深基坑支護施工技術(shù)與安全管理分析

蔡毅斌 (福建省二建建設(shè)集團有限公司，福建 福州 350001)

1 引言

基坑工程的施工是建筑工程建設(shè)過程中的重要環(huán)節(jié)，對上部主體結(jié)構(gòu)的承載安全穩(wěn)定性具有重要的影響。對于深基坑工程，當前我國主要面臨開挖深度深、難度大、風險大、區(qū)域性強、個性強、環(huán)境效應(yīng)明顯、質(zhì)量要求高等特點[1]，需要采用恰當?shù)氖┕し椒ㄒ约敖⒘己玫陌踩芾碇贫葋頊p少施工過程中的危險性，同時保障工程的經(jīng)濟效益。

針對深基坑工程支護，學者們進行了較為深入的研究，代宏峰等[2]針對軟土地區(qū)的深基坑工程土方開挖和地表變形之間的關(guān)系進行研究，指出小面積的開挖方式在樁基圍護結(jié)構(gòu)下有利于控制基坑變形；林巧等[3]針對軟土深基坑工程對綠色高效支護體系進行研究，結(jié)果表明該新型綠色組合支護體系能夠較好滿足基坑變形與穩(wěn)定要求。熊磊[4]對深基坑常用的支護設(shè)計與施工的要點進行分析，對深基坑開挖環(huán)節(jié)的設(shè)計與施工要點進行闡述說明。武永梅[5]研究建筑工程基坑支護冠梁施工技術(shù)，高質(zhì)量的冠梁施工技術(shù)可以提升工程項目建設(shè)質(zhì)量，節(jié)約施工成本。為進一步提高深基坑施工工藝，本文開展深基坑支護施工技術(shù)與安全管理探析。

2 工程概況

本項目建設(shè)6 層教學綜合樓3 幢、6層宿舍樓1幢、5層實驗樓1幢、3層體藝館1 幢、1 層門衛(wèi)2 幢，均為框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。總建筑面積66827.81 m2，地下室面積5581.01m2。本工程地下室一層，在4#、5#樓范圍內(nèi)，地下室埋深約為5.4～5.7m，頂板高程8.8～8.1m，底板高程4.0m，開挖深度約5.9～6.2m。

因場地受限制，故基坑采取加固措施，基坑周長約為345m。根據(jù)該場地的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、周邊環(huán)境等條件，依據(jù)動態(tài)設(shè)計的原則，本工程基坑支護東側(cè)采用雙排沖（鉆）孔灌注樁支護，其余三側(cè)采用懸臂沖（鉆）孔灌注樁支護（局部被動區(qū)采用高壓旋噴樁加固形成組合支護體系），沖（鉆）孔灌注樁后側(cè)設(shè)置一排高壓旋噴樁擋土止水，基坑側(cè)壁安全等級為二級，重要性系數(shù)γ0=1.00。基坑內(nèi)地下已全部排查過，無管網(wǎng)管線。基坑內(nèi)有4#樓及地下室管樁基礎(chǔ)和5#樓部分沖孔樁基礎(chǔ)，開挖土方時應(yīng)對樁基礎(chǔ)進行保護性開挖。

基坑四周邊坡設(shè)泄水管，坡底設(shè)置排水溝，將地下水排入坑內(nèi)排水溝內(nèi)，再由集水井用水泵排出坑外。基坑四周頂部設(shè)截水溝，阻止地表水流入坑內(nèi)。基坑內(nèi)未布設(shè)降水井，設(shè)計采用集水明排的方式排水。在基坑頂周邊布設(shè)截水溝攔截地表水，基坑底布設(shè)排水溝排泄地下水，將地表水與地下水通過分水嶺分別攔截至沉淀池、集水井中，并疏排至附近市政管網(wǎng)。集水溝、集水井的底及側(cè)壁厚均為120mm，采用M5 水泥砂漿、Mu10 混凝土磚砌筑。基坑支護布局，如圖1所示。

