房建工程超大深基坑的設計與施工

許興杰

（中鐵二十二局集團電氣化工程有限公司，北京 102300）

0 引言

隨著城市化進程的加快，城市土地資源日益緊缺，為滿足城市交通、商業、停車等功能需求，開發大型的地下空間成為必然趨勢。地下軌道、車站、停車庫、商業、倉庫、民防工事等不斷出現，且開發數量和規模也迅速增長，一些一線大城市已經進入城市空間立體開發階段，地下空間的開發利用成為未來建設發展的重點領域。在此背景下，大批超大深基坑工程也隨之而來。這些超大深基坑往往位于大城市的樞紐中心位置，工程項目的周邊密布著眾多建筑設施、地鐵隧道、主副干道、地下管線等等。施工條件復雜，對周邊環境的保護要求很高，再加上施工場地有限、施工周期緊張，進一步增大了超大深基坑工程的設計和施工難度。因此，亟需進一步加大對該問題的探討，不斷優化基坑工程的設計方法、施工手段和監測技術。

1 項目背景

在基坑支護開挖設計過程中，我們需對地質、地下水、周邊交通、臨近建筑物等進行詳細的分析測算，方可制定科學合理、工期可控、安全可靠的工作方案。本文重點圍繞基坑在設計、施工時遇到相關問題時的應對措施和實施方案進行論述。

本文是依據“中國鐵建·明月府邸項目4號地塊項目”為背景進行分析和研究；該項目建筑面積136074㎡，地下建筑面積40551㎡。共計13棟住宅樓，其中22#、24#樓為30層，29#、33#樓為32層；23#樓為9層；25#、26#樓為6層；27#、28#、34#樓為4層；30#、31#、32#樓為3層。基坑開挖長約210m，寬約172m，基坑的深度12m。根據地質勘察報告，施工場地范圍內25.00m深度內的地層按土的物理力學性質及時代成因劃分為5層，土質分別雜填土、黃土和粉質黏土。宗地內的地下水屬孔隙潛水。該地區地下水穩定水位深度在16.50m～22.0m。地下水主要來自降雨和地表水滲入補給，排水措施主要是人工導流排水和蒸發為主。由于地下水位位于基礎底板以下，本項目不需要采取降水措施。

2 超大深基坑圍護方案設計的影響因素

城市中建筑物的基坑支護設計至關重要；設計時需要綜合考慮基坑周邊建筑物、周邊道路交通流量、當地氣候條件、地質情況、地下水文、地下管線、施工工期以及優化施工方案，節約成本使項目經濟效益最大化。施工前在調研相關數據的同時，對地質條件進行勘探獲取參數為首要任務，在進行基坑方案設計和圍護施工時，現場的地質情況和水文特征、周邊環境對基坑都有不同程度的安全影響，而且不可控因素較多。提取地質勘探參數和地下水文數據工程量大、信息復雜，處理數據較多，而且對業務人員素質要求較高。然而數據的正確率直接影響支護方案設計的可靠性、可行性和經濟性。

通過對該項目的周邊環境和施工特點進行分析，該項目存在道路結構和建筑物結構，且地下障礙物較多，給維護方案的設計與施工帶來了很大影響。首先，周邊的建筑物使整個項目地塊不能全面同步施工，項目地塊內的障礙物較多，給項目的統籌開展增大了難度；再加上附近地鐵施工，對整個工程的施工車輛行走路線和施工時間節點造成約束。其次，場地條件較差影響基坑開挖和結構施工運行，本工程基坑較大，周邊的便道條件惡劣，增大了基坑場布策劃的難度，可用的施工場地十分有限。最后再加上氣候影響因素，結合基坑施工影響，都會對超大深基坑圍護方案的設計與實施形成較大障礙。

