城市復雜環境深大巖質基坑施工技術

賈佳興 葛 強 李鵬飛 張明聚

(1.北京工業大學城市與工程安全減災省部共建教育部重點實驗室，北京 100124；

2.中鐵十七局集團有限公司，山西太原 030006)

越來越多地下工程的大規模興建，對基坑開挖支護設計及施工技術提出了更高的要求[1]。基坑向著高、大、深方向迅速發展的同時，傳統的人工機械配合開挖方案已經不能滿足目前的開挖要求(特別是巖質深基坑工程)。爆破技術因其經濟高效的特點被廣泛應用于巖土工程。熊祖釗[2]等介紹了城市復雜環境下建筑基坑土石方的爆破開挖；張文虎[3]等采用孔內外延時爆破開挖石質渠道。鉆爆施工不可避免地會對周邊道路、鄰近建(構)筑物等造成不良影響[4]，對于如何控制爆破的負面效應，很多學者做了大量的現場試驗和研究，主要包括對裝藥量、微差時間、孔間距[5，6]等爆破參數的研究。王薇等[7]通過數值模擬手段，認為以水平爆破為主的爆破方式能夠有效降低爆破振動速度。數碼電子雷管能夠實現毫秒級別的延時爆破，通過逐孔起爆，使得地震波主振相分離并反相疊加，從而達到減振的效果[8，9]。但目前在基坑工程中的應用研究相對較少。

合理的支護形式不但是保證邊坡穩定的重要基礎，而且是縮短工期、降低成本的有效措施。深基坑支護類型主要有拉錨式、懸臂式和內撐式等[10]。其中，拉錨式支護施工靈活、占地面積小、適應性強，被廣泛應用于各種工程中。韓健勇等[11]結合具體工程，通過理論計算，分析拉錨支護結構的受力變形規律，并總結了其在深基坑中的施工方法。王衛東等[12]結合不同的實踐案例，分析總結了超深地下連續墻、超深水泥土攪拌墻等復雜環境下的軟巖深基坑支護技術。王富國等[13]通過實踐和數值仿真，證明了樁錨支護形式在復雜環境深基坑支護工程中的安全性和經濟性。為滿足復雜的基坑設計，多種支護形式的組合應用在深基坑設計中變得越來越普遍[14，15]。

基于地質條件的不確定性，基坑工程中仍然存在很多的技術問題，如相關爆破標準、支護結構優選原則尚未完善等，從而導致近些年來安全事故時有發生[16]。以某交通樞紐綜合體超大超深巖質基坑工程為背景，分析總結分期、分區施工組織方案，以提高土石方開挖和基坑支護的效率；采用數碼電子雷管精細化控制爆破技術可將鄰近高層建筑物和地下結構的爆破振動速率控制在1.0 cm/s以內；采用板肋式錨桿擋墻的逆作法施工技術，可有效控制鄰近建筑物的沉降和傾斜變形。

1 工程概況

1.1 基本情況

該交通樞紐綜合體基坑位于繁華市區中心，為市政道路下穿隧道、軌道交通和建筑工程共用，基坑南北寬125 m，東西長560 m，平均開挖深度為23 m，最深處達44 m，開挖面積約6×104m2，開挖土石方量約136×104m3。基坑北靠城市既有主干道，東西側有規劃中的城市干道；周邊建(構)筑物林立(包括有多棟高層商住樓、商業街區、酒店、醫院、寫字樓和學校)，深基坑及周邊環境平面如圖1所示。

1.2 地質特征

工程場地較平坦，地形地貌簡單。上部為人工填土(Q4ml)、殘坡積(Q4el+dl)層，下伏侏羅系中統沙溪廟組(J2s)粉砂巖、泥巖及砂巖，其物理力學參數如表1所示。整個場地砂巖、泥巖為互層關系，場地內基巖較完整，巖體構造裂隙較發育。在溝槽低洼處的第四系人工填土含一定量孔隙水，砂巖僅局部含少量地下水，地下水不發育。工程所在區域屬亞熱帶季風氣候，降雨量大且較為集中。

1.3 工程難點

(1)安全要求高、技術難度大

該基坑位于鬧市區，為超大型深基坑，鄰近建(構)筑物距基坑邊坡最近處不足10 m，邊坡深陡，出渣困難，施工周期長，極易發生基坑側壁失穩等工程事故。邊坡工程安全等級為一級，周邊環境對爆破振動和爆破飛石控制要求嚴格(鄰近建筑振速允許值不得超過1 m/s)，基坑開挖總體施工組織難度很大。

