深基坑施工中的危險源辨識及控制

林懷志

(福建一建集團有限公司 福建三明 365000)

1 工程與地質概況

1.1 工程概況

大劇院工程位于福州市中心，五一廣場南側，總建筑面積29 712 m2。整個建筑分A、B、C三個區(qū)，A區(qū)為歌劇廳，B區(qū)為多功能影院，C區(qū)為音樂廳。A、B區(qū)設地下室，A區(qū)地下室砼底板面標高為-7.65 m，升降舞臺所需的深度要求大于地下室其他部位的深度，形成地下室“坑內(nèi)有坑”的復雜深基坑，舞臺基坑砼底板面標高為-13 m。

1.2 工程地質概況

(1)地質情況

①雜填土：層底標高0.98 m～4.43 m。②粘土：層底標高1.14 m～3.74 m。③淤泥：-5.94 m～-11.41 m。④粉砂夾淤泥：-6.52 m～-15.66 m。⑤淤泥質粉質粘土：層底標高-12.72 m～-27.86 m。⑥淤泥質土夾粉砂：-18.12 m～-26.96 m。⑦淤泥質土夾粉砂：層底標高-27.60 m～-41.04 m。⑧中砂：層底標高-40.88 m～-54.54 m。

(2)地下水文狀況

第①層雜填土存在孔隙潛水，其水源為地表水和大氣降水，為非勻質含水層，富水性較弱，可采用集水明溝方式進行降水；第④層粉砂類淤泥層和第⑦層中砂夾淤泥層存在承壓水，承壓水頭分別12.5 m和15.8 m，下部承壓水和南側附近小河有密切的水力聯(lián)系。

2 危險源辨識及控制措施

2.1 深基坑危險源及預防、控制措施(表1)

表1 深基坑危險源及預防、控制措施表

2.2 監(jiān)測項目及控制指標(表2)

表2 監(jiān)測項目及總量控制指標

3 控制方案實施

3.1 基坑支護設計與施工

(1)基坑支護的設計

基坑支護結構采用沖孔灌注樁，樁徑φ600，樁的上部設圈梁和冠梁。由于舞臺位置的基坑比地下室其他部位深度相差大，故在地下室基坑內(nèi)對舞臺的深基坑位置增設一道支護，形成大支護套小支護的特色。支護設計的另一特點，是利用圓的受力特點，設計圓形冠梁，代替了圈梁的中間支撐，便于基坑的土方開挖和地下室結構的施工。基坑降水與阻水方面，采用在支護樁外圍設計二排φ500水泥攪拌樁，形成止水帷幕，阻止雜填土內(nèi)孔隙水進入基坑。

基坑預警監(jiān)測平面布置(圖1)和支護剖面(圖2)。

圖1 基坑預警監(jiān)測平面布置

圖2 基坑支護剖面圖

(2)基坑支護的施工

基坑支護的施工分二個階段：第一階段為支護樁和攪拌樁的施工，第二階段為圈梁、冠梁的施工。第一階段施工與主體工程樁施工同步進行，第二階段施工與基坑挖土交叉作業(yè)。支護工程施工程序如下：

支護樁、攪拌樁施工→地下室支護樁頂圈梁、冠梁施工→地下室土方開挖→舞臺基坑支護樁頂圈梁、冠梁施工→舞臺基坑挖土。

3.2 基坑降水的設計與施工

(1)基坑降水的設計主要考慮舞臺位置深基坑的降水。舞臺深基坑土方需挖至-14.05 m，集水坑位置挖至-16 m，此標高處為淤泥層，且距下部有承壓水的地質層的隔水層厚度僅約為7 m，下部承壓水層的水頭高度達15.8 m。經(jīng)召開專家論證會議，通過地質資料分析，基坑的降水重點，是降低承壓水的水頭高度，以防止基坑底產(chǎn)生突涌。

(2)為獲取降水設計的第一手資料，首先在舞臺基坑附近進行鉆孔抽水試驗，測得第⑦層承壓水靜水位6.88 m，水頭高度14.7 m。經(jīng)計算得水頭高度需降低3.5 m(取4 m)，并以此進行降水井的設計和驗算。

