復(fù)雜條件下明挖技術(shù)“21字”設(shè)計(jì)施工基本原則

楊會(huì)軍, 孔 恒

(1. 中鐵六局集團(tuán)有限公司， 北京 100036； 2. 北京市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 北京 100045)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得了巨大成就，高層建筑、城市地鐵、管廊、地下停車場(chǎng)、大型交通樞紐等工程進(jìn)入大發(fā)展時(shí)期[1]。深大基坑越來(lái)越多，規(guī)模和建設(shè)難度越來(lái)越大，相應(yīng)地，深基坑的設(shè)計(jì)施工水平也取得巨大進(jìn)步，主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)理念的進(jìn)步、施工技術(shù)的進(jìn)步、機(jī)械化水平的提高、管理制度的完善和風(fēng)險(xiǎn)控制能力的增強(qiáng)等方面。

基坑工程屬于高風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)領(lǐng)域，工程地處城市繁華城區(qū)，對(duì)周邊環(huán)境的保護(hù)要求很高，地表沉降、建構(gòu)筑物變形控制指標(biāo)都很嚴(yán)格，這就對(duì)基坑設(shè)計(jì)施工提出了嚴(yán)格的變形控制要求[2-4]。文獻(xiàn)[5-8]采用三維有限元計(jì)算的方法分析了復(fù)雜條件下的基坑設(shè)計(jì)。但是，在復(fù)雜條件下，由于土層軟弱、地下水豐富及基坑周邊環(huán)境條件的多樣性和復(fù)雜性，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、支撐體系的設(shè)計(jì)施工會(huì)出現(xiàn)偏松或偏緊的情況。覃亞偉等[9]針對(duì)武漢地鐵2、4號(hào)線工程的基坑突涌、側(cè)壁流土和老黏性土遇水軟化等地下水問(wèn)題進(jìn)行探討，并提出控制措施。王國(guó)富等[10]利用多屬性決策模型將各種基坑支護(hù)方案目標(biāo)值的優(yōu)基數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和計(jì)算，確定最優(yōu)方案。霍曉波等[11]研究了地下水對(duì)基坑支撐體系的影響，并進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析與優(yōu)化。

基坑工程中保證環(huán)境安全和工程安全、控制施工質(zhì)量是從事基坑工作的技術(shù)與管理人員應(yīng)遵守的基本原則。目前明挖法施工的基本原則大多數(shù)都圍繞開(kāi)挖支護(hù)而言，如分層、分段、分塊，對(duì)稱、均衡開(kāi)挖，隨挖隨撐、先撐后挖、嚴(yán)禁超挖等原則和要求[12-13]。本文結(jié)合多年來(lái)明挖施工經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)梳理明挖法設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)，提出復(fù)雜條件下明挖技術(shù)“21字”設(shè)計(jì)施工基本原則。

1 明挖技術(shù)“21字”設(shè)計(jì)、施工基本原則

1.1 強(qiáng)圍護(hù)

基坑支護(hù)是為保證基坑開(kāi)挖支護(hù)、地下主體結(jié)構(gòu)施工安全以及施工過(guò)程中周邊環(huán)境的安全而采用的臨時(shí)性支擋、加固、保護(hù)措施。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為臨時(shí)性支擋措施，在基坑開(kāi)挖支護(hù)、地下主體結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

1.1.1 合理設(shè)計(jì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)

應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件、環(huán)境條件及施工方法、主體結(jié)構(gòu)形式等合理選擇基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式。無(wú)水或巖石基坑宜選用挖孔樁、土釘墻或噴錨支護(hù)等支護(hù)型式； 地下水位較高和變形要求嚴(yán)格的地層宜選用排樁、地下連續(xù)墻或水泥土墻等支護(hù)型式； 當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為主體地下結(jié)構(gòu)時(shí)選擇地下連續(xù)墻；圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式應(yīng)與地下水控制結(jié)合考慮，為保護(hù)周邊環(huán)境，宜采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)截?cái)嗷觾?nèi)外水力聯(lián)系。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的入土深度對(duì)基坑的穩(wěn)定性影響很大，主要和地質(zhì)條件、基坑深度、形狀、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐體系形式、周邊環(huán)境條件、地下水控制等因素有關(guān)。作為擋土結(jié)構(gòu)，應(yīng)保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)的入土深度滿足各項(xiàng)穩(wěn)定性和強(qiáng)度要求；作為隔水帷幕，入土深度需要根據(jù)地下水控制要求確定。