(2)工期緊、任務重

項目中存在多種專業工程交叉作業，施工相互干擾時間長，節點工期相互影響嚴重。為不影響其余專業工程工期及后續施工，需要在一年的時間內完成土石方開挖及基坑支護，常規的施工方法無法按期完成。

圖1 深基坑及周邊環境平面

2 工程施工關鍵技術

2.1 基坑開挖方案

根據項目用地拆遷、管網改遷進度、城市道路交通轉換組織方案及項目整體計劃，將基坑開挖劃分為兩期。每期分為四個區域進行施工，土石方開挖順序為自上而下，采用分層分段逆作法有序開挖并及時支護。具體開挖順序如下:

(1)平整場地，挖除基坑范圍內松散土和地表土層，下挖3 m。

(2)綜合考慮基坑周邊環境、場內運輸、出渣路線等因素的影響，從基坑西南側便道入口開始，利用反鏟開挖拉槽至基坑內，作為車輛進入坑內的坡道。再以該槽為自由面向北、東、西三側進行擴挖，下挖深度為5 m(土層基本開挖結束)，如圖2所示。

(3)自便道口由南向北松動爆破形成V形自由面，向兩側擴槽至滿足設備工作的寬度。再以該槽為自由面向北、東、西三側擴挖，下挖深度為7～8 m。同時在便道口沿基坑內壁由西向東開挖寬7 m的施工出渣便道。

(4)采用同樣的方式繼續爆破(向下開挖7 m左右)，大致達到了設計高程。

(5)對于剩余的“坑中坑”，采取淺孔松動爆破分層開挖，周邊設置減震孔；對四側封閉的超深段基坑采用小型機械開挖，邊開挖邊支護，采用塔吊垂直提升出渣。

圖2 基坑開挖示意

2.2 數碼電子雷管爆破

基坑位于市區中心，對爆破時間段、爆炸藥用量控制嚴格，普通電雷管控制爆破不能滿足每日爆破次數和出渣量。為滿足工期和爆破振動的控制要求，對基坑的主體部分采用淺孔數碼電子雷管微差起爆，同時輔以減振孔減振。

(1)爆破參數

選用φ42 mm～φ49 mm鉆頭，孔網參數如表2所示。

表2 爆破孔網參數

(2)爆破網路

①起爆順序和起爆方向:起爆順序根據自由面情況，采用單孔順序起爆。為保證間隔時間精確，選用數碼電子雷管單孔順序微差起爆系統(專用數碼電子雷管起爆器起爆，使用2號巖石乳化炸藥)。爆破方向盡可能朝向基坑南側，以避開人流和車流主干道。

②網絡連接形式:各雷管腳線并聯接入起爆主線，延時時差為孔間17 ms、排間120 ms，不同臨空面條件下的起爆網絡設計如圖3。

圖3 數碼電子雷管單孔順序微差起爆網絡設計(單位：ms)

由于孔深未超過3.0 m，采用連續裝藥，起爆藥卷直徑為32 mm、長20 cm，放在裝藥長度的1/3處(近底部)。

(3)減振孔布設

為降低爆破振動及保護巖體穩定。爆破前，在基坑邊緣設置10.0 m寬減震區，“坑中坑”四周設2 m寬減震區。結合工程特點及施工經驗，減振區孔徑為100 mm，排距、間距均為0.20 m，深度比主爆區深0.5～1 m。之后，采用液壓破碎機進行破碎平整。

2.3 逆作法板肋式錨桿擋墻

綜合考慮現場周邊環境，結合地區經驗，主要選用板肋式錨桿擋墻進行永久性支護并分級設置，各級間由2 m寬錯臺連接，最大墻高19 m。基坑上覆人工填土自穩性差，巖質以泥巖、砂巖為主，表層易風化剝落。考慮到施工安全性，采用逆作法施工，即隨著開挖進程，由上往下分層、分段跳躍式支擋防護，典型斷面如圖4所示。

圖4 深基坑典型斷面

主要工序如下。

(1)邊坡開挖鉆孔

邊坡沿豎向分成3～5節。為確保施工進度，保證基坑壁穩定，根據邊坡巖土層的密實度情況，每一級開挖的土層高度不大于2.0 m；每節高度控制在5 m，水平方向按照每段15～20 m進行分段，分層分段跳槽開挖。