圖1 基坑支護布局

3 施工流程

場地整平→沖孔灌注樁施工→高壓旋噴樁施工→護坡及冠梁土方及坡頂排水溝（基坑監(jiān)測）分段施工→冠梁模板、鋼筋混凝土施工→大面積土方開挖（從西向東側(cè)出口方向開挖）土方分層分段開挖至冠梁底（原地面至-2.5m）→冠梁養(yǎng)護至設(shè)計強度70%以上→第二層大面積土方開挖（從西向東側(cè)出口方向開挖，3#塔吊基礎(chǔ)承臺土方開挖配合施工），分層分段施工（原地面至-5.6m）→分層分段跟進清理基坑樁身和樁間浮土，樁間布設(shè)鋼筋網(wǎng)噴射混凝土面施工→分段土方開挖至基坑底標高→承臺、坑中坑土方放坡開挖→地下室承臺、底板墊層、磚胎模施工、防水施工（樁基驗收）→地下室底板混凝土（按后澆帶）分段施工，地下室結(jié)構(gòu)施工至±0.00→土方回填。

4 基坑支護工程

4.1 基坑工程特點

本基坑支護及土方開挖工程需開挖約5.9～6.2m，基坑側(cè)壁土層主要為雜填土、淤泥及殘積砂質(zhì)粘性土，無法垂直開挖。基坑邊坡整體的穩(wěn)定性差，應(yīng)采用必要的支護措施確保基坑邊坡安全。場地內(nèi)地下水水位較高，影響基坑穩(wěn)定性的主要土層是雜填土的地下水，支護設(shè)計工程設(shè)置雜填土、淤泥及殘積砂質(zhì)粘性土層止水帷幕。施工中應(yīng)加強對基坑開挖施工、周邊環(huán)境及坑壁土體位移、變形和支護系統(tǒng)等的動態(tài)監(jiān)測，確保施工安全和質(zhì)量，同時基坑施工時應(yīng)注意避開雨季洪水期等不利影響。

4.2 沖孔灌注樁施工

4.2.1 沖孔樁埋設(shè)護筒施工

在沖孔灌注樁施工中，鋼護筒的埋設(shè)和加工是重要的環(huán)節(jié)。鋼護筒的埋設(shè)采用挖埋式，在鉆孔施工過程中，將護筒逐步沉入地下，形成支護結(jié)構(gòu)。對鋼護筒進行接長，以滿足深基坑支護的要求。鋼護筒擬定高度1.2m，露出地面0.3m，壁厚4mm。鋼護筒在現(xiàn)場布置的加工廠內(nèi)進行加工，采用雙面坡口焊接工藝制作鋼護筒，確保焊縫的連續(xù)性和密封性，防止漏水。使用全站儀在護筒下放完成后復(fù)核平面位置和垂直度，確保技術(shù)指標中心偏差ΔS＞50mm，傾斜率f＞1%，對未達標護筒進行重新調(diào)整下放，直到其滿足規(guī)范要求。

4.2.2 沖孔樁成孔施工

采用現(xiàn)代工具旋挖機進行成孔，在護筒埋設(shè)并定位后，使用SR-250 型轉(zhuǎn)挖機鉆進，在鉆機鉆至設(shè)計孔深后，將鉆頭降至孔底，慢轉(zhuǎn)，清除殘余泥漿，此外鉆孔灌注樁樁有效樁長應(yīng)滿足設(shè)計要求。

基于上述施工完畢后對孔內(nèi)進行二次反循環(huán)清孔施工。

①一次清孔。首先，鉆孔機會將鉆頭降至設(shè)計孔深或滿足設(shè)計要求的位置。然后，鉆頭以慢速旋轉(zhuǎn)的方式進行鉆進，同時清除孔內(nèi)殘余的泥漿，通過旋轉(zhuǎn)鉆頭和鉆桿的方式將殘余的泥漿從孔底帶出。

