環(huán)形內(nèi)支撐的深基坑工程設(shè)計與施工探究

王慧峰

隨著我國經(jīng)濟社會的進步和城市化進程的快速發(fā)展，像上海這類超大城市土地資源緊張日益加劇，城市建設(shè)和地下空間開發(fā)已高度發(fā)達。各類高層建筑和地下空間設(shè)施每日仍在建設(shè)，但均面臨著場地空間有限、周邊環(huán)境復(fù)雜的窘境，因此上海地區(qū)各類建設(shè)項目中深基坑工程幾乎成為標(biāo)配。建筑的質(zhì)量安全始于根基，高質(zhì)量基坑工程是建筑牢固的根基,如何既確保深基坑本體、周邊環(huán)境安全又經(jīng)濟快速地完成深基坑工程，成為建筑工程的重中之重。因此必須研究深基坑工程設(shè)計、施工全過程新理念、技術(shù)。

上海某產(chǎn)業(yè)園研發(fā)辦公樓工程，基坑形狀呈不規(guī)則多邊形，開挖面積約為13540m2，基坑周長約為510m，開挖深度一般區(qū)域為10.45m、局部深坑加深2.5m。上海屬軟土地區(qū)，本工程基坑開挖深度內(nèi)均以軟弱的粘性土為主，坑底層淤泥質(zhì)粘性土，土體呈流塑狀態(tài)，易產(chǎn)生明顯坑底隆起現(xiàn)象，從而易引起坑外地面沉降。擬建場地淺部地下水屬潛水類型，承壓水主要為深部第1 層中的、承壓水埋深一般在3m～12m，低于潛水水位，并呈周期性變化。本工程基坑西側(cè)鄰近運行中的門架行車基礎(chǔ)，南、東側(cè)鄰近已建建筑物，地下車庫邊線至建筑物邊線最近距離分別為18.0m、5.8m，北側(cè)鄰近市政道路，四面分布地下管線，周邊環(huán)境較復(fù)雜。本工程基坑開挖深度較深、面積大，基坑圍護結(jié)構(gòu)平面形狀不規(guī)則，對圍護結(jié)構(gòu)平面布置較為不利，最終在上海地區(qū)屬較早采用大直徑環(huán)形內(nèi)支撐支護結(jié)構(gòu)體系：鉆孔灌注樁+三軸攪拌樁止水帷幕+二道鋼筋砼支撐（圓環(huán)+角撐結(jié)合邊桁架）。本文結(jié)合該工程案例，對深基坑支護結(jié)構(gòu)選型設(shè)計、深基坑土方開挖技術(shù)、深基坑工程安全重點問題實施策略進行了分析探討。

1.深基坑支護方案選型設(shè)計分析

1.1 深基坑支護方案的分析及確定

本工程結(jié)合本地區(qū)大量基坑工程經(jīng)驗充分考慮了以下要素：

（1）充分考慮周邊環(huán)境的要求，確保基坑施工過程中對其的影響在其允許的變形范圍內(nèi)；

（2）滿足基坑圍護體自身安全及穩(wěn)定性，防止失穩(wěn)、坍塌、傾覆、突涌等隱患的發(fā)生；

（3）在安全的前提下，盡量選擇經(jīng)濟合理的圍護方案，有效控制基坑作為臨時工程的資源成本的投入；

（4）充分考慮到施工的可行性及方便性，施工方便則便于管理及控制，并可節(jié)省工期，從而減少基坑的時空效應(yīng)對周邊環(huán)境的影響。

1.2 圍護結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)上海地區(qū)類似工程經(jīng)驗，通常的圍護結(jié)構(gòu)形式有SMW 工法、鉆孔灌注樁＋止水帷幕、地下連續(xù)墻等圍護主體結(jié)合內(nèi)支撐的方式。