采用全高全封閉的扣件式雙排鋼管腳手架，每階腳手架用鋼筋連接錨固于巖體。此架既用于錨桿鉆孔、灌漿和混凝土的澆筑，又兼作安全防護。

錨桿施工時，操作層小橫桿間距按照300 mm加密搭設，上鋪跳板。為適應不同錨孔直徑，采用MGY-100B全液壓鉆機進行鉆孔，錨孔偏斜度不大于5%，鉆孔深度超過錨桿設計長度不小于50 cm。土質地段采用干作業法施工，巖石地層采用壓水鉆進法施工。根據地質條件控制鉆進速度，鉆至規定深度后繼續用水反復沖洗泥沙，直至溢出清水。

(2)錨桿制作

為滿足承載力要求，錨桿錨筋由1～6根HRB500級φ32鋼筋組成(最長為25 m，傾角15°)，以2.5 m(豎向間距)×2.0 m(水平向間距)布設，錨桿水平拉力設計值取標準值，根據《建筑基坑支護技術規程》，有

其中:Htk為錨桿水平拉力標準值/kN；Rk為錨桿極限抗拔承載力標準值，本次抗拉拔基本試驗得到錨桿體與巖土層間粘結強度特征值為220 kN；α為錨桿傾角/(°)；kt為錨桿抗拔安全系數，安全等級為一級的支護結構，kt≥1.8，本次施工取2.0。根據錨桿錨固段所處巖層風化形式的不同以及所構成錨筋根數的不同，其水平拉力標準值、錨孔直徑和錨固段長度如表3所示。

錨桿鋼筋為3根以下時，間隔2.0 m點焊成束，在錨桿下部焊φ10鋼筋船形支架，按2.0 m間距點焊設置，以確保錨桿不產生過大撓度且位于錨孔中部，同時保證錨桿周圍有足夠的水泥砂漿保護層。

錨桿鋼筋在3根以上時，將錨桿鋼筋制作成圓形，間隔2.0 m設置固定環，使鋼筋在錨孔內均勻布置，固定環采用12 mm厚的鋼板制作，每隔2.0 m設置一道。螺旋鋼筋直徑為8 mm，間距為10 cm，點焊于錨桿鋼筋的外側，以使錨桿鋼筋形成骨架。當錨桿鋼筋長度不足時，應采用機械連接。不同錨筋體構成的錨桿結構設計截面如圖5。

表3 錨桿參數

圖5 錨桿結構設計截面

(3)錨桿安設注漿

安設錨桿前，將錨桿順直、除銹、除油，保持錨桿的清潔。對重量較大的錨桿，采用機械吊裝。安裝時，需防止桿體扭壓和彎曲。為便于灌漿，將φ22聚氯乙稀塑料注漿管隨桿體綁扎，一同放入孔內至孔底150 mm處。錨桿安設于錨孔中心位置，砂漿保護層厚度不小于25 mm，同時不得損壞防腐層。本次設計的錨桿均為全粘接錨桿。

采用M35水泥砂漿，強度42.5 MPa的普通硅酸鹽水泥(水灰比為0.38～0.5)。采用一次灌漿法進行壓力注漿，壓漿壓力為500 kPa。

(4)肋柱與擋土板施工

本工程采用暗肋柱，按4 m間距嵌于擋土板后邊坡內，外表面與擋土板外表面平齊，澆筑時與擋土板同時施工。肋柱設置有0.4 m×0.4 m和0.5 m×0.6 m兩種不同截面，柱間設置0.2 m或0.4 m厚現澆混凝土擋土板，肋柱嵌入基坑底1 m，擋土板嵌入基坑底0.5 m。具體步驟如下。

①鋼筋安裝:擋土板鋼筋采用綁扎搭接，在肋柱和擋土板頂設置聯梁，肋柱及擋土板的鋼筋伸入聯梁頂，與聯梁上下層的鋼筋綁扎或焊接在一起。

②模板安裝:立模前，在基底鋪設50 mm的砂墊層，以便于上下層擋土墻的連接，同時將擋土墻中的主筋預留彎曲后埋入砂墊層中，待下層擋土墻施工時，將預留鋼筋扳直并與下層擋土墻主筋相連。

