復雜地質環境下深基坑特殊節點組合支護施工技術應用

晉 斌 郭彥冬 鄭志超

(山西四建集團有限公司，山西 太原 030012)

0 引言

隨著國家經濟的高速發展,地下空間利用率日漸增高，同時資源、能源及環境污染問題正成為制約經濟增長的主要原因。目前我國現代城市修建的工程，多數基坑開挖均靠近建筑物紅線施工，周邊臨近建筑物多、地質復雜導致基坑形狀復雜，基坑圍護結構施工作業面不足等問題。常用的地下連續墻或混凝土灌注樁支護+止水帷幕等支護結構占地寬，工程造價較高，對環境及周邊建(構)筑物有一定影響，且污染較大。本文提供了不一樣的解題思路和方法，供同行參考。

1 工程概況及特點

1.1 概況及特點

該工程位于山西中醫學院附屬醫院內，施工場地狹小。基坑北臨紡織街，南面有6 m寬的既有道路，南側偏西位置開挖后該道路僅剩3 m，外側為在用的鋼質化糞池(深度約4 m，該化糞池頂板局部外露)。基坑東側的水泵房，是20世紀80年代老舊磚混建筑，因供應整個醫院的水循環系統不可拆除，施工中水泵房不可有位移與裂縫，自冠梁頂以下水泵房底部有2.2 m范圍為地下埋置部分。

基坑開挖深度9 m；靠近汾河，地下水位在-2.4 m～-3.2 m。

1.2 技術難點

1)基底標高為-9.27 m，基坑開挖深度達9 m，屬深基坑施工，加上地下水位高，降水深度較深，周邊環境復雜，對變形要求高(要求水泵房及熱力站施工期間還必須保證正常運行，以此保證醫院的正常運營)。

本著安全、經濟可行的原則，針對不同的部位，采取針對性的支護方式，整個基坑支護結構含灌注樁、型鋼水泥土復合攪拌樁支護、內支撐、冠梁等。

2)支護種類多，必要的工藝技術間隙時間長，需組織較多的機械設備及作業人員進行同步作業，如何避免施工時的相互干擾是本工程又一難點，這就需要對施工現場進行科學、合理地布置，同時加強施工調度指揮與協調工作。

3)內支撐鋼格構柱在支護樁中的嵌固應滿足垂直度的要求，應采取必要的技術，措施保證鋼立柱各邊與對應支撐主軸線嚴格垂直或平行。

1.3 關鍵環節

1)止水帷幕應嚴格控制施工質量，不得漏水，以免影響基坑土方開挖和基坑安全。

2)地處醫療環境，土方外運白天不能進行，只能在夜間進行；基坑內運輸坡道在基坑南側，南側坡道區域及支撐下方的土方開挖及運輸只能采用多級接力挖運方式。

3)土方開挖時對土方作業人員交底到位，保證機械不碰撞支護結構及工程樁。基礎施工階段做好基坑變形監測，發現異常立即停止施工，查明原因并采取有效措施后方可繼續施工。

4)雨季施工時，土方開挖前應保證基坑四周排水順暢，開挖后應及時掛網噴混凝土，避免雨水沖刷坑壁，造成基坑坍塌。

2 工藝原理

SMW工法是利用專門的多軸攪拌就地鉆進切削土體，同時在鉆頭端部將水泥漿液注入土體，經充分攪拌混合后，在各施工單位之間采取重疊搭接施工，在水泥土混合體未結硬前再將H型鋼或其他型材插入攪拌樁體內，形成具有一定強度和剛度的、連續完整的、無接縫的地下連續墻體，該墻體可作為地下開挖基坑的擋土和止水結構。最常用的是三軸型鉆掘攪拌機。其主要特點是構造簡單，止水性能好，工期短，造價低，環境污染小，特別適合城市中的深基坑工程。

工具式預應力組合內支撐支護是為了減少圍護壁的側向變形或防止圍護壁倒塌，在深基坑圍護壁上一定位置(高度)，設置鋼內撐，以提高圍護壁抗主動土壓力的能力。為了減少變形在鋼內撐一端施加預應力。其內撐體系由預應力活絡端、格構柱、主內撐桿(鋼管支撐GZC)、聯系桿(LXG)、斜聯系管(XLXG)等桿件組成。受自重和施工荷載的作用，主內撐桿同時亦是一個壓彎桿件，為減少主內撐桿件的計算長度，提高其安全度，在垂直主內撐桿軸線方向，設置若干個格構柱和柱樁，以承擔主內撐桿自重。

3 關鍵技術

3.1 復雜地質環境深基坑應力應變監測與BIM技術相結合技術

監測點平面位置的關鍵是放樣點與樁位關系的坐標計算，手工計算麻煩且易出錯，目前大多采用AutoCAD軟件標注坐標，這就需要對現有的CAD文件進行確認，并判斷是利用該文件還是自己繪制。本施工方法是在選定CAD圖后，把CAD平面圖鏈接至Revit軟件，建立三維模型(見圖1)，通過設置參照平面和參照線，標注出需要監測埋置點的視圖坐標，把視圖坐標轉換為測量坐標并生成全站儀識別的數據文件，通過數據線傳輸到全站儀內存卡，放樣時只需調用即可，既節省輸入大量數據的時間，又減少出錯的概率。

