復雜周邊環境條件下基坑支護和降水設計分析研究

張聞璟

(1.山東省魯南地質工程勘察院，山東濟寧 272100；2.山東省華魯工程總公司，山東濟寧 272100)

0 引言

隨著社會發展和人民生活水平的提高，市場客戶需求也不斷升級，對房屋的品質、小區設計、物業智能化服務水平等要素提出更高要求[1]，也正因為如此，在一定程度上帶動了房地產開發產業的發展。目前，住宅樓盤開發選址主要存在兩種模式[2]：一是在城郊或城區內的地理位置優越、交通便利、有發展潛力的荒廢用地投資建設新開發區；二是在城區內的老舊小區進行拆舊建新。但不管是哪種模式，都需要配備地下車庫才能同時保證足夠的車位配置和良好的地面環境，這也導致在住宅建造過程中需要開挖不同深度的基坑。

新開發區設計的住宅樓座位置一般與其周邊既有建筑、道路、市政管線等較遠，周邊環境較為簡單，所以基坑開挖支護形式多以放坡或土釘墻為主。而拆舊建新的小區多位于老城區內，存在場區狹小、緊鄰周邊建筑、周邊管線復雜等問題，所以基坑開挖支護形式多以垂直支護為主。在基坑設計過程中需要綜合考慮土層分布情況、地下水水位及動態變化、周邊建筑和管線情況、施工工藝可行性、施工設備作業空間及其可能帶來的環境污染和振動噪聲等因素的影響來確定支護形式。由于各方面影響因素繁雜，各項目的情況又不盡相同[3-7]，這就給基坑支護和降水設計方案的確定帶來了很大的難度。

本文通過對位于老城區拆舊建新項目的基坑設計過程中諸多影響因素進行探討，針對本項目實際情況提出了可靠、有效的設計思路和處理方案，意在拋磚引玉，為其他類似項目的基坑設計方案的確定提供參考。

1 工程概況

本項目位于建設東路南側，東御橋路西側，緊鄰工人文化宮、光通大廈和周邊各小區。項目總占地約2×104m2，總建筑面積約4×104m2，擬建7棟住宅樓、7棟商業樓及其地下車庫，意在老城區規劃漢唐特色商業街、低密度純洋房住宅雙重業態。

1.1 周邊環境

項目位置及其周邊環境情況見圖1。

圖1 本項目與其周邊環境位置關系圖Fig.1 location relationship between the project and its surrounding environment

(1)基坑北側。擬建地下車庫范圍線距離用地紅線(圍擋)約21.0 m，用地紅線距離建設東路道路中心線約20.0 m，道路旁含多種類型的管線，由北向南分別為雨水管道、蒸汽管道、通信電纜及供電管道，對基坑邊坡距離較遠。圍擋內側存在一條熱力管線，埋深約1.5 m，現已拆除，紅線范圍內無其他影響基坑施工的管線。

(2)基坑西側。擬建地下車庫范圍線距離圍墻最近距離為3.26 m，圍墻外為廣場小區道路和住宅樓，用地紅線距離既有住宅樓最近距離約為9.8 m。圍擋原有的電力管線已遷移，熱力管線已拆除。

(3)基坑南側。擬建地下車庫范圍線距離圍墻最近3.48 m，圍墻距離南側住宅樓最近5.23 m。存在多處熱力、燃氣、電力管線，現已遷移或拆除。

(4)基坑東側。擬建地下車庫范圍線距離圍墻最近5.40 m，圍墻外為廣通大廈裙房、工人文化宮等建筑。

對基坑距離近、影響較大的既有建筑的基礎形式和埋深情況如下：①光通大廈，8層，樁基礎，樁底埋深約-15.00 m；②工人文化宮，4層，樁基礎，樁底埋深約-13.20 m；③少陵新村，6層，筏板基礎，基底埋深約-3.60 m；④廣場小區，5層，條形基礎，基底埋深約-2.0 m；⑤華夏商城，5層，條形基礎，基底埋深約-2.0 m。

1.2 巖土工程地質條件

1.2.1 地形、地貌

擬建場區現為拆舊新建場地。總體來看整個場區地勢平坦，測得場區孔口高程51.02～52.03 m，最大高差1.01 m。場區地貌宏觀上屬沖洪積平原。

1.2.2 地下水

場區淺層地下水為第四系孔隙水，以大氣降水入滲和地下微量側向徑流為主要補給來源，以人工開采、側向徑流為主要排泄途徑，主要含水層為④層中細砂、⑦層中砂、⑨層中砂。地下水位隨季節及氣象周期呈周期性變化，水位年變幅在2～5 m，動態類型為入滲—開采、徑流型。場區地下水穩定水位埋深4.87～5.88 m，穩定水位標高約46.15 m。

