biāo)高33.98m～35.12m以下；

④卵石、圓礫層：位于標(biāo)高29.82m～31.50m 以下。

4. 支護(hù)方案的選擇[3]

4.1 基坑支護(hù)方案的選擇原則及要求

（1）滿足深基坑護(hù)坡的穩(wěn)定性要求；

（2）確保土方開挖及基礎(chǔ)土建施工期間邊坡的安全；

（3）優(yōu)化護(hù)坡方案，盡量降低護(hù)坡成本；

（4）施工工序簡(jiǎn)單有效，盡量縮短施工工期。

4.2 本項(xiàng)目基坑護(hù)坡的技術(shù)難點(diǎn)分析。

基坑支護(hù)方案的選擇受多種條件的制約，如：基坑平面尺寸大小、基坑開挖深度、地下水位情況、工程地質(zhì)情況、周邊建筑物及場(chǎng)區(qū)內(nèi)的地下管線布置等因素。從本工程的邊界條件和地層條件來看，其基坑護(hù)坡存在以下技術(shù)難點(diǎn)：

4.2.1 基坑大、土質(zhì)差。

由于該工程屬大型深基坑。而上部2.5m～4.0m內(nèi)均為雜填土，土質(zhì)屬中軟地層，這樣無論是土釘護(hù)坡還是護(hù)坡樁護(hù)坡都有一定的施工難度。

4.2.2 地下障礙物的存在。

由于本工程位于老城區(qū)內(nèi)，地下各種廢棄管和人防等地下障礙物的位置、埋深、走向、數(shù)量不詳，造成地下水的滲漏位置、水量不清。

4.2.3 地下水的存在。

由于本場(chǎng)區(qū)槽深內(nèi)存在大量上層滯水，盡管采用了深井井點(diǎn)降水措施，但因該滯水主要來自廢棄的各種地下管線，其位置、深度、走向及水量不清，勢(shì)必造成護(hù)坡面存在局部滲水，這要求本工程護(hù)坡時(shí)必須采用封堵和導(dǎo)排措施相結(jié)合方可確保邊坡的安全。

4.2.4 服務(wù)期限長(zhǎng)。

由于該建筑物地下結(jié)構(gòu)面積大、工序多，且屬于邊施工邊設(shè)計(jì)，護(hù)坡的服務(wù)期相對(duì)較長(zhǎng)。同時(shí)本工程支護(hù)體系要面臨雨季考驗(yàn)，這就要求其護(hù)坡體系絕對(duì)安全可靠。

4.3 基坑技術(shù)方案的確定。

從上述分析可以看出，本工程護(hù)坡區(qū)的周邊條件的差異要求本基坑護(hù)坡方式和支護(hù)體系強(qiáng)度不同，在選擇各側(cè)護(hù)坡方法時(shí)，應(yīng)在充分利用原狀土自穩(wěn)的條件下實(shí)現(xiàn)基坑各側(cè)的支護(hù)體系與周邊條件相統(tǒng)一。通過受力分析表明，采用一般土釘護(hù)坡或懸臂護(hù)坡樁護(hù)坡均無法滿足邊坡的整體穩(wěn)定性要求。為此，在詳細(xì)分析本基坑的地質(zhì)條件和周邊環(huán)境的基礎(chǔ)上，通過理論分析并參考同類工程的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)的對(duì)比，提出本基坑的護(hù)坡方案。

4.3.1 采用加強(qiáng)型土釘墻支護(hù)方案（0～-4.0m）。

由于基坑上部0～-4.0m內(nèi)土質(zhì)以雜填土為主，且廢棄地下管線也多存在于該深度內(nèi)，為此，在該區(qū)段內(nèi)采用加強(qiáng)型土釘墻護(hù)坡來增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，改善邊坡的受力狀況確保其邊坡穩(wěn)定。

4.3.2 采用加長(zhǎng)土釘支護(hù)方案（-4.0m ～-10.4m）。

為了提高邊坡的抗滑力和增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體抗傾覆彎距，將在該區(qū)段內(nèi)采用加長(zhǎng)土釘來增加土釘?shù)耐凉塘?，提高護(hù)坡的安全系數(shù)。

