盆、島式交替開挖在錨索圍護基坑中的應用

費思異 劉胡飛 陳國祥 朱曉璇 劉傳奎

上海建工四建集團有限公司 上海 201103

隨著我國城市的不斷發展，城市土地資源日趨緊張，地下空間的開發和利用也愈加被關注，深、大基坑的高效、安全施工成為關鍵節點。

目前，較為常用的基坑開挖方式包括放坡開挖、島式開挖、盆式開挖等。其中，島式開挖能較早地形成基坑圍護結構的工作面，發揮基坑圍護的作用，且便于土方的外運與交通組織。但圍護體系長期暴露增加圍護體系的變形[1-2]。盆式開挖可以減少基坑無支護時的暴露時間，對基坑及周圍土體的變形控制較為有利[3-6]。有些基坑因工況復雜或工期需求，在同一基坑中同時采用2種開挖方式[7]。

基于工程實際，提出了一種盆、島式交替開挖配合預應力錨索施工的開挖方式，在2層錨索施工區域內通過盆式與島式開挖方式的轉換為預應力錨索及腰梁施工與強度成形提供充足的施工時間及空間。在保證整體圍護結構安全性的前提下，提高了基坑土方施工的連續性與高效性。

1 工程概況

1.1 基坑概況

深圳大學西麗校區建設工程（二期）項目Ⅱ標段位于深圳市南山區學苑大道，基坑頂周長約1 377.58 m，基坑支護范圍面積約79 109.68 m2，最大開挖深度為15.5 m，估算基坑土方開挖量超100萬 m3。

項目采用樁-錨索圍護體系，圍護結構采用φ1 000 mm@1 600 mm的旋挖灌注樁與φ1 000 mm@1 600 mm的三重管高壓旋噴樁形成的止水帷幕；冠梁與腰梁間距3 000 mm、腰梁與腰梁的間距為3 500 mm；表面采用鋼筋網片與噴射混凝土進行加固?；优潘捎闷马斉c坡底設置排水溝的方式進行排水，不設置降水井。

1.2 地質和水文條件

項目場地原始地貌單元屬丘陵及丘間溝谷，地形較復雜，地形起伏最大達15.29 m。根據地勘報告，場地內地層主要有：第四系人工填土層（素填土、雜填土）、第四系沖洪積層（粉質黏土、淤泥質粉質黏土、礫砂）、第四系坡積層（含礫粉質黏土）、第四系殘積層（礫質黏性土）及燕山晚期花崗巖（全風化花崗巖、強風化花崗巖、中風化花崗巖、微風化花崗巖）。項目坑底標高26.20 m土方開挖主要集中在第四系土層，少量處于第四系坡積層與第四系殘積層。

場地內地下水含水量較豐富，但補給來源主要為大氣降水和鄰近地下水的側向徑流補給?？辈炱陂g大部分鉆孔中見地下水，水位標高27.20～43.10 m?；悠马敗⑵碌拙O排水溝，坡頂、坡底設集水井，匯入市政管道前設沉砂池。

2 施工方案設計

2.1 施工難點

項目地處深圳，降雨頻繁且降雨量大，降雨是誘發滑坡的主要原因，特別受深圳“12·20”滑坡事故影響[8]，項目土方開挖應盡量避免大放坡開挖。結合本項目圍護結構情況，冠梁、錨索、坑底各施工面間距在3.0～3.5 m，需至少分2次分層開挖。根據錨索施工工藝需要進行鉆孔、錨索安放、一次注漿、二次注漿、腰梁制作與安裝、張拉鎖定等多道施工工序，特別是錨索張拉需要在錨固體達到設計強度80%且腰梁混凝土達到強度后才能張拉鎖定，工序繁復、耗時較長。由于錨索施工的存在，盆式開挖因形成工作面時間較晚，不利于維護結構施工進度；而島式開挖雖然形成工作面早，但在第2層土體開挖過程中需要等待錨索錨固體及腰梁強度達到要求，且坑邊土開挖后破壞了原有張拉鎖定的工作面，需重新搭設操作平臺，大幅增加了工作量及安全隱患。為此項目提出了盆、島式交替開挖的想法。