3 超大深基坑圍護體系特點和方案設計思路

3.1 基坑工程的特點

基坑圍護體系是臨時性的結構，與永久性的結構相比，基坑在設計時考慮的安全儲備都比較小。因此基坑工程具有較大的風險性，對設計、施工和管理的各個環節都提出了更高的要求；同時基坑工程具有很強的區域性，它對場地工程地質條件和水文地質條件要求均很高，幾乎每個基坑工程都有特殊性，它與周邊環境條件密切相關，在城區和空曠地圍護體系的差別也很大。在基坑設計時不僅涉及到土力學中穩定、變形和滲流三個基本課題，而且基坑圍護結構受力復雜，基坑空間形狀多變，所以要求設計人員不僅應具有很好的巖土工程分析能力，還應具有很好的結構工程分析能力。另外基坑圍護體系的變形和地下水位下降都可能對基坑周圍的道路、地下管線和建筑物產生不良影響，嚴重的可能導致破壞?；庸こ淘O計和施工一定要在重視環境效應的同時也要加強實時監測并實現智慧工地。

3.2 基坑設計的前置條件

基坑的設計受部分條件的限制，需提前了解和熟悉周邊環境和地質地下情況；依據地質勘察報告掌握地塊內的地層分布、地下水水位及分布和來源；調研周圍交通、建筑物、地下建筑及管線，并結合工期及當地氣象條件設計基坑圍護方案和降水措施。

3.3 基坑支護體系選型

深基坑圍護的方法包括板樁式圍護、深層攪拌樁、鋼板樁、內支撐和地下連續墻等等。目前深基坑的圍護應用較多的是排樁、地下連續墻、水泥土重力式圍護墻、土釘墻等，同時支護結構上部的支撐也多種多樣，目前應用較廣的包括鋼筋混凝土內支撐、型鋼混凝土內支撐、型鋼內支撐及錨拉等。

3.4 基坑的降排水設計思路

地下工程在施工過程中，控制地下水，防止地表水是基坑設計的重點工作之一。在基礎施工時必須將水位降低至基底地面0.5m以下的高度，在施工時我們只能選擇集水明排、截水、人工降水。地表及基坑明排都較為簡單，但地下水排除方案需根據基坑的實際情況、周邊環境、地質條件進行設計，設計不妥容易導致周邊建筑物及圍護體系發生變形，而目前常用的排水方式主要有輕型井點、多級輕型井點、噴射井點、電滲井點、真空降水管井、截水、井點回灌技術。各種技術所對應的排水深度及地質條件各有不同。

3.5 基坑的監測及智能化應用

3.5.1 基坑監測的必要性

在施工過程中無法避免對周邊土體、環境、建筑物及地下設施的擾動，然而過程監測已經成為必不可少的重要環節。在一些復雜的圍護體系中，因涉及的方面和考慮的問題較多，在綜合分析時無法從理論的角度測算出定量分析數據，只能依賴現場實時監測。通過傳統監測方式和現代預埋電子感應設備進行數據統計和分析，為基坑圍護結構險情提前預警。

3.5.2 基坑監測的目標

在基坑開挖和施工過程中，必須要安排經驗豐富的工程師進行巡視觀察，主要是對支護結構頂部、鄰近建筑物及鄰近地面可能出現的裂縫、塌陷和支護結構工作失常、流土、流沙、滲漏或局部管涌等不良現象的發生和發展進行記錄、檢查和綜合分析，發現問題，及時通報。當監測數據出現以下情況時要加強監測，提高監測頻率，進行數據分析：

（1）監測數據達到報警值；

（2）監測數據變化量較大或者速率加快；

（3）存在勘察中未發現的不良地質條件；

（4）超深、超長開挖或未及時加撐等未按設計施工；

（5）基坑及周邊大量積水、長時間連續降雨、市政管道出現泄漏；

（6）基坑附近地面荷載突然增大或超過設計限值；

（7）支護結構出現開裂；

（8）周邊地面出現突然較大沉降或嚴重開裂。

3.5.3 基坑監測的手段

在基坑監測過程中，對一些常規的建筑物或臨時構筑物在水平和垂直方向的監測主要采用全站儀和水準儀。為實現智能化，在一些關鍵監測方面我們需依靠斜側管、安裝鋼筋計、錨桿軸力計、土壓力盒、孔隙水壓力計，運用傳感器進行全自動采集，通過采集和無線傳輸系統實現遠程監控，形成智能化工地。