5. 基坑土釘墻支護(hù)設(shè)計(jì)

5.1 土方開挖要求。

采用分步島式開挖，挖土施工按要求分步進(jìn)行，每步沿護(hù)坡邊線施工并由人工修坡，在開挖前放挖邊線。及時(shí)進(jìn)行支護(hù)施工，平行作業(yè)，每步挖土待噴砼面層和注漿砼達(dá)一定強(qiáng)度后，方可繼續(xù)開挖下一步。

5.2 挖土深度的確定及分步開挖方案。

挖土深度必須滿足邊坡穩(wěn)定的要求，并和土釘支護(hù)的排距及施工方便相匹配。

按照邊坡穩(wěn)定分析（庫(kù)爾曼法），保持穩(wěn)定的土釘臨界高度hcr為：

hcr=4cT[sinβcosφ1-cos（β-φ）]

β——邊坡傾角（與水平線的夾角）；φ——土的內(nèi)摩擦角；c——土的粘聚力，KPa；γ——土的容重，KN/m3 。在考慮安全系數(shù)后，取：

hcr=2.67cT[sinβcosφ1-cos（β-φ）]

由地質(zhì)勘察資料，取C平均為20.0 KPa，γ為21.0 KN/m ，φ為20°； 按直立開挖計(jì)算即β取為90°，計(jì)算結(jié)果為3.6米。土釘支護(hù)排距為1.5米。綜合考慮成孔為人工洛陽(yáng)鏟成孔，必須有不低于1米的作業(yè)空間，最后確定開挖步驟如下：

5.3 挖土方法及要求。

挖土應(yīng)分四步進(jìn)行。第一步土方挖深為2.3m～2.4m，第一、二排土釘施工；第二步挖深為2.0m，第三排土釘施工；第三步挖深為2.5m，第四、五排土釘施工；第四步挖至-10.2m，停止機(jī)械挖土，改用人工清土至設(shè)計(jì)槽底標(biāo)高-10.4m，以防超挖和地基土的機(jī)械擾動(dòng)。須在上一步土釘護(hù)坡完成并待護(hù)坡砼達(dá)到一定強(qiáng)度后，方可進(jìn)行下一步土方開挖。

這樣做優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）采用島式開挖，能有效的控制基坑邊坡的變形（位移），減少了基坑的無支護(hù)的暴露面積和暴露時(shí)間，土釘支護(hù)及時(shí)，根據(jù)基坑開挖時(shí)空效應(yīng)原理，能有效的利用土體自身控制地層變形（位移）的潛力；當(dāng)基坑中間土挖除時(shí)，先期施工土釘支護(hù)注漿砼和噴砼面層已達(dá)一定強(qiáng)度，可有效的控制基坑的變形。

（2）土釘支護(hù)工作條件好，不需支架施工，施工速度快，能保證土釘支護(hù)及時(shí)。

6. 加強(qiáng)型土釘墻支護(hù)質(zhì)量保證措施

6.1 邊坡修整。

每層土方開挖后，人工及時(shí)按照設(shè)計(jì)的坡度（上部為1：0.25，下部為1：0.15）進(jìn)行邊坡修整，要做到削平、削到位。修整坡面時(shí)，每隔5.0m左右設(shè)置控制點(diǎn)，使修整的坡面坡度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

6.2 定位。

根據(jù)土桿設(shè)計(jì)間距在邊坡上定出每個(gè)土桿的位置，并作出標(biāo)記，孔位誤差不大于100mm。

6.3 成孔及土桿安裝。

（1）成孔直徑不小于設(shè)計(jì)直徑（100～130mm）；

（2）角度應(yīng)控制在50～100之間；

（3）成孔應(yīng)做好記錄，并在檢查合格后方可進(jìn)行下一道工序。

6.4 注漿。

水泥漿的水灰比為0.5到0.55，特殊地層可適當(dāng)調(diào)整，壓力不小于0.3MPa。水泥漿注入飽滿，補(bǔ)漿次數(shù)不小于2次，并使孔內(nèi)水泥漿充足飽滿為止。