1.2.3 主要地層情況

根據勘察報告和基坑邊緣地層剖面圖以及擬建物基礎埋深情況，對基坑開挖有影響的各土層自上而下的揭露順序如下。

①層雜填土。雜色，松散，成分主要為建筑垃圾及碎磚塊。該層填土為舊建筑物拆遷堆積，回填年限小于5年。

②層素填土。灰褐色，可塑，以粉質黏土為主，局部含少量細砂，回填年限大于10年。

③層粉質黏土。黃褐色，可塑，含少量鐵錳氧化物，局部粉質重，夾粉土薄層，切面稍有光澤，干強度及韌性中等，無搖振反應。

④中細砂。淺黃色，稍密，濕—飽和，主要礦物成分為長石、石英，局部含少量泥質，分選性一般，磨圓度中等。

⑤黏土。灰黑色、灰褐色，可塑，韌性及干強度高，有光澤反應，無搖振反應。

⑥粉質黏土。褐黃色，可塑，韌性及干強度中等，稍有光澤反應，無搖振反應，含少量細粒姜石。

⑦中砂。淺黃色，中密，飽和，以石英、長石為主，磨圓度一般。該層在場區普遍分布。

依據原狀土試樣剪切試驗結果，按照《巖土工程勘察規范》的有關規定，并根據當地經驗，基坑開挖與降水影響到的主要土層抗剪強度指標標準值 (Ck、φk)、土的容重γ等參數取值見表1。

2 基坑設計

2.1 項目重、難點及其分析

根據對本項目基坑設計和施工過程中可能存在的對擬開挖邊坡產生不利影響的諸多因素的統計分析，最終篩選出若干主要影響因素，并對其影響原因和程度進行了分析。

表1 各土層主要物理力學指標一覽表Table 1 list of main physical and mechanical indexes of each soil layer

2.1.1 周邊環境復雜

場區東北為光通大廈，東為工人文化宮，東南為少陵新區，南為公安局家屬院，西為廣場小區，西北為華夏商城，均與項目用地紅線(即圍擋范圍)距離較近，局部既有建筑緊貼圍擋。場區外管線已做架空保護措施。

場區周邊既有建筑對擬開挖基坑影響較大，需要同時考慮承載能力極限狀態和正常使用極限狀態下的支護選型；場區外管線已做架空，但在設計中需要考慮控制其豎向變形。

2.1.2 現場環境復雜

場區面積較小，場區內管線已通過拆除或遷移等方式進行處理。基坑邊界呈現為不規格的“X”型，局部突出部位場地狹窄且折角較多，地下車庫范圍線與圍擋最近距離約為4.0 m。

由于場區面積較小，增加了現場總平面布置的難度，需要考慮空間上的利用和平面上的合理布設。邊界不規則，會存在較多的陽角和陰角，在設計中應盡量縮減，如果沒法縮減應考慮陽角處的不利情況及處理方案；在陰角和局部狹窄處，存在大型機械設備無法靠近、移動等情況，增加了施工的難度，需要在滿足施工能力的前提下盡量選擇體型較小或是移動、轉向能力強的機械設備；地下車庫距離圍擋較近，由于基底工作面后能放坡空間很小，支護形式應以垂直開挖支護為主，同時可選擇適用于項目特殊情況的新型或復合支護形式。

2.1.3 環保管控嚴格

為遵守相關法律法規和政策要求，項目現場施工特別是在基礎施工階段必須嚴格控制揚塵、噪聲等污染。本項目場區周邊多為居民住宅，對噪聲控制的要求更為嚴格，存在被居民投訴，被環保、安監等部門突擊檢查的情況。若不提前考慮并防范，容易發生整頓甚至停工的情況，耽誤施工工期。

在基坑設計階段，設計人員在考慮支護方案可靠性的同時也需要考慮其施工的可行性。本項目的揚塵、噪聲和泥漿污染是首要解決問題，揚塵可通過噴淋、灑水、覆蓋防塵網等方法來控制，而噪聲和泥漿污染就需要選擇合適的施工工藝和施工機械來盡可能減少。

2.1.4 工期要求緊

根據甲方要求，該項目需要在年底完工，留給基坑支護的時間頗短。

項目總工期受到多種因素影響，諸如組織管理、勘察設計、施工工藝、材料設備、自然環境、社會環境之類。

在設計階段，應通過選取合理的施工工藝，優化支護方案等方法來降低施工難度，進而縮短施工工期。例如，鉆孔灌注樁施工工藝需要經過成孔→鋼筋籠制安→下放鋼筋籠澆筑混凝土這三個主要施工流程，現場除了需要考慮鋼筋的堆放區，還需要設置鋼筋的加工區和成品鋼筋籠堆放區；而型鋼水泥土攪拌樁(下稱SMW工法樁)施工工藝需要經過水泥土攪拌→下插型鋼這兩個主要施工流程，現場只需要設置型鋼的堆放區和水泥漿攪拌臺。較前者而言，后者能節約更多的施工時間，減少對施工現場的用地需求。

2.1.5 降水方案

根據勘察報告所述，地下水穩定水位標高約46.15 m，高出基底標高44.50 m約1.50 m左右。

基坑降水主要采用管井、真空井點、噴射井點等方法，在需要控制地下水位的區域則需增設止水帷幕和回灌井[1]。本項目位于老城區，周邊道路、管線和建筑對豎向變形敏感，若采用管井進行大面積降水可能帶來土體沉降，導致地面產生裂縫等不利影響；若設置止水帷幕并采用管井降水，需要設置多口降水井且降水周期較長，不利于成本的控制。