1.2.1 SMW 工法的特點

（1）施工占用場地小，需利用的圍護寬度小，所用型鋼可回收，有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢；（2）型鋼在拔設(shè)過程中，易引起周邊土體擾動，對周邊環(huán)境產(chǎn)生二次影響；（3）圍護結(jié)構(gòu)剛度相對較小，對控制圍護體位移不利，適用于飽和粘性土地區(qū)開挖深度7m 以內(nèi)的基坑（若土體強度較好，開挖深度10m～11m 以內(nèi)的基坑亦可考慮此方案）。

1.2.2 地下連續(xù)墻圍護體特點

（1）地下連續(xù)墻工藝日益成熟，尤其在深大基坑工程和環(huán)境條件要求嚴(yán)格的基坑工程，以及圍護墻和地下室外墻“兩墻合一”的結(jié)構(gòu)形式中成為常用圍護形式；（2）同時具備擋土、止水作用，側(cè)向剛度大，但由于施工設(shè)備的限制，墻幅寬度選擇性較小（一般為0.6m、0.8m、1.0m、1.2m）；（3）施工工藝復(fù)雜；（4）地下連續(xù)墻如僅僅作為臨時圍護結(jié)構(gòu)，圍護造價昂貴，無論從資源的節(jié)約還是從環(huán)保的角度來看，都是極不合理的。

1.2.3 鉆孔灌注樁+止水帷幕圍護體特點

（1）施工工藝成熟，是上海地區(qū)開挖深度在15m 范圍以內(nèi)的深基坑普遍使用的圍護方案；（2）鉆孔灌注樁施工時對周圍環(huán)境影響小，且樁徑可變可以根據(jù)周邊環(huán)境控制要求調(diào)整合理的側(cè)向剛度；（3）圍護樁自身不能兼起止水效果，需在外側(cè)另設(shè)止水帷幕；（4）止水帷幕根據(jù)工程特點及基坑開挖深度，以及經(jīng)濟性等綜合因素，可選擇三軸、雙軸水泥土攪拌樁或高壓旋噴樁等。本基坑距離用地邊界較近，且開挖深度深，故可采用防滲性能好、占地面積小的三軸攪拌樁進行止水；（5）鉆孔灌注樁＋止水帷幕圍護方案通過大量工程的經(jīng)濟技術(shù)分析，開挖深度在15m 范圍以內(nèi)的深基坑，其較地下連續(xù)墻方案具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢[1

]。

基于對以上三種圍護結(jié)構(gòu)特點的對比分析，結(jié)合本工程主體結(jié)構(gòu)特點、基坑的開挖深度、面積及周圍環(huán)境因素，通過對工期、成本、周邊環(huán)境的影響等因素的綜合考慮：本工程不宜采用SMW工法圍護方案；地下連續(xù)墻雖然方案可行，但從經(jīng)濟角度考量造價過于昂貴，不適用；而采用鉆孔灌注樁+三軸攪拌樁止水是合理及可行的方案。因此，本工程采用鉆孔灌注樁+三軸攪拌樁止水的圍護結(jié)構(gòu)形式。

1.3 支撐體系選型

支撐體系的選型應(yīng)在安全的基礎(chǔ)上，盡可能考慮到有利于挖土、出土和提高施工效率，減少基坑整體工期及相關(guān)費用。內(nèi)支撐體系主要有以下兩種：

1.3.1 鋼支撐特點

（1）最大的優(yōu)點就是安裝速度快，施工拆除方便；（2）為現(xiàn)場安裝，整個體系的焊縫質(zhì)量、整體性和平直度不易控制；（3）鋼支撐較鋼砼支撐剛度要小，限于其拼裝特點，適用于形狀規(guī)則、跨度不宜過大的基坑；（4）作為對撐時傳力路線明確、效果較好，但作為角撐等斜向受力桿件時，效果較差。

