城市狹窄環境下基坑支護體系的優化設計與施工研究

李明

（江西省地質工程（集團）公司，南昌 330029）

1 概況

1.1 工程概況

某綜合樓基坑場地位于南昌市城區鬧市區，規劃建筑面積約17 880 m2，工程綜合樓28層，建筑物采用框剪結構，設計地下室1層。基坑平面尺寸為近似梯形，約150 m×60 m×45 m，基坑開挖深度6.8 m，標高24.76 m，屬大型較深基坑，基坑設計等級為二級。

1.2 基坑周邊環境條件

擬建綜合樓北側為城市道路，并緊靠人行道圍墻，基坑邊線距圍墻最近處僅為2 m，且圍墻外人行道布有煤氣及電信管線，埋深1.5 m，最里側通訊管線距基坑邊線3.5 m，距煤氣管道4.5 m。東側為1棟8層老式建筑，緊靠圍墻，基坑邊線距圍墻最近處僅為3.0 m，距建筑物約6 m；西南兩側為拆遷空地，雖有大量各式建筑，但距離基坑邊線最小距離20 m以上，場地較為寬松。場地平面如圖1所示。

圖1 場地平面示意圖

1.3 工程水文地質條件

1.3.1 工程地質條件

根據該項目的《巖土工程勘察報告》，場地地層自上而下詳述如下。

1）人工填土

①雜填土：黃褐色、稍濕、松散。主要由建筑垃圾組成，近期堆填，未經壓密處理，結構松散，揭露層厚0.50～1.50 m。

2）第四系上更新統沖積層

②粉質黏土：黃褐色、稍濕、可塑，無搖振反應，稍有光澤，少許鐵錳質，中等韌性，揭露層厚3.50～6.30 m；③細砂：黃褐色、稍濕、稍密。揭露層厚1.90～4.80 m；④粉質黏土：灰色，軟塑狀。揭露層厚1.00～2.60 m；⑤中砂：黃褐色，稍濕~飽和，中密。揭露層厚11.0～12.0 m。

1.3.2 水文地質條件

上層滯水：主要賦存于上部①雜填土層中，勘察期間水位埋深3.80～8.50 m，水位標高21.40～21.60 m，水位及水量受季節性變化影響大。

第四系松散巖類空隙承壓水：主要賦存于第四系上更新統砂礫層中，具承壓性，勘察期間水位埋深9.70～10.00 m，水位標高12.30～12.70 m，受贛江地表水體側向補給，補給條件好，水量豐富，水位受季節變化，總體承壓水位埋深較深。

2 基坑設計

2.1 設計依據

1）本工程的巖土工程勘察報告；

2）有關基坑設計計算規范及規程：（1）JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》；（2）GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》；

3）本基坑按二級基坑設計。

2.2 基坑支護方案的優化選擇

2.2.1 工程難點

該基坑平面尺寸約150 m×60 m×45 m，深度6.8 m，屬大型深基坑，特別是北鄰圍墻及道路、煤氣管道及通信線路，東鄰老式8層樓房，基坑設計除要滿足地下室建筑的施工要求外，如何保證基坑變形不影響周邊鄰近建筑和道路管線的安全，是本工程的主要難點。

2.2.2 支護設計方案的優化確定分析

1）懸臂鉆孔擋土樁+角撐支護設計方案分析

支護方案有多種形式，在本工程開挖深度及工程水文地質條件下，先考慮采用的懸臂式鉆孔擋土樁+鋼管角支撐方案，由于鉆孔樁剛性大，加之在易變形的基坑轉角處設計鋼管角支撐，抵抗主動土壓力之水平向側彎矩能力強，支護效果最好，但卻無法滿足局部狹窄區段（圖1中DE段和EF段）擋土樁成孔鉆機設備施工泥漿循環系統對場地的占地要求，且該方案施工成本相對較高，工期也無法滿足合同要求，因此，本設計放棄此設計方案。

2）錨桿式支護設計方案分析

根據基坑的開挖深度、場區工程地質參數、水文地質情況以及基坑周邊環境等條件，基坑開挖深度范圍：（1）除上部0.8 m的素填土外，大部處在黏性土層，該層內聚力大，主動土壓力之側向水平彎矩相對較小。（2）下部的細砂層基本處在坑底部1.2 m以下，無坑底以上主動土壓力，對增大整體主動土壓力的彎矩極值影響不大。（3）地下水位在工程擬建期間水位較低，位于基坑底部有相當深距，不會侵入錨固支護范圍影響錨桿對圍體之拉結錨固力，從而造成圍體支護能力的降低。但設計時必須考慮最不利工況，假設地下水會大幅上漲而采取降水措施控制水位在坑底以下0.5 m，即最大水位相對標高7.30 m作為主動壓力設計前提條件。（4）考慮基坑東側相鄰樓房、北側相鄰道路管線施工場地狹小的因素，本著安全、快速施工及經濟性的原則，綜合比較，最終決定采用布置形式靈活的錨桿式支護設計方案。設計時，錨桿支護深度、角度會在相鄰路面以下深度范圍避開煤氣、電信管線及多層樓房基礎位置，從而在設計上確保周邊環境的安全性。