6.5 編網(wǎng)。

按設(shè)計(jì)要求的間距和保護(hù)層進(jìn)行編網(wǎng)、綁扎，搭接長(zhǎng)度要符合規(guī)范要求，網(wǎng)片與土桿鋼筋外上端的彎鉤焊接成一個(gè)整體。

6.6 噴射混凝土。

噴射砼分兩次進(jìn)行，噴射砼強(qiáng)度等級(jí)為C20，配合比為水泥：砂：石=1：2：2，并根據(jù)地層情況和天氣情況可適量加入速凝劑，混合料應(yīng)攪拌均勻。

空壓機(jī)風(fēng)量≥9m3/mn，氣壓取0.2～0.5MPa，噴頭水壓≥0.1MPa，噴射距離為1.0左右。噴射厚度不小于設(shè)計(jì)要求。

6.7 施工監(jiān)測(cè)。

基坑采用土釘墻護(hù)坡后，其支護(hù)體系最大的水平位移和垂直沉降一般均發(fā)生在基坑邊壁的頂部1.0m內(nèi)。為了能及時(shí)準(zhǔn)確地了解土方開挖期間及護(hù)坡完成后邊坡的穩(wěn)定狀況，在基坑護(hù)坡期間沿基坑邊壁的頂部0.4m～1.0m處，每隔30m設(shè)置一個(gè)基坑位移觀測(cè)點(diǎn)。在基坑護(hù)坡期間，每天觀測(cè)l～2次；在完成基坑開挖、變形趨于穩(wěn)定后，每3～5天觀測(cè)一次，施工監(jiān)測(cè)的內(nèi)容如下：

（1）支護(hù)體位移的量測(cè)；

（2）地表開裂狀態(tài)（位置、裂寬）的觀察；

（3）附近建筑物及重要管線設(shè)施的變形和裂縫觀察；

（4）基坑滲、漏水和基坑內(nèi)外地下水的水位變化。

根據(jù)本工程的特點(diǎn)，基坑水平位移的警界值為≤3‰H（H為槽深）。

7. 取得成果

本工程自2005年4月25日進(jìn)場(chǎng)，5月20日正式開工，7月5日啟動(dòng)降水，至8月18日完工，歷時(shí)115天，取得成果如下：

7.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面：在土方開挖后，自2005年7月1日至10月1日共92天，對(duì)基坑邊坡側(cè)向位移進(jìn)行了全面觀測(cè)，最大位移值僅為26mm，一般在5～15mm間，符合規(guī)范要求，也達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

7.2 降水方面：采用周圍管井封閉降水，坑內(nèi)減壓水井快速疏干和降低承壓水頭，局部引滲明排相結(jié)合的方法，達(dá)到了地下結(jié)構(gòu)干槽作業(yè)的目的。

7.3 土方開挖方面：基底土無擾動(dòng)，平面尺寸、槽底標(biāo)高均符合設(shè)計(jì)要求。

7.4 竣工驗(yàn)收：設(shè)計(jì)與施工控制規(guī)范、科學(xué)、合理，技術(shù)組織措施落實(shí)到位，保障有力，隱蔽驗(yàn)收資料齊全，工程優(yōu)良。

8. 結(jié)語(yǔ)

8.1 深基坑工程支護(hù)方案設(shè)計(jì)，應(yīng)綜合考慮基坑特點(diǎn)，土質(zhì)條件、周圍建筑物以及構(gòu)筑物環(huán)境、工程造價(jià)等因素。本工程基坑開挖深度達(dá)10.4m，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要采用加強(qiáng)型土釘墻和加長(zhǎng)土釘護(hù)坡支護(hù)等支護(hù)方案，并成功解決了基坑支護(hù)、土方中多項(xiàng)施工技術(shù)難點(diǎn)。

8.2 施工過程以及完工以后，均加強(qiáng)了監(jiān)測(cè)力度，為保證工程的有效順利進(jìn)行，防止突發(fā)工程事故提供了有效的保障。監(jiān)測(cè)資料表明支護(hù)方案合理，支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)妥可靠，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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