3.5.4 智能化應用

目前基坑支護單元計算設計軟件及基坑數字化遠程監控軟件較多：如理正、同濟曙光等，運用計算機軟件計算，不僅可以從基坑支護結構的平面布置、內支撐設置，到支護結構的空間分析、配筋計算、構件歸并、計算書及施工圖的生成，全過程實現了計算機化。計算理論先進、有效解決工程難題、降低工程造價。同時它可以實現基坑數字化遠程監控。在基坑施工監測的基礎上，對基坑關鍵部位的受力、變形采用全自動監測，并可以建立數字化的施工安全監控系統，實現監測數據的網絡化、可視化及安全預警。項目監測智慧化實現了基坑變形和受力關鍵部位全自動實時監測，可以通過Internet能隨時隨地訪問監測數據，實現監測數據可視化，并能完成監測數據的自動安全預警。

4 基坑圍護結構常見問題的分析和應對策略

基坑圍護結構作業面大、范圍廣，在監測和勘察時總會有考慮不周的地方，所以它的不確定性較多。同時地層下面的東西我們無法通過肉眼能觀測和全面判斷，從而再萬全的圍護方案也隱埋著不同的危險源。在施工過程中因風險源引起最多的問題主要有支撐失穩、基底隆起及突涌、圍護結構滲漏水、基坑邊坡坍塌、周邊建筑物變形及裂縫。

4.1 支撐失穩

4.1.1 原因分析

造成支撐失穩的原因主要有3個方面：（1）支撐軸力超過設計軸力，導致支撐失穩；（2）支撐與圍護結構接觸不密實、牢固，導致支撐受力偏心滑移失穩；（3）支撐受到外力撞擊失穩。

4.1.2 應對策略

支撐失穩危險性比較大，會導致支撐滑落傷人和危及基坑安全，甚至造成大的安全事故。為了防止支撐失穩，基坑開挖前組織一定的鋼支撐備用，一旦出現支撐軸力過大現象，超過了軸力預警值，迅速增加支撐數量，分散支撐軸力；防止吊裝物品和挖掘機碰撞鋼支撐。嚴格控制開挖順序，合理安排、協調施工，掌握好“分層、分段、分塊、對稱、限時”五個要點，并遵循“豎向分層、水平分區分段、開挖支撐、先撐后挖、嚴禁超挖、基坑底墊層要求隨挖隨澆”的原則進行施工。土方開挖過程中，機械設備行走路線安排專人指揮，嚴禁碰撞支撐系統；夜間施工設置足夠照明燈具，保證工作面無陰暗死角；鋼立柱四棱邊涂刷夜光警示漆進行標識。

4.2 基底隆起及突涌

4.2.1 原因分析

隆起是由于上部土體被挖掉，導致基底上部土壓力荷載消失，基底以下土體的原有壓力釋放，使土體向上鼓動。突涌是基底下承壓水沖破其上部土體，發生水及砂子涌向基底表面。

4.2.2 應對策略

為了防止發生突涌和減少基底隆起，基坑開挖前做好基坑排水，加強對微承壓水位的觀測，提前計算承壓水頂部土體的重量，根據承壓水頭壓力核算抗浮安全性。當挖到基底以后，及時組織墊層施工，將基底進行封壓，減少基底反彈。發生基底突涌時立即停止開挖，撤出施工人員和機械，嚴禁重型機械靠近。在突涌處先用草袋、砂袋分層交替進行壓堵，減少透水量，防止砂子流失，然后對突涌處注雙液漿進行封閉加固。在突涌發生后，組織在基底處挖簡易排水溝，在溝內鋪設塑料布，將涌水引到旁邊，用水泵及時抽走，防止基坑內出現大量積水。