2.3 基坑支護方案設計

2.3.1 基坑巖土力學參數

基坑土壓力計算引用的巖土力學參數見表1。

表1 基坑巖土地層力學參數表

2.3.2 支護方案設計

1）方案總體

基坑按穩定控制設計計算確定。東側及北側緊靠圍墻、管線及8層樓房，DE段、EF段土釘墻支護面的坡度控制為i=1∶0.3，自上而下設置5排錨桿；西南兩側側場地較為寬松，FA段、ABCD段土釘墻支護面坡度適當放緩，控制坡度i=1∶0.5，自上而下設置5排錨桿。地下水位較深，在基坑面以下，不予考慮。

2）具體方案設計

DE段、EF段錨桿設置參數：土釘墻支護面坡度為1∶0.3，錨桿孔孔徑100 mm，傾角為10°，5排錨桿支護，分別為：

第一排：設置深度1.2 m，錨桿長度4.0 m，水平間距1 400 mm，錨桿采用1根φ22 mm螺紋鋼；

第二排：設置深度2.6 m，錨桿長度6.0 m，水平間距1 400 mm，錨桿采用1根φ22 mm螺紋鋼；

第三排：設置深度4.0 m，錨桿長度7.0 m，水平間距1 400 mm，錨桿采用1根φ22 mm螺紋鋼；

第四排：設置深度5.4 m，錨桿長度9.0 m，水平間距1 400 mm，錨桿采用1根φ22 mm螺紋鋼；

第五排：設置深度6.6 m，錨桿長度5.0 m，水平間距1 400 mm，錨桿采用1根φ22 mm螺紋鋼。

DE段、EF段錨桿設置參數如圖2所示。

圖2 DE段、EF段錨桿設置參數圖

FA、ABCD段錨桿設置參數：土釘墻支護面坡度為1∶0.5，錨桿孔孔徑100 mm，傾角為10°，5排錨桿支護，分別為：

第一排：設置深度1.2 m，錨桿長度4.0 m，水平間距1 400 mm，錨桿采用1根φ22 mm螺紋鋼；

第二排：設置深度2.6 m，錨桿長度5.0 m，水平間距1 400 mm，錨桿采用1根φ22 mm螺紋鋼；

第三排：設置深度4.0 m，錨桿長度6.0 m，水平間距1 400 mm，錨桿采用1根φ22 mm螺紋鋼；

第四排：設置深度5.4 m，錨桿長度6.0 m，水平間距1 400 mm，錨桿采用1根φ22 mm螺紋鋼；

第五排：設置深度6.6 m，錨桿長度4.0 m，水平間距1 400 mm，錨桿采用1根φ22 mm螺紋鋼。

2.4 支護設計安全性驗算

根據地層及環境條件，錨桿分布置5道，分層開挖設置，基坑最大開挖深度工況剖面計算圖如圖3所示。

圖3 最大開挖深度工況剖面計算圖

計算結果：

1）滑動圓心：（1.03，0.00）m；

2）滑動半徑：11.23 m；

3）下滑力：630.3 kN/m；

4）抗滑力：842.5 kN/m；

5）土釘抗滑力：0.0 kN/m；

6）整體穩定安全系數：1.34；要求安全系數：1.30，滿足要求，設計方案可行。

3 基坑支護施工

3.1 基坑開挖

整個基坑按錨桿位置分5層開挖，并按設計將基坑面修成i=1∶0.3或1∶0.5坡度。每層開挖至錨桿標高以下20 cm停挖，復核每排錨桿的水平標高后，按設計的錨桿水平間距要求進行布孔。

3.2 錨孔成孔

錨桿鉆機就位后，按設計傾角以150 mm的孔徑鉆至超過設計深度0.3～0.5 m，遇淤泥層及砂層等易塌孔地層時，采用泥漿循環護壁或套管跟進鉆進。鉆孔深度達到設計要求后，由有關部門對孔深進行查驗，并做詳細、完整的鉆孔記錄。