(3)降水井數(shù)量設計

方案1：降水井口徑為450 mm，用φ219 mm鋼管成井，每個井管分別安裝過濾器，單獨用一臺抽水泵，井深為36 m(第⑦層)，過濾器長度L=10.6 m，滲透系數(shù)取6.1 m/d。

方案2：降水井口徑為450 mm，用φ219 mm鋼管成井，每個井管分別安裝過濾器，單獨用一臺抽水泵，井深為42 m(第⑧層)，濾網(wǎng)長度L=16.6 m，滲透系數(shù)取15.0 m/d。

按《建筑基坑支護技術規(guī)程》[1]有關公式進行驗算，得結果如表3所示。

表3 降水井驗算表

經(jīng)計算對比，選擇方案1作為井點降水， 抽水井平面布置：在舞臺4個角位各設置一個降水井，舞臺中央設置一觀測井。

(4)降水井鉆孔施工選擇在舞臺基坑圈梁、冠梁施工期間進行。經(jīng)過泥漿護壁鉆孔、下管、填濾料、洗井、水泵安裝、架設電纜等一系列工序，并在深基坑挖土前3天提前連續(xù)抽水，測得承壓水頭下降達到預定高度后開始挖土。挖土施工過程表明，降水效果達到預定要求。

3.3 基坑土方開挖

由于基坑支護結構的特殊性，地下室土方開挖不能一次性完成，需要進行分層開挖，開挖時間較長、難度大。

(1)開挖順序：第一次開挖，從現(xiàn)有地面(約-2.4 m)挖到-4.8 m，然后進行第一道樁頂圈梁、冠梁施工。為了保持硬地表層，使第二次大土方開挖汽車能進入基坑，因此，第一次土方僅開挖支護樁內(nèi)側一圈。

(2)第二層開挖是地下室的主要工序，在第一道圈梁、冠梁達到設計強度后開始，從-4.8 m挖至-8.6 m(地下室底板墊層底)，舞臺位置挖至-10.5 m(第二道支護圈梁底標高)，由三部挖掘機由北、東、南分層開挖向西南側土方出口處匯攏，本次挖土的重點是分層開挖，避免因側壓力不同，引起工程樁位移或折斷，確保支護樁受力均勻。開挖時對支護樁受力和圈梁位移情況實時監(jiān)測，以指導土方的開挖施工。

(3)第三次挖土是舞臺深基坑位置，在第二道圈梁、冠梁達到設計強度后開始，從-10.5 m挖至-14.05 m(舞臺地坑砼底板墊層底)。本次開挖采取從基坑中心分層逐步開挖至四周，經(jīng)挖掘機三次轉運到坑外。

3.4 監(jiān)測實施

為了確保深基坑施工安全和預報施工中出現(xiàn)的異常情況，并正確指導施工，在施工過程中建立嚴格的監(jiān)測體系，實現(xiàn)信息化施工。監(jiān)測主要內(nèi)容：支護樁的水平位移、變形，基坑外地表沉降、基坑內(nèi)坑底土體的回彈量[2]，支撐結構的軸力和撓度，支撐結構和支護樁鋼筋應力及變形，基坑內(nèi)外地下水位。監(jiān)測內(nèi)容的測點布置(見圖1基坑預警監(jiān)測平面布置)、觀測頻率和監(jiān)測報警值等應符合《建筑基坑工程監(jiān)測技術規(guī)范》[2]的有關要求，委托具有相應資質的第三方實施。

基坑施工過程的監(jiān)測方法：支護樁身變形(測斜管)、地表沉降和坑內(nèi)土體回彈監(jiān)測(沉降標)、冠梁和支撐梁鋼筋應力監(jiān)測(應力計)、支護樁土側壓力監(jiān)測(土壓力計)、地下水位監(jiān)測(水位管)，圈梁和冠梁水平位移監(jiān)測(全站儀)、圈梁和冠梁上支撐構件沉降監(jiān)測(全站儀)、周邊場地道路沉降監(jiān)測及周邊河岸水平位移監(jiān)測(全站儀)。