4.3 圍護結構滲漏水

4.3.1 原因分析

圍護結構局部沒有實現完全封閉，存在透水通道和薄弱環節，當基坑內土方挖掉后，在基坑內外壓力差的作用下，坑外地下水沖破阻力滲入或涌入基坑。止水帷幕設計深度不夠，與土層接頭不密實，開挖后地下水滲入或涌入基坑。

4.3.2 應對策略

（1）嚴格控制止水帷幕施工質量，確保止水范圍、深度及效果達到設計預期效果；（2）基坑先撐后挖，開挖時對稱、均衡，逐步釋放土體應力，使支撐體系均勻受力，防止因支撐內力不均衡導致圍護結構開裂滲水；（3）土體分層開挖，開挖過程中加強現場巡視，一旦發現側壁存在滲漏現象，立即停止該處開挖施工（水量大時，堆砂袋加壓），依據“截、堵、疏”原則，對滲漏部位進行處理，完畢后再進行開挖施工；（4）止水帷幕以下開挖一層，掛網噴錨一層，及時對側壁進行封閉；（5）設反濾層及泄水孔，按照設計要求布置孔位，確保泄水孔不堵塞。

4.4 基坑邊坡坍塌

4.4.1 原因分析

邊坡坍塌主要原因：（1）邊坡放坡不合理；（2）在進行邊坡混凝土封面時未設置泄水孔或泄水孔數量不足及堵塞；（3）基坑上面周邊范圍內未進行混凝土硬化封閉，周邊的截排水措施做得不到位。

4.4.2 應對策略

基坑開挖時嚴格按照設計放坡要求開挖，同時在基坑上方周邊范圍內做好相應的硬化和截水及排水措施；在進行邊坡表面噴射混凝土時按照設計要求做好泄水孔的設置并確保不能堵塞。

4.5 建筑物變形及裂縫

4.5.1 原因分析

周邊建筑物變形及出現裂縫的原因：（1）在基坑支護或者是樁基施工時，因工藝要求，所產生的震動使周邊土體發生變化；同時有可能因場區地下水潛水對混凝土結構具弱腐蝕性，對混凝土結構中鋼筋在長期浸水和干濕交替作用條件下均具弱腐蝕性，場區地下水承壓水對混凝土結構具微腐蝕性。在施工中受震動作用，結構發生變化。（2）因土方開挖后，支護體系對土體的作用力不足，導致土層發生變化，建筑物下部結構受力不均，產生了裂縫。（3）在進行降水時，降水措施不到位，致使周邊建筑物下部的土體塌陷。

4.5.2 應對策略

在樁基礎施工時，合理地選用鉆進方式，避免選用震動較大的施工工藝；對于結構體系，在有位移時做好內撐或者進行鉆孔錨拉；針對因降水措施導致的地下水位降低，地層下陷的情況，合理地做好井點回灌。對已產生地層裂縫時，及時地停止作業，進行水泥灌注。

5 結束語

隨著地下空間的開發進程加快，基坑的設計及施工的重要性日益凸顯?；邮┕な墙ㄖこ添椖康凝堫^，俗話說基礎不牢，山動地搖。而且基礎及地下施工在項目的造價中也占據了一大部分，一個好的基坑圍護方案不僅節約成本，還消除了工程中最大的安全隱患。積極地運用軟件設計不僅避免了人工測算的錯誤及考慮不周，同時實時監測系統的應用也提高了監測水平和監測效率，并能提前對無法人工量化的預測提前警報。同時智慧化工地的建設已成為下一階段建筑業發展的主流方向。智慧化工地的推廣已迫在眉睫，它是建筑業向現代化、科技化發展的必要手段之一。