③混凝土澆筑:采用C25混凝土，抗滲等級不小于S10。分層澆筑振搗密實，強度達到設計強度的80%后進行下一層錨桿擋土墻施工。下一層錨桿擋土墻灌注至上一層錨桿擋土墻底部5～7 cm時停止灌注，待混凝土初凝后采用干硬性混凝土人工填塞密實，外露面用水泥砂漿抹平。

④伸縮縫的設置:沿基坑邊坡方向按15～20 m間距設置20 mm寬的伸縮縫，其位置在擋土板的中部或肋柱交界處，縫內采用瀝青麻筋填塞，深度不小于

20 cm。

⑤泄水孔:有地下水滲出點或邊坡面有裂隙的地段應設置泄水孔，采用φ50PVC管，按2.0 m上下間距、向外5%排水坡度設置。位于土層地段的泄水孔須設置反濾層(厚0.3 m的砂夾卵石)，巖層地段的泄水孔須設置反濾包。

3 工程效果及安全性監測

該基坑工程開挖與支護均已完成，在11個月的時間內，完成了136×104m3土石方開挖及基坑支護，除去惡劣天氣，平均爆破土石方量接近6 000 m3/d，共使用乳化炸藥約455 t，數碼電子雷管約105發。施工過程中錨桿安設和灌漿均很順利，周邊鄰近建筑物沉降、結構頂點水平位移和主體傾斜率小于控制標準。建筑物未出現新裂縫，整個支護結構表面平整美觀，施工及后續使用期間未出現邊坡滑塌等施工險情，有效保證了基坑的安全性，工程比原計劃工期提前一個月完成。具體監測內容包括巡視檢查、建筑物沉降和頂點水平位移觀測以及爆破振動監測。

3.1 建筑物沉降、測斜分析

選取鄰近建筑物從開挖至施工完成后一個月內的一組沉降監測和頂點水平位移數據進行統計計算，得到位移-時間變化曲線，如圖6所示。

圖6 鄰近建筑物沉降和結構頂點水平位移監測分析

可以看出，建筑物沉降量和水平位移量隨著基坑的開挖呈增大趨勢，最后趨于穩定，隨著與基坑邊坡距離的減小，沉降和水平位移明顯增大。施工期間，最大累計沉降值為3.16 mm，頂點最大累計水平位移值為8.5 mm，主體結構傾斜率i=ΔD/H=0.008 5/92.4=0.9×10-3，均產生在高層住宅E棟。巡視檢查表明，建筑物未出現明顯裂縫(其中:ΔD為結構頂點水平位移/m；H為建筑物結構高度/m)。根據《建筑基坑工程監測技術規范》，最大累計沉降控制變化量為10～60 mm，本工程取10 mm。根據《民用建筑可靠性鑒定標準》，框架剪力墻高層建筑頂點水平位移限制值為H/300=308 mm，考慮到周邊環境的特殊性，本工程取15 mm，主體結構傾斜率限值i=1.6×10-3。水平位移和傾斜率的監測結果均遠小于標準限值，表明建筑物均處于穩定狀態。

3.2 建筑物爆破振動監測

選取鄰近建筑物更為密集的二期基坑爆破開挖過程中建構筑物振動速度進行研究，統計分析某處工點在爆破過程中各監測點最大單孔藥量下的最大振速，結果如表4所示。

根據GB 6722—2014《爆破安全規程》，待保護建筑物的安全允許質點振動速度最小值為1.5 cm/s，結合本工程周邊環境復雜、基坑深度大的特點，對周邊高層建筑物的爆破振動控制采用1.0 cm/s，監測數據符合規定限值，對鄰近建筑物未造成危害。

表4 爆破振動監測結果

4 結論

(1)根據場地周邊環境和地質地層分布，合理安排施工順序，在確保工程質量和安全的同時，能夠有效地節省工期。

(2)所采用的數碼電子雷管淺孔臺階微差爆破技術，解決了普通非電導爆管雷管面臨的多孔同時起爆時振速疊加、振速超標、無法大規模起爆等問題。爆破時，周邊緊鄰建筑物振速在允許范圍之內。

(3)逆作法多筋體大直徑錨桿擋墻可有效保障施工期間臨近建筑物的安全，通過分區、分段的平行作業，將施工過程具體化、定量化，能夠極大地提高施工效率。