1.1.2 深基坑安全要保證

圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅與土體的結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)、地下水位等因素有關(guān)，還與土體上方的外荷載、圍護(hù)型式、形狀、剛度、土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)的接觸條件和相對(duì)位移、基坑開(kāi)挖方法等因素有關(guān)。因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算至關(guān)重要，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選型、設(shè)計(jì)參數(shù)選取等方面，應(yīng)綜合地層、地下水、周邊環(huán)境等因素，做到寧強(qiáng)勿弱，突出加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.1.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量要保證

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量非常重要，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量問(wèn)題帶來(lái)的基坑安全事故舉不勝舉，因此，應(yīng)加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量控制，保證強(qiáng)度、尺寸、位置、防水效果等滿足要求。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工中，應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、施工工藝、操作規(guī)程等精心施工。起止水作用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)尤其要加強(qiáng)接縫部位的施作質(zhì)量。

1.2 精控水

基坑開(kāi)挖首先要解決地下水的問(wèn)題，很多地方在限制降水施工，這就要求既要滿足基坑工程無(wú)水作業(yè)，也要求盡可能少降水，這樣做也能減小地表沉降，從而降低對(duì)周邊環(huán)境的影響。精控水就是要做到精確控制地下水，包括深刻認(rèn)識(shí)地下水的賦存特征、補(bǔ)給條件等因素，在此基礎(chǔ)上，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)控水方案，施工中加強(qiáng)控水措施的施工質(zhì)量，并加強(qiáng)地下水的監(jiān)測(cè)和分析，實(shí)施信息化施工。

1)地下水控制應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、基坑周邊環(huán)境要求及圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式選用截水、降水、集水明排方法或其他組合[14]。

2)當(dāng)降水會(huì)對(duì)基坑周邊建構(gòu)筑物、地下管線、道路等造成危害或?qū)Νh(huán)境造成長(zhǎng)期不利影響時(shí)，應(yīng)采用截水方法控制地下水。采用懸掛式帷幕時(shí)，應(yīng)采用坑內(nèi)降水，宜根據(jù)水文地質(zhì)條件結(jié)合坑外回灌措施，并滿足穩(wěn)定性要求。落底式截水帷幕應(yīng)進(jìn)入基底以下足夠長(zhǎng)度，以確保形成可靠的隔水邊界，滿足基坑滲透穩(wěn)定性要求[14]。

3)當(dāng)采用地下連續(xù)墻結(jié)合坑內(nèi)降排水方案時(shí)，可在每幅墻之間的接縫部位施作加強(qiáng)的止水措施。應(yīng)先探后挖，接縫部位如有滲漏水現(xiàn)象，應(yīng)先處理，達(dá)到止水要求后再開(kāi)挖土方。

4)深刻理解地層條件、地下水賦存特征，選擇合理的降水方法。降水系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括降水井井深、井?dāng)?shù)、井距、井的結(jié)構(gòu)及單井出水量等。

5)降水運(yùn)行管理要點(diǎn)?；又車c(diǎn)應(yīng)對(duì)稱、同時(shí)抽水，使水位差控制在要求限度內(nèi)；井點(diǎn)系統(tǒng)應(yīng)采用雙線路，防止中途停電或發(fā)生其他故障，影響排水，必要時(shí)設(shè)置能滿足施工要求的備用發(fā)電機(jī)組；定期檢測(cè)抽排水中的含沙量，遠(yuǎn)期含沙量要滿足要求；動(dòng)態(tài)降水運(yùn)行，控制地下水位在開(kāi)挖面以下0.5 ～1 m，滿足無(wú)水作業(yè)要求。