2.2 盆、島式交替開挖方案

項目土方開挖面標高約41.70 m、坑底標高26.20 m、冠梁標高約40.00 m、第1道錨索標高為36.20 m、錨索施工面標高約35.70 m。以第1道錨索施工階段的土方開挖為例，在完成37.20 m以上土體開挖后轉換為島式開挖35.70～37.20 m土層，先沿基坑邊開挖錨桿施工機械操作范圍區域土方，后立即進行錨索、腰梁施工。土方則繼續向基坑中心開挖，至35.70 m層土體開挖完成后，轉換盆式開挖34.00 m層土體至距坑邊10 m位置范圍。在錨索錨定后，將坑邊32.20～35.70 m土體挖出，施工第2層錨索，以此法反復開挖至坑底。結合現場實際情況，日出土量必須保證10 000 m3，單層土方的開挖周期約在12 d；而錨索、腰梁的施工及鎖定周期約21 d，常規盆、島式開挖會存在單層土開挖完后需等待錨索鎖定或保留較高的臨時土坡，不利于雨季的基坑安全。而采用盆、島式交替開挖，腰梁、錨索施工間隔變為2層土方的開挖時間，可連續開挖。該方案在項目實際開挖過程中具有顯著效果，項目腰梁、錨索的施工對土方施工影響較小。若部分腰梁、錨索受坑外管線、箱涵、復雜土質工況影響，施工時間增加，可采取局部多級放坡留土反壓等措施。

2.3 方案的有限元對比

為研究盆、島式交替開挖對基坑變形的影響，以項目土層信息建立了簡化的有限元模型，如圖1所示?；映叽?0 m×20 m，圍護結構通過等效剛度理論，采用地下連續墻實體單元模擬，根據實際土方開挖深度、開挖順序與錨索、腰梁高施工情況模擬開挖過程中第1道錨索在盆、島式交替開挖、盆式開挖與島式開挖情況下的圍護結構變形。為模擬出不同的施工工況，將坑內土體分為離圍護邊3 m范圍內的坑邊土與基坑中心剩余的中心土。

圖1 簡化基坑開挖有限元離散模型

根據不同開挖方法建立不同有限元模擬工況：

1）盆、島式交替開挖施工方案：

① 工況1：開挖37.20 m以上土方。

② 工況2：開挖35.70～37.20 m坑邊土，開始錨索施工。

③ 工況3：開挖35.70～37.20 m中心土，腰梁施工完成。

④ 工況4：錨索張拉鎖定，開挖34.00～35.70 m中心土。

⑤ 工況5：土方開挖34.00～35.70 m坑邊土。

2）盆式開挖施工方案：

① 工況1：開挖37.20 m以上土方。

② 工況2：開挖35.70～37.20 m中心土。

③ 工況3：開挖35.70～37.20 m坑邊土，開始錨索施工。

④ 工況4：開挖35.70～34.00 m中心土，腰梁施工完成。

⑤ 工況5：錨索鎖定后，開挖35.70～34.00 m坑邊土。

3）島式開挖施工方案：

① 工況1：開挖37.20 m以上土方。

② 工況2：開挖35.70～37.20 m坑邊土，開始錨索施工。

③ 工況3：開挖35.70～37.20 m中心土，腰梁施工完成。

④ 工況4：開挖34.00～35.70 m坑邊土，錨索隨之鎖定。

⑤ 工況5：錨索鎖定后，開挖34.00～35.70 m中心土。

取圖1數值點位置圍護結構水平變形數據進行匯總，繪制圖2，由圖2可以發現：工況1情況下各圍護結構變形完全相同，說明各模型基礎參數相同。工況2情況下，因為盆式開挖先開挖中心土、坑邊有留土，故圍護結構變形較小。工況3情況下，各種開挖形式變形基本一致，這是由于開挖到工況3時，盆、島式交替開挖與島式開挖施工完全相同，錨索施工完成，腰梁強度逐步形成，但開挖完成后圍護結構變形已經產生；與同樣工況下盆式開挖，腰梁未施工工況圍護結構強度相差不大。工況4情況下，島式開挖需要等待錨索預應力施加鎖定后開挖坑邊土，并且由于施工直接開挖坑邊土，會造成較大的變形；而盆、島式開挖與盆式開挖雖然同時開挖的是中心土，但此時盆、島式開挖的圍護體系的腰梁強度已足夠，預應力錨索也已張拉鎖定，基坑變形由圍護樁與錨索共同抵抗，圍護樁受力形式發生改變；在錨索、腰梁共同作用下，錨索以下位置變形增加，而坑頂位置側向位移有縮小的趨勢，相較之下盆式開挖雖然有坑邊土反壓，可以進行中心土開挖，但在該工況下，腰梁混凝土結構強度逐步形成，但錨索未鎖定，圍護樁依然是懸臂結構，故該工況下圍護結構較盆、島式交替開挖會產生較大變形。在工況5情況下，盆、島式交替開挖基坑變形略小于島式開挖，但差距可以忽略不計。這是由于島式開挖34.00～35.70 m坑邊土時等待了錨索張拉鎖定，兩種方法的受力體系與加載大小基本相同，變形也相似；而盆式開挖，由于在工況4的情況下產生較大變形，雖然錨索預應力鎖定后對圍護結構變形有抑制作用，但原有較大變形仍不可忽略。從以上分析可以看出相較于盆式開挖與島式開挖，盆、島式交替開挖在錨索圍護的基坑開挖中，在施工效率與圍護結構變形控制上均有較好的效果。