3.3 錨桿施工

在6.8 m垂直高度范圍內，待每層開挖后，由上而下，按設計垂直間距分別打入5排水平傾角度為10°的φ22 mm螺紋鋼錨桿，所有錨桿水平間距1.4 m，相鄰上下層錨桿水平錯開0.7 m布置。待錨桿打入坑壁錨孔中后，進行錨桿注漿，采用水泥漿或水泥砂漿壓入護坡土層中膠結土質，以達到穩定土層的目的。為提高粉細砂層錨桿摩阻力，自上而下第四排、第五排采取二次注漿，注漿壓力0.5 MPa。

3.4 坡面護面

錨桿施工完成7 h后，護坡中水泥漿土質終凝后再進行坡面鋼筋混凝土網面支護。具體方法為：以錨桿為支點，焊接φ14mm的主加強筋網格，再在加強筋網格上加密布設φ6.5 mm@200 mm×200 mm鋼筋網格。網格布設完畢后，對布筋的整個坡面噴射澆筑混凝土，噴射混凝土厚度為100 mm，強度等級C20，配合比按水泥∶砂∶石=1∶2∶2，水灰比0.4～0.45。形成鋼筋網格做骨架的鋼筋混凝土護坡層，能有效地對坡面進行支護。坡面噴射混凝土澆筑完成后，要及時覆蓋或直接灑水養護，養護時間不少于7 d。

4 施工質量控制

4.1 控制措施

1）施工中錨索安裝平面位置偏差不得大于50 mm。

2）鉆機上應鋪墊木方或木板，確保鉆機放置平衡，避免在成孔過程中因此而產生較大的晃動，影響成孔質量。

3）鉆機的鉆桿應用羅盤儀進行校核，偏差不得超過±1°，發現偏差時應立即校正。

4）為了保證成孔的深度，鉆孔的深度應比設計深度深20～30 cm。

5）在土質較差的地層中施工時，采用套管跟進護壁成孔。

6）錨桿要嚴格按照施工圖的有關直徑、長度的要求進行下料，定位器的焊接位置準確。

7）錨桿的焊接，必須經焊接試拉試驗合格后方可正式進行施工。焊接過程要及時清渣，焊縫表面光滑平整，焊縫飽滿。

8）嚴格按設計的水泥漿配合比制作水泥漿，不能存在小團粒，且必須用篩網過濾以防堵塞注漿泵。

9）錨桿灌漿前，必須保證洗孔質量，孔內要流出清水方為合格，以免孔中泥漿過多影響水泥漿的強度。

10）錨桿灌漿時，要在孔口出漿后方可將灌漿管逐步往外拔出，漿管必須待灌漿回流出新鮮濃漿時拔出，以確保孔內水泥漿液體的飽滿度。由于水泥漿凝固時會收縮，因此，灌好漿的錨索，一般在第二天需補灌，確保錨桿的拉結力的有效性。

4.2 施工常遇問題及處理

1）在淤泥層、砂層鉆進成孔出現塌孔現象時，采用跟套管鉆進，套管要求穿過不良地層。

2）錨桿體不能完全安放入孔內時，可采取如下措施：（1）連接注漿管，加大泵量向孔內沖水，邊沖水邊下錨索；（2）拉出錨索，用鉆機重新掃孔至孔底，再下放桿體；（3）拉出錨索，下套管至基巖面（或套管鉆進成孔后，不拔套管），再下放錨索，最后拔出套管；（4）經上述處理后錨索仍不能下放孔內，拉出錨索，向孔內灌注M10水泥砂漿，達到一定強度后，重新鉆孔。

3）注漿過程中，若發現注漿量大大減少或注漿管爆裂時，應將桿體注漿管拔出，待更換注漿管后，再下放桿體。

5 總結

5.1 工期

該工程按設計要求順利完工，實際工期比合同工期要求提前5 d，得到業主的工期提前獎5萬元。本工程的錨桿支護設計為工期的提前打下了良好的基礎，工期的提前不但減少了施工成本，也產生了明顯的項目經濟效益。

5.2 沉降監測

基坑及周邊共設置20個觀測點，對基坑本身及周邊環境進行的沉降監測，結果表明，基坑最大沉降15 mm，最大位移20 mm，周邊道路、建筑及管線安全正常，沒有受到破壞性影響，說明本基坑工程施工質量良好，達到了支護設計預期安全要求，取得了良好的技術、質量、環境及安全等綜合社會效益。

5.3 結論

從以上綜合分析說明，該工程的圍護設計方案總體上是成功的，技術上基本達到了預期的設計目標，工期、經濟效果也較明顯。通過本圍護設計/施工案例的成功經驗表明，支護體系方案有多種形式的選擇，而錨桿式支護體系在地下水位較低、地層相對緊密的特定地質條件前提下，特別適合在城市狹窄地域受限情況下進行施工，其施工簡便靈活、成本低廉，施工速度快的特性得到充分體現，也為今后的類似工程起到參考和借鑒作用。