②二次反循環(huán)清孔。完成一次清孔后，進行二次反循環(huán)清孔。這個過程通過高壓管向?qū)Ч軆?nèi)輸水直到管內(nèi)的泥漿比重小于管外，形成壓力差，由內(nèi)向外抽吸管內(nèi)泥漿至地面沉淀池內(nèi)。

4.2.3 鋼筋籠施工

鋼筋籠縱筋和加勁箍鋼筋采用HRB 400 普通鋼筋，螺旋箍鋼筋采用HPB 300普通鋼筋。鋼筋籠采取分段制作。鋼筋籠將主筋的接頭分段布置，避免出現(xiàn)接頭集中在同一位置的情況。在同一截面內(nèi)，接頭的數(shù)量應(yīng)該控制在主筋總根數(shù)的50%以內(nèi)，避免接頭過多導(dǎo)致接頭區(qū)域的強度降低，影響支護結(jié)構(gòu)的整體性能。接頭采用直螺紋連接，加強筋與主筋間采用點焊連接，螺旋箍筋與主筋間采用點焊。

5 冠梁施工

項目冠梁工程采用混凝土強度等級均為C30，冠梁截面尺寸為1100mm×700mm，連梁截面尺寸為600mm×600mm。混凝土保護層厚度均按設(shè)計規(guī)范中環(huán)境類別為二a 類采用，其中冠梁的鋼筋均通長設(shè)置。冠梁的頂面標高誤差控制在±20mm 以內(nèi)，保證支護樁水平力的正常傳遞。冠梁施工工藝流程為測量放樣→冠梁鋼筋綁扎→支模→澆筑→拆模及養(yǎng)護。

5.1 鋼筋綁扎

在綁扎鋼筋之前，對計劃使用的鋼筋數(shù)量、類型、型號和直徑進行復(fù)核，確保符合設(shè)計要求與設(shè)計規(guī)范。在綁扎鋼筋之前，需要清理冠梁空間內(nèi)的雜物，確保鋼筋能夠順利安裝。對縫處施工的鋼筋進行調(diào)直處理，確保鋼筋在綁扎過程中的準確位置和垂直度。在鋼筋位置測放后，綁扎鋼筋。確保交叉點牢固以免出現(xiàn)鋼筋變形和松脫。綁扎時需要使用合適的鋼筋綁扎工具，如鋼絲繩或鋼筋綁扎機。箍筋的設(shè)置應(yīng)垂直受力鋼筋。在箍筋彎鉤疊合處沿受力筋方向錯開設(shè)置以增加鋼筋的連接性能。

5.2 模板支立

鋼筋綁扎完成后，支撐冠梁模板。在支立模板之前，應(yīng)該清理模板表面，確保其干凈無雜物，并涂刷隔離劑，以防止混凝土與模板相互粘結(jié)。為防止板內(nèi)漏漿保證混凝土質(zhì)量，模板支撐安裝須密實拼接且平整牢固。當混凝土支撐開挖至設(shè)計標高后進行復(fù)測，確保底模的保持平整和高程位置準確。同時夯實基底防止底模在混凝土澆筑過程中沉降，影響施工質(zhì)量。確保模板的安裝軸線位置和截面尺寸準確無誤。冠梁模板由側(cè)模、主龍骨、次龍骨、平撐、斜撐等組成。主龍骨和次龍骨間距分別為1.0m 和0.3m，斜撐和平撐與主龍骨采用扣件連接保證模板的穩(wěn)定性。在內(nèi)側(cè)模板底部加設(shè)海綿條防止混凝土澆筑時發(fā)生漏漿，確保模板承載能力滿足要求。