1.3 快開(kāi)挖

基坑開(kāi)挖是基坑工程的關(guān)鍵工序，土方開(kāi)挖要按照“分層、分段、分塊，對(duì)稱、均衡開(kāi)挖，先撐后挖、嚴(yán)禁超挖”的原則進(jìn)行。在軟弱地層、周邊環(huán)境復(fù)雜情況下，還要體現(xiàn)快速開(kāi)挖，一旦進(jìn)行開(kāi)挖，原則上應(yīng)盡可能少停工，以盡快支撐，減少對(duì)周邊環(huán)境的影響。

1)基坑周圍地面應(yīng)采取硬化和截排水措施，防止雨水等地面水流入坑內(nèi)。

2)開(kāi)挖前，圍護(hù)結(jié)構(gòu)接頭部位應(yīng)先探后挖，如有滲漏水，必須處理后方可開(kāi)挖。軟土地層應(yīng)限制每層開(kāi)挖厚度、長(zhǎng)度、坡度等參數(shù)。

3)軟弱地層中開(kāi)挖，應(yīng)快挖快支，盡量縮短開(kāi)挖和支護(hù)之間的時(shí)間間隔。

4)嚴(yán)禁超挖。避免由于基坑超挖使圍護(hù)結(jié)構(gòu)、支撐體系受力狀態(tài)大大超過(guò)設(shè)計(jì)能力而使基坑垮塌的工程事故。

5)基坑開(kāi)始開(kāi)挖后，不應(yīng)中途停工時(shí)間太長(zhǎng)，尤其是臨近坑底時(shí)，基坑的風(fēng)險(xiǎn)很大，不應(yīng)停止施工，以免由于基坑的空間和時(shí)間效應(yīng)以及周邊的附加荷載作用而對(duì)基坑的安全和周邊環(huán)境的安全產(chǎn)生不利影響。

1.4 早支撐

1)支撐體系選擇要合理。寬度大的基坑要考慮支撐的穩(wěn)定性和彎曲變形等。寬度小的基坑可選擇水平橫撐。地層條件差、基坑形狀復(fù)雜或環(huán)境保護(hù)要求高時(shí)，第1道橫撐應(yīng)優(yōu)先考慮采用混凝土支撐。水平橫撐在支點(diǎn)部位應(yīng)增加八字撐等，以減小受壓長(zhǎng)度、增加約束，提高基坑的穩(wěn)定性。鋼筋混凝土支撐施工見(jiàn)圖1。

2)及時(shí)支撐?；又螒?yīng)體現(xiàn)“隨挖隨撐、先撐后挖”，及時(shí)架設(shè)支撐，就能極大地減小地表沉降，從而減小對(duì)周邊環(huán)境的影響，因此，支撐架設(shè)一定要盡可能早。鋼支撐施工見(jiàn)圖2。

圖1 鋼筋混凝土支撐施工

圖2 鋼支撐施工

3)支撐體系安全質(zhì)量要有保證。當(dāng)基坑開(kāi)挖面上方的錨桿、土釘、支撐未達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，嚴(yán)禁向下超挖土方。預(yù)加軸力前，要檢查鋼支撐安裝是否牢固、穩(wěn)定，合格后逐級(jí)施加軸力，預(yù)加軸力取支撐軸力的0.5～0.8倍； 同時(shí)，要有防止鋼支撐墜落的措施。

1.5 速封閉

一般情況下，基坑開(kāi)挖到坑底時(shí)內(nèi)力與變形量最大，也是基坑風(fēng)險(xiǎn)最大的時(shí)候，一定要快速封閉。開(kāi)挖到底板標(biāo)高時(shí)，預(yù)留30 cm人工開(kāi)挖，以減小對(duì)基底的擾動(dòng)?；娱_(kāi)挖到底后，應(yīng)及時(shí)清底驗(yàn)槽，澆筑墊層封閉基坑，實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖面快速封閉，減少地基土的暴曬時(shí)間，防止暴曬或雨水浸泡而破壞地基土的原狀結(jié)構(gòu)，防止底板隆起和管涌，并迅速施作結(jié)構(gòu)底板(見(jiàn)圖3)。

1.6 勤量測(cè)