1.3.2 鋼筋混凝土支撐特點

（1）能根據(jù)基坑的具體形狀選擇合理的布置形式；（2）能夠通過選擇合理截面尺寸，調(diào)整支撐剛度，從而控制圍護變形；（3）布置靈活，便于分塊施工，可預(yù)留較大出土空間，同時，鋼筋混凝土支撐能與挖土棧橋或平臺相結(jié)合，均可方便土方開挖，加快速度，縮短工期；（4）為現(xiàn)場澆筑，施工簡單，質(zhì)量易控制；（5）支撐養(yǎng)護期較長，且支撐拆除也較鋼支撐復(fù)雜。但可采取在砼中摻早強劑或選用高標(biāo)號水泥等措施，在一定程度上縮短養(yǎng)護期。

基于以上分析，結(jié)合本工程基坑特點并考慮圍護結(jié)構(gòu)對變形控制要求較高，支撐系統(tǒng)采用剛度較好的鋼筋混凝土支撐，支撐平面布置以圓環(huán)+角撐結(jié)合邊桁架的形式，支撐體系整體性好，受力明確；結(jié)合地下中樓板位置設(shè)置二道內(nèi)支撐。

1.4 深基坑支護方案介紹

綜合前述圍護結(jié)構(gòu)和支撐體系選型分析，根據(jù)本基坑實際情況，同時考慮造價、工期、變形、施工方便性等方面因素，經(jīng)基坑各項穩(wěn)定性驗算確定的：鉆孔灌注樁+三軸攪拌樁止水+二道環(huán)形鋼筋砼支撐的深基坑支護方案如下：

1.4.1 圍護樁（鉆孔灌注樁＋三軸水泥土攪拌樁）

一般區(qū)域鉆孔灌注樁為Φ850mm@1050mm，樁長為21.0m；局部深坑靠邊區(qū)域灌注樁為Φ900mm@1100mm，樁長為24.0m。

鉆孔灌注樁外側(cè)采用三軸水泥土攪拌樁3Φ850mm@1200mm（水泥摻入量20%）作為止水帷幕。

1.4.2 支撐系統(tǒng)

（1）水平支撐各構(gòu)件斷面尺寸：第一道支撐，圍檁1200mm×800mm、主撐800mm×800mm、聯(lián)系桿700mm×800mm，圓環(huán)支撐1600mm×800mm。第二道支撐，圍檁1300mm×800mm、主撐900mm×800mm、聯(lián)系桿800mm×800mm，圓環(huán)支撐1800mm×800mm。

（2）立柱和立柱樁：土方開挖期間需要設(shè)置豎向構(gòu)件來承受水平支撐的結(jié)構(gòu)自重及棧橋上的活荷載，立柱，坑底以下采用Φ800mm 鉆孔灌注樁，有效樁長18m（非棧橋區(qū)域）、20m（棧橋區(qū)域）；考慮格構(gòu)柱軸壓穩(wěn)定性，坑底以上立柱采用4L140mm×14mm 拼接的480mm×480mm 斷面型鋼格構(gòu)柱，格構(gòu)柱插入立柱樁內(nèi)2.5m。

1.4.3 降水（疏干）

由于本工程基坑開挖深度較深，應(yīng)采用深井降水，并由專業(yè)施工單位進行專項深井降水設(shè)計。降水有兩個目的：疏干開挖深度范圍土體、改善土體物理力學(xué)指標(biāo)。

1.4.4 坑內(nèi)加固及其他

基坑四周均勻設(shè)置坑內(nèi)加固，坑內(nèi)加固采用雙頭水泥土攪拌樁2Φ700mm，厚4.2m，水平排距500mm，豎向排距1000mm，搭接為200mm，樁長7.0m。靠邊深坑結(jié)合暗墩加固封底。

2.深基坑土方開挖和基坑支護配套施工策略

2.1 深基坑土方開挖

深基坑土方開挖應(yīng)充分結(jié)合基坑支撐結(jié)構(gòu)形式，確立“階段分區(qū)、分層對稱，開槽支撐、先撐后挖，嚴(yán)禁超挖”的基本原則。