圖2 不同開挖方式在不同工況下的圍護結構水平變形

2.4 基坑交通組織

為了解決盆式與島式開挖在出土問題上的差異，對基坑施工的交通組織進行了相應優化（圖3）。在純地下室區域設置了1個主出土坡道及2個輔助出土坡道。主出土坡道至基坑底，作為開挖的中心位置，即盆、島開挖轉換位置，坡道優先于挖土施工，并設置雙向行車、硬化路面與綠植護坡。輔助坡道為小型出土坡道，為滿足3層錨索以上土方的外運，同時解決當土方施工速度出現差異后，無法從主出土坡道出土的問題。輔助坡道在完成開挖任務后，可通過主坡道開挖外運，以減少輔助出土坡道對基坑圍護整體的影響。各通道之間相互貫通可形成循環道路，主坡道也可以雙向行車，交通組織靈活。雖然多次盆、島式交替施工，但土方車行駛區域均在中島區域，不易行駛錯誤，便于現場運力的協調，大大提高了出土效率。同時由于主坡道所在施工區域不在關鍵路線上，對整體工期無影響。

圖3 基坑交通組織示意

3 基坑監測結果分析

3.1 基坑監測方案概述

本項目基坑西側無建筑，基坑東側和基坑南側存在市政管線，基坑北側為和基坑同時施工的箱涵隧道。根據設計總說明，支護結構變形按二級基坑控制。監測項目包括圍護結構水平位移、圍護結構豎向位移、建筑物沉降、圍護結構深層水平位移、地面沉降、地下管線沉降、錨索應力等。

3.2 土方開挖與基坑變形分析

以項目施工情況較為復雜的監測點CX04點為例，監測點CX04位于基坑北側，鄰近同時開挖的箱涵隧道，圖4為CX04點圍護樁產生較大水平位移時的水平位移監測數據。

圖4 CX04監測點基坑水平位移

由于項目采用盆、島式交替開挖，在大部分挖土過程中，坑邊有原土預留，故基坑內挖土對基坑圍護結構變形影響較小。但需要特別注意的是當島式開挖至基坑邊后，轉換為盆式后會出現連續2次挖土的工況，圍護結構的變形及變形速率均會出現顯著增加。以圖4中的2019年10月28日—2019年10月30日為例，圍護結構產生突變，究其原因是在完成第1道錨索施工后，在坑邊進行同一位置第2皮土方的連續性開挖，導致該位置圍護結構單日最大水平位移達到2.49 mm/d，雖然仍小于報警值，但引起了項目部的關注。為避免重復出現以上問題，項目在后期施工過程中要求避免坑邊連續多皮土的開挖，多采用流水施工，保證至少1 d的間隔時間。從隨后2道支撐與土方開挖后的基坑變形可以發現，圍護結構的變形速率有明顯改善。項目土方開挖階段基坑整體變形控制較為良好，盆、島式交替開挖的施工方案可以為腰梁、錨索的強度形成提供充足時間，保障基坑安全。同時從基坑監測數據可知：項目北側箱涵自11月開挖的卸土施工后，對基坑頂部的變形有明顯的減小作用；2020年初，項目因為受新冠肺炎疫情影響，基坑底板無法形成，圍護結構的變形隨時間增加明顯。圍護結構暴露時間增加，大幅增加了圍護結構的變形，對圍護結構的整體安全不利。

4 結語

盆、島式交替開挖的挖土方案，在深圳大學西麗校區建設工程（二期）項目Ⅱ標段樁-錨索圍護基坑的使用中獲得良好的效果，該方法可以有效地減少錨索、腰梁施工對土方開挖的影響，優化施工流水。配合完善的場內交通組織可以有效地提高出土效率，節約工期。

通過有限元分析，對比傳統的盆式與島式開挖，盆、島式交替開挖對圍護結構變形的影響最小，島式開挖在等待錨索張拉鎖定后可以獲得相同的效果。而盆式開挖如果連續作業，雖然有坑邊留土，但相較于以上2種開挖方式，依然會增加基坑的水平變形。盆、島式交替開挖可以為腰梁、錨索提供充足的施工時間，有利于圍護體系結構強度的形成，對整體圍護結構安全有利。

該方法在開挖非坑邊土時對基坑的變形影響較小，主要基坑變形發生在坑邊土開挖時，需加強觀測。應盡量避免在盆式開挖轉換至島式開挖時，連續開挖同一位置2皮土方，此做法對圍護結構的變形速率控制不利，建議間隔1 d以上開挖2皮土。