基坑開(kāi)挖支護(hù)施工中，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移、地表沉降、地下水位、支撐軸力、建構(gòu)筑物變形、地下管線沉降等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)采集數(shù)據(jù)，及時(shí)分析，及時(shí)反饋，及時(shí)指導(dǎo)施工。

1)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工。監(jiān)控量測(cè)是施工的核心，必須認(rèn)真、快速獲取結(jié)果，掌握基坑的變化特點(diǎn)。深基坑工程，在基坑開(kāi)挖過(guò)程與支撐體系使用期間，必須進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)、支撐體系和基坑開(kāi)挖影響范圍內(nèi)建構(gòu)筑物、地表、地下管線沉降的監(jiān)測(cè)，實(shí)施動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工。尤其要重視開(kāi)挖到底時(shí)基坑和地層的穩(wěn)定性，這往往是塌方、變形的最危險(xiǎn)時(shí)間的區(qū)段。

圖3 底板鋼筋綁扎施工

2)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)巡查。對(duì)基坑開(kāi)挖工作面、周邊環(huán)境開(kāi)展施工巡查，重點(diǎn)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)接頭部位、支撐體系、土方開(kāi)挖面、坑邊堆載、周邊建(構(gòu))筑物、地下管線等進(jìn)行巡查，發(fā)現(xiàn)異常要及時(shí)采取措施。

1.7 少擾動(dòng)

在基坑工程設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，通常要考慮基坑附近地面上作用的荷載，如車輛質(zhì)量、建筑材料和渣土堆載、門(mén)吊或吊車起吊荷載等，這些荷載為地面超載，它們的存在增加了圍護(hù)結(jié)構(gòu)主動(dòng)土壓力(見(jiàn)圖4)[14]。

圖4 基坑水平位移-深度曲線

Fig. 4 Curves of relationship between horizontal displacement and depth of foundation pit

城市地鐵車站地處繁華城區(qū)，交通繁忙，距離基坑工程近，交通動(dòng)載對(duì)地層擾動(dòng)大，尤其當(dāng)基坑開(kāi)挖后，附加荷載產(chǎn)生的影響很大。圖4為某地鐵車站基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層土體水平位移-深度曲線，該基坑開(kāi)挖深度約19 m，地面以下分布粉土層、粉細(xì)砂層、中砂層，基坑邊5 m為交通道路，可以看出地面5 m以下至坑底以上范圍內(nèi)的水平位移較大。

因此，采取如下措施減小動(dòng)載擾動(dòng)。

1)限制坑邊堆載。坑邊堆載應(yīng)距基坑上部邊緣不少于2 m，高度不應(yīng)超過(guò)1.5 m，并且不能超過(guò)設(shè)計(jì)荷載值。在軟土地區(qū)不宜在基坑邊堆載。

2)限制坑邊動(dòng)荷載。對(duì)于粉、細(xì)砂土，坑頂一定范圍內(nèi)禁止設(shè)置振動(dòng)大的施工機(jī)械，嚴(yán)格控制過(guò)往車輛次數(shù)和載重量，一般在通過(guò)路段，可設(shè)置限高架來(lái)控制大型車。也可根據(jù)不良地質(zhì)的深度、與基坑的關(guān)系、圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式等，采用相應(yīng)的措施。

2 結(jié)論與建議

1)結(jié)合明挖基坑施工經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)提出復(fù)雜條件下明挖技術(shù)“21字”設(shè)計(jì)施工基本原則： 強(qiáng)圍護(hù)、精控水、快開(kāi)挖、早支撐、速封閉、勤量測(cè)、少擾動(dòng)。

2)對(duì)于軟弱地層、地下水豐富、地處復(fù)雜環(huán)境的基坑工程，設(shè)計(jì)方面要強(qiáng)調(diào)“寧強(qiáng)勿弱、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)”的理念。

3)嚴(yán)格施工工藝、嚴(yán)格施工管理，加強(qiáng)信息化施工。

4)地處交通繁華地區(qū)的軟土地層明挖基坑，交通動(dòng)載的擾動(dòng)影響大，應(yīng)采取相關(guān)措施減小擾動(dòng)。