根據(jù)本工程支撐體系的結(jié)構(gòu)特點，土方開挖分三個階段實施，穿插兩道支撐結(jié)構(gòu)施工：

第一階段挖土，由場地自然標(biāo)高開挖至第一道支撐梁墊層底，開挖深度約1.660m。采用“島式”開挖，沿基坑周邊四象限分區(qū)、對稱向環(huán)形支撐內(nèi)圈后退一次開挖，留出中心島。支撐梁墊層隨挖隨澆，每個分區(qū)土方、墊層完成后，第一道鋼筋砼支撐及時跟進分區(qū)分段施工。第一階段中心島土方在第一道砼支撐養(yǎng)護期間進行開挖，并預(yù)留出土通道。

第二階段挖土，由第一道支撐梁墊層底開挖至第二道支撐梁墊層底，開挖深度約為5.5m。基本同第一階段分區(qū)，同樣采用“島式”開挖法，本階段開挖深度大于4m，采用分區(qū)分層開挖。最上層中心島土體在第一層取土?xí)r全部挖除，并預(yù)留出土通道。合理利用中心島區(qū)布置大挖機裝載土方，土方車可停留在棧橋或直接利用出土通道進入基坑運載土方。中心島第二、三層土方可暫時留置在基坑內(nèi)，待第二道砼支撐基本完成時同時挖除中心島區(qū)域土方，并回填、修筑出土通道。

第三階段挖土，由第二道支撐梁墊層底開挖至基礎(chǔ)底板墊層底，開挖深度3.0m。按基礎(chǔ)底板后澆帶將基坑底部自然劃分了5 個區(qū)塊，按5 區(qū)分區(qū)、分層盡量對稱開挖，每區(qū)塊按“盤式”挖土法，小型挖機掏挖桁架梁內(nèi)土方，進入第二道支撐梁下方后，往基坑周邊修整土方并由第一道支撐棧橋板上的長臂挖機裝車外運；往基坑中心方向，小型挖機分層階梯式挖土、退行轉(zhuǎn)運至出土通道前平臺，由大挖機裝車經(jīng)中部出土通道外運。基礎(chǔ)墊層應(yīng)隨挖隨澆筑，且墊層砼必須施工到圍護樁邊完全封底。

2.2 土方開挖過程中重點問題實施策略

（1）第二階段土方開挖必須待第一道水平支撐體系養(yǎng)護到設(shè)計強度的80%后才能開始，第三階段土方開挖同理，真正做到“先撐后挖”才能確保深基坑圍護結(jié)構(gòu)安全；（2）坑底預(yù)留30cm 土方改用人工扦土，禁止挖機在坑底返復(fù)進行碾壓，以免坑底原土擾動、形成橡皮土，嚴(yán)重時引發(fā)坑底滲水、泥沙、突涌；（3）扦土人工配備充足，由關(guān)砌分組帶領(lǐng)，精確控制測量標(biāo)高，快速后退清理坑底，減少坑底暴露時間；（4）嚴(yán)禁挖機直接碾壓通過支撐梁，嚴(yán)禁挖機碰撞支撐梁、豎向支撐構(gòu)件，確保基坑支撐體系穩(wěn)定。（5）開挖前必須先降水，降低地下水位保證地下水位離挖土面0.5m～1.0m 以上，配足坑底明（暗）排水設(shè)施設(shè)備，疏干開挖深度范圍土體，不僅方便土方外運，且能提高被動土壓力。

3.基坑維持期的深基坑安全與環(huán)境變形監(jiān)測

土方開挖完成即刻進入地下結(jié)構(gòu)施工階段，我們稱之為基坑維持期。支護結(jié)構(gòu)在基坑維持期內(nèi)為深基坑安全發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，但同時支撐體系又對地下結(jié)構(gòu)正常施工形成障礙。因此必須合理設(shè)置、高質(zhì)量施工換撐結(jié)構(gòu)。