監(jiān)測頻率：從基坑工程施工前開始，直至地下工程完成為止。支護樁、冠梁和支撐結構施工完監(jiān)測第一次，做為初始數(shù)據(jù)；第二層土方開挖1次/3d；第三層土方開挖1次/1d直至地下室底板砼澆筑完成，支撐拆除完成后3天內(nèi)1次/1d。當出現(xiàn)數(shù)據(jù)達到報警值、數(shù)據(jù)變化較大或速率加快、長時間連續(xù)降雨、支護出現(xiàn)開裂、地面出現(xiàn)較大沉降或開裂、基坑底部出現(xiàn)管涌或流砂滲漏等情形時，應提高監(jiān)測頻率。若出現(xiàn)危險征兆時，如監(jiān)測數(shù)據(jù)達到報警值、出現(xiàn)管涌流砂和隆起、支護結構變形過大等，應實時跟蹤監(jiān)測，并及時報告參建單位，停止施工并采取應急措施。

監(jiān)測報警：報警值由設計單位確定，監(jiān)測報警值以監(jiān)測項目的累計變化量和速率雙重控制(見監(jiān)測成果圖3)，該項目按一級基坑灌注樁等級設置。

數(shù)據(jù)處理和反饋：監(jiān)測數(shù)據(jù)、圖表應客觀、真實、準確、及時，工況描述應結合數(shù)據(jù)變化和自然環(huán)境、施工進展等內(nèi)容，當觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，應及時分析原因，必要時進行重測。

位移最大值(mm)：32.87 深度(mm)：6.5

3.5 基坑邊堆載距離及荷載

該項目屬于超過一定規(guī)模的危險性較大的分部分項工程，施工前即編制安全專項施工方案，經(jīng)專家組論證通過。支護結構施工與基坑開挖期間，支護結構達到設計強度要求前，嚴禁在設計預計的范圍內(nèi)堆載；支護結構達到設計強度要求后，基坑周邊10 m范圍內(nèi)嚴禁堆放超過設計要求的物料；支撐結構上不允許堆放材料和運行施工機械；基坑開挖的土方應及時外運；基坑周邊必須進行有效防護，并設置明顯的警示標志；基坑周邊要設置堆放物料的限重牌，且不得堆放阻礙排水的物品或垃圾，保持排水暢通。

4 危險源預警在實際中應用

由于地下室工程的復雜性和天氣客觀不確定因素，地下室深基坑施工過程中也存在過一些險情。但由于預警及時、措施到位，保證了深基坑施工的順利進行。

(1)坑底涌水

在舞臺深基坑土方基本挖完、部份基底砼墊層施工時，發(fā)現(xiàn)深基坑底部涌水，引起各方參建單位的高度重視，及時邀請有關專家共同研究。經(jīng)查對降水方案，發(fā)現(xiàn)為對連續(xù)大雨氣候考慮不足，連續(xù)大雨水頭壓力增大的因素引起，同時發(fā)現(xiàn)有一口抽水井抽水泵存在故障，降水不及時。項目部立即采取措施，更換抽水泵，并且在觀測井安裝抽水泵進行抽水，加強降水，水位立即下降，涌水得到控制，防止了基坑突涌的產(chǎn)生，消除了險情。

(2)支護樁水平位移

在舞臺地坑砼底板施工完成后，由于舞臺機械專業(yè)的選擇及專項設計，基坑剪力墻埋件無法確定，影響-7.65 m地下室底板無法及時施工。此階段連續(xù)下雨，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)外圍支護樁變形速率連續(xù)三天以上產(chǎn)生較明顯的變化(速率最大值0.28 mm/1d)，南側支護樁逐步向坑內(nèi)位移(位移累計最大值33.20 mm>30 mm)，深度6.50 m，位于地下室底板標高處，指標大于報警值。為了控制變形速率和阻止南側支護樁的位移，立即召開各方技術人員專題會，研究探討解決辦法，經(jīng)多種方案比較，確定在-7.65 m底板上預留施工縫，對南側底板砼先行澆筑。監(jiān)測表明，支護樁位移在砼澆筑后得到有效的扼制，位移得到控制。

5 結語

實踐證明，危險源預警對深基坑施工起著積極重要的指導作用。正確的預警能夠實時預報工程險情、及時采取措施、消除險情、防止重大安全事故的發(fā)生。因此，在深基坑施工中，尤其在軟弱地基、復雜地質情況下，更應注重利用現(xiàn)代科技手段進行有效監(jiān)控，以期事先預警危險源，及時發(fā)現(xiàn)險情，及時組織搶險。此亦為確保深基坑安全施工的關鍵。