通過使用AutoCAD和Revit軟件，從平面和三維對支護樁受力變形點及應力應變監測埋置點進行綜合分析，更直觀地獲取需要埋置點的坐標數據(如表1所示)。嚴格控制應力應變監測設備在支護樁埋置點的深度、平面位置和支撐應力應變監測點位置，以確保于安裝埋設時位置正確(如圖2所示)。依托BIM技術提前發現布設的應力應變埋置點是否能有效合理的對深基坑安全進行監測，結合土體模型和參數已定的情況下利用有限元模擬預測其變形，避免了因埋置點對基坑起不到有效監測作用而進行深層水平位移監測施工等情況。既縮短了工期又節約了成本。

表1 支護樁應力應變內力監測日報表

通過應力應變監測與BIM相結合技術，有效提高了深基坑工程監測精準度，加快監測進度，并能及時體現出在水平位移及豎向位移監測中發生深層支護、支撐的輕微應力應變，通過監測報表繪制位移曲線圖提前發現問題做出應對措施，避免事故發生。確保基坑及周邊建筑、地上地下管線的安全。

3.2 鋼支撐應力緩沖冠梁后換砂軟處理技術

由于周邊環境及地質復雜，綜合支護研究過程中充分考慮基坑東側支護冠梁與水泵房距離僅有0.8 m，水泵房為醫院20世紀80年代的老舊磚混建筑，目前供應整個醫院的潔凈水，室內縱橫管路較多，施工中水泵房不可有位移與裂縫，否則會造成管路損壞，且自冠梁頂以下水泵房底部有2.2 m范圍為地下埋置部分。

如果按原設計正常施工的話，當北側支護發生水平位移時傳遞到鋼支撐上，鋼支撐的水平斜向荷載隨即會傳遞到東側支護冠梁，當鋼支撐的水平力大于東側支護向基坑內部的水平力和支護本身的初期抵抗水平力的值時，東側支護便會向基坑外進行位移將力傳遞到水泵房上，可能致使水泵房位移裂縫或坍塌，使得整個醫院和學校潔凈水無法正常供應。

為避免老舊水泵房損壞造成醫院無法正常運行，進行了鋼支撐應力緩沖冠梁后換砂軟處理技術的研究(見圖3)。如果僅僅把這塊挖空而不進行換填的話水泵房結構是沒有影響，但不能滿足支護側限要求，通過有限元綜合分析，對冠梁外側與水泵房之間使用粗砂換填，當支護向外側進行水平位移時，粗砂換填作為緩沖，避免支護與水泵房剛性受力破壞水泵房結構。同時也滿足了支護側限受力(見圖4)。

3.3 復雜地質環境下拐角特殊節點處理

當三軸帷幕順時針作業到拐角處時由于轉角處基坑距離周邊建(構)筑物過近、三軸機械本身龐大、轉角角度等原因，導致基坑拐角處出現三軸水泥土攪拌樁無法正常施工的情況，針對這種情況根據設計圖紙要求及現場踏勘確定處理辦法，拐角處提前將三軸機械旋轉角度，即原三軸機械車頭朝西提前旋轉為車頭朝北，拐角處三軸帷幕施工幅數增加位置為基坑西側靠北、基坑內壁齊平向西延伸增加作業范圍。當拐角處相鄰基坑外側有下埋管線或其余影響施工情況時，拐角處三軸帷幕施工幅數增加位置為向基坑內側增加60 cm向外側增加60 cm，即三軸水泥土攪拌樁外側、內側局部突出，與上述做法不同，當土方開挖時再將基坑內側三軸增加幅數位置由人工破鑿挖除(見圖5)。

對因三軸機械在狹小拐角無法施工提出了技術創新思路，并成功實施。當三軸作業到拐角處時由于轉角處基坑距離周邊建(構)筑物過近、三軸機械本身龐大、轉角角度等原因，導致基坑拐角處出現三軸水泥土攪拌樁無法正常施工的情況，針對這種情況利用三軸機械提前轉角移位進行咬槎施工，基坑外側凸出內壁齊平，既能保證后續工序順利施工，又能避免帷幕出現冷縫。

3.4 狹小區域SMW施工冷縫處理

1)由于周邊環境及地質復雜，導致基坑呈異形狀，且靠近建筑物地段應嚴格控制攪拌樁施工速率，拐角處機器調轉非常緩慢且太原市常出現重污染天氣橙色預警要求停工，通常冷縫便產生在了拐角位置，針對這些情況制定了拐角處冷縫補強措施：相鄰樁施工時間不宜超過24 h，如超過24 h應放慢攪拌速度。若無法搭接或搭接不良，應作為冷縫記錄在案，并經設計、建設單位認可，在搭接處采用高壓旋噴工藝進行加強處理。靠近建筑物地段應嚴格控制攪拌樁施工速率，控制24 h工作量不多于6幅，每日對周邊建筑進行沉降觀測，確保周邊建筑物安全。

2)施工的關鍵在于如何保證樁身的強度和均勻性。在施工中應加強對水泥用量和水灰比的控制，確保泵送壓力。

4 結語

采用這種特殊節點組合支護施工技術施工時噪聲相對較小，可進行夜間施工不需考慮錨索施工對周邊建筑、地下管線造成沉降、穿裂等影響,多數構件具有可回收再利用的特點，大大降低施工成本，有效提高了基坑工程監測精準度，加快監測進度，解決了因深層支護、支撐輕微應力應變在水平位移及豎向位移監測中沒能及時體現出來而導致的基坑事故。應力應變監測系統，節約了后期深層水平位移監測的施工成本，降低了構件安裝的機械及人工成本，避免了由于精度誤差、荷載傳遞時間導致基坑事故發生。同時通過對復雜地質環境下拐角特殊節點處理、狹小區域SMW施工冷縫處理、鋼支撐應力緩沖冠梁后換砂軟處理技術的研究應用，有效提高了工程進度及保證了基坑工程、周邊重要建筑的安全。