3.1 換撐結(jié)構(gòu)設(shè)置及施工

（1）盡快施工基礎(chǔ)底板，底板與圍護墻之間空隙下部用砂石填實，上部澆筑30cm 厚C30 素混凝土傳力帶。利用素砼傳力板帶與基礎(chǔ)底板形成完整對撐，即可拆除第二道水平支撐，完成一次換撐。如此，可在確保基坑穩(wěn)定的情況下順利施工地下二層外墻及中樓板。不可忽視的一個問題是：由于本工程地下室面積較大，基礎(chǔ)底板上留置了縱橫四道后澆帶，初期底板斷開被分成五塊，并不能形成貫通的對頂支撐。通過設(shè)計計算，在后澆帶內(nèi)豎向中部偏上處連續(xù)預(yù)埋工字鋼傳力桿，傳力桿水平間距1.5m。如此可真正形成對頂支撐，保證底板不位移、基坑不變形、失穩(wěn)。

（2）施工中樓板，并在中樓板與圍護墻之間澆筑20cm 厚C30 鋼筋混凝土換撐板帶。同理，中樓板上的后澆帶中部預(yù)埋水平間距1.5m 工字鋼傳力桿，在樓梯間、汽車坡道等大開口頂部預(yù)埋DN300鋼管傳力桿。如此，利用中樓板換撐板帶與中樓板及傳力桿件形成完整對撐，即可拆除第一道水平支撐，完成二次換撐。繼續(xù)地下一層外墻及頂板施工。

（3）地下結(jié)構(gòu)施工至出±0.000，基坑周邊空隙砂石回填完后，并不代表基坑工程安全結(jié)束。為滿足地下室抗浮計算，必須在地下室頂板覆土、主樓結(jié)構(gòu)封頂后，才能拆除坑內(nèi)深井降水井點、停止降水。

3.2 環(huán)境變形監(jiān)測

（1）根據(jù)本工程基坑特點、周邊環(huán)境情況，結(jié)合基坑支護特殊結(jié)構(gòu)型式，按照安全、經(jīng)濟、合理的原則，測點布置主要選擇在3 倍基坑開挖深度范圍布點，須監(jiān)測的項目有：建構(gòu)筑物（房屋+相鄰圍墻+行車）垂直位移；地下管線垂直、水平位移；地表沉降剖面監(jiān)測；圍護頂部垂直、水平位移；圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移；坑外土體深層側(cè)向位移；立柱樁垂直位移監(jiān)測（立柱隆沉）；砼支撐軸力監(jiān)測；坑外潛水水位觀測。

（2）在基坑開挖過程中，由于地質(zhì)條件、荷載條件、材料性質(zhì)、施工條件和外界其它因素的復(fù)雜影響，很難單純從理論上預(yù)測工程中可能遇到的問題，不能全面而準(zhǔn)確地反映工程的各種變化。通過理論指導(dǎo)下有計劃地進行現(xiàn)場工程監(jiān)測，實現(xiàn)設(shè)計既定的監(jiān)測目的，切實實現(xiàn)信息化施工。

（3）基坑維持期內(nèi)，拆撐換撐過程中，由于后補新?lián)巍Q撐動作，明顯存在應(yīng)力釋放過程，基坑施工監(jiān)測頻率應(yīng)合理加密，重點關(guān)注。通過設(shè)計核算科學(xué)設(shè)置監(jiān)測報警指標(biāo)，給施工單位提供信息支持，做出有效的預(yù)案和應(yīng)對、調(diào)整措施。

4.結(jié)語

綜上所述，深基坑工程是一項復(fù)雜而艱巨的系統(tǒng)工程，需要工程建設(shè)參建各方密切配合。本工程通過收集該地區(qū)相關(guān)經(jīng)驗資料，進行分析計算，選擇了科學(xué)合理的環(huán)形內(nèi)支撐深基坑支護方案，在不規(guī)則多邊形深基坑中得到很好的應(yīng)用，有效控制了基坑圍護結(jié)構(gòu)自身安全性及對環(huán)境變形影響。結(jié)合支護結(jié)構(gòu)形式，提出高效土方開挖方案、深基坑工程施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)優(yōu)化實施策略、有效管控理念，通過科學(xué)的環(huán)境變形監(jiān)測實現(xiàn)信息化施工，推動案例深基坑工程得以經(jīng)濟、快速、安全順利實施。