2.2 施工工藝

綜合考慮上述的多方面因素，借鑒鉆孔灌注樁[10]和SMW工法樁[8,12]的工藝特點以及降水需求，本項目基坑支護和降水設計擬采用三軸攪拌樁后插H型鋼施工工藝，同時進行支護樁和止水帷幕施工。從實際施工效果上看，大大節約了施工時間和造價，減少了泥漿、揚塵、噪聲等環境污染，有效利用施工設備的機動性克服了基坑邊界不規則和場區狹窄等問題。

2.3 支護設計方案

設計自然地坪整平標高為51.00 m，基坑擬開挖深度約為6.50 m。支護單元安全等級為二級，基坑使用期限為十二個月。

水泥土攪拌樁建議采用三軸攪拌樁設備施工，套打一樁，樁徑650 mm，樁間距900 mm，樁長12.0 m，樁底深入第⑦層中砂層底，攪拌樁水泥選用42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥摻入量取土的天然質量的15%，建議水灰比為1∶0.8，應做現場實驗確定后方可施工。

攪拌樁內每隔900 mm設置一根H型鋼，規格HM 200 mm×150 mm，長12.0 m。因現場場地受限，不考慮后期回收。

錨索采用2sφ15.2鋼絞線，二樁一錨，間距為1.80 m。錨索總長12.0 m，錨固段長6.0 m，注漿材料為42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.45～0.50，強度不低于20 MPa。自由段用隔漿管隔離水泥漿。

構造面層掛網筋規格為Φ4.0(200×200)mm鋼板網，C20混凝土噴面，細骨料選用中粗砂，含泥量應小于3%；粗骨料選用粒徑不大于20 mm的級配礫石；水泥與砂石的重量比取1∶4.0～1∶4.5，砂率取45%～55%，水灰比取0.40～0.45。

支護單元剖面圖詳圖如圖2所示。

圖2 最不利工況下基坑支護設計剖面圖Fig.2 profile of foundation pit support design under the most unfavorable condition

2.4 降水設計方案

止水帷幕寬650 mm，長12.0 m，帷幕底深入第⑦層中砂層底，阻斷了基坑內外的水力聯系，利用坑底天然防滲層(圖2中第⑤層、第⑥層)進一步隔離坑底和其下水體的交換。

在基底周圈和中間適當位置設置橫縱向連通的排水溝(規格為300 mm×300 mm)，相隔一定間距設置集水井(規格為700 mm×700 mm×1500 mm)作為坑內排水措施。這種降水方案利用人工設置的豎向止水帷幕和坑底天然的水平防滲層形成了一種“盆式結構”，隔絕基坑內外的地下水，將盆內的水抽出后，僅需要排出來自大氣的降水，而且降水措施施工起來簡單易行，降水成本低廉，避免了大面積降水可能帶來的風險。

3 基坑監測

為了保證基坑邊坡和周邊建筑、管線等建(構)筑物安全，設計方案中設置了坡頂水平和豎向位移、周邊建筑物變形、周邊管線變形、地下水位等監測點。從69個監測點的實測監測數據上看，自基坑開挖起3個月各監測點的累計變化量最大值為0.3 mm，基坑外地下水水位變幅符合自然變化規律，基坑內降深后的穩定水位標高低于基底0.5 m，這些數據都說明了本項目的基坑支護和降水設計方案還是比較成功的。

4 結論

在周邊環境復雜、場區狹窄以及其他不利條件下，基坑設計應根據實際情況改變思路、靈活應對。本項目吸取了SMW工法樁施工工藝的優點并進行改進，縮小了型鋼的規格，優化了攪拌樁施工方法和水泥漿液配比，利用排樁模型計算的安全穩定性符合規范要求，大大縮短了施工工期，并在實際施工中達到了很好的變形控制效果。

隨著“綠水青山就是金山銀山”的思想不斷深入人心，相關減排、環保等政策的出臺，基坑支護施工過程中對泥漿、揚塵、噪聲等污染控制更為嚴格，除了從源頭、傳播途徑、受體三個部位采取相應的防控措施以外，選用合適的施工工藝和無泥漿、振動小、噪聲小等優點的機械設備可以降低起始的污染程度，在施工過程中也能有效控制，降低了可能存在的風險和施工成本。

基坑降水多采用管井降水方法，這種方法適用于多種地層，降水井成井工藝成熟，降水效果和穩定性較好。但是，也存在一定問題，如：若未設置止水帷幕會造成大面積的地下水水位下降；降排水量較大，給排放帶來一定的困難；降水周期長，降水費用較高。本項目基坑降水設計利用人工設置的豎向止水帷幕和坑底天然的水平防滲層形成了一種“盆式結構”，隔絕了基坑內外的水力聯系，大大減少了基坑內地下水的降排水量，降低了降水井施工成本和后期的降水費用。