5.3 澆筑混凝土

根據(jù)國家規(guī)范標準，對水泥、碎石、砂及外摻劑等材料質(zhì)量進行嚴格把關(guān)。混凝土澆搗前，清理模板內(nèi)雜物，對混凝土攪拌車內(nèi)混凝土坍落度、可泵性進行檢查，確認可行后使用插入式振搗器間隔50cm 對混凝土分點振搗。在混凝土開始流入模板之前，先使用振動器對料口處的混凝土進行振搗，使混凝土在料口處形成自然流淌的坡度，有利于混凝土的均勻流動和充實。在混凝土開始流動后，使用振動器對整個澆筑區(qū)域的混凝土進行全面振搗，振搗應(yīng)從澆筑的一側(cè)開始，逐漸向另一側(cè)推進，確保混凝土充實并排除其中的氣泡。對于冠梁與鋼筋混凝土支撐節(jié)點，應(yīng)分段分批進行澆筑施工。接頭處新舊混凝土的接合面應(yīng)進行鑿毛處理，以增加接觸面積和粘結(jié)力。

5.4 拆模以及養(yǎng)護

混凝土達到規(guī)定強度后進行模板拆除。在澆筑完畢后的12h 以內(nèi)對混凝土加以覆蓋并保濕養(yǎng)護。對不超過100m3同一配合比混凝土取樣不得少于一次。在混凝土強度達到1.2 N/mm2前，不得在其上進行施工流程以免影響混凝土質(zhì)量導(dǎo)致出現(xiàn)蜂窩、露筋、麻面、孔洞等質(zhì)量通病。

6 土方開挖施工

6.1 施工準備

基坑開挖前核實場地是否有排水管道等基礎(chǔ)設(shè)施及地下設(shè)施。進行詳細的地下管線調(diào)查，包括給排水管道、煤氣管道、電力線纜、電話線等。在施工現(xiàn)場使用明顯的標記，將地下管線的位置標示出來。采取防護板、護欄、擋土墻等物理隔離措施，以防止土方施工對管線造成損害。土方開挖布置圖2如圖所示。

圖2 土方開挖布置圖

6.2 土方開挖施工方法及施工流程

采用施工機械與人工挖土相配合的施工方法。開挖到接近坑底部位，采用人工開挖，基坑土方開挖應(yīng)嚴格分層進行，機械開挖至承臺、地梁墊層底之前應(yīng)預(yù)留300mm 保護層，改用人工開挖。在進行土方開挖前，核驗定位樁的準確性和完整性，確保樁號和位置與設(shè)計圖紙一致，并進行必要的修復(fù)或補充。對軸線和標高控制網(wǎng)進行全面復(fù)核，確保其準確性。在土石方開挖過程中，通過在控制樁上設(shè)置臨時標志物或使用測量儀器進行測量，將軸線和標高分別引測到控制樁的內(nèi)側(cè)。使用較明顯標識物在挖土的過程中標示出軸線和標高控制點，如紅漆等。當挖土距設(shè)計標高尚有40cm 時，在坑底標示紅漆控制人工清底深度，有助于指導(dǎo)挖掘機操作員在達到設(shè)計標高前適時停止挖掘。施工順序主要如下。

①第一層土方開挖。先開挖冠梁及坡面土方，待冠梁及噴射混凝土面層完成后，采用反鏟挖掘機開挖第一層土方（原地面至冠梁底高程7.0m）。開挖方向按照從西向東的開挖順序進行土方分層分段開挖施工。開設(shè)兩條土方運輸施工便道，施工便道從西往東鋪設(shè)寬度約6m，分別從南北兩個門出入。

②第二層土方開挖。待上排噴射混凝土面層及冠梁達到設(shè)計強度70%后，采用反鏟挖掘機開挖第二層土方至高程1.3m。開挖方向按照從西向東的開挖順序進行第二層土方分段開挖施工。

③第三層土方開挖。采用人機配合的形式，使用反鏟挖掘機放坡分段開挖土方至基底設(shè)計標高。

④塔吊基礎(chǔ)承臺土方開挖。當?shù)谌龑油练介_挖至設(shè)計標高后，塔吊基礎(chǔ)承臺根據(jù)塔吊樁位置，開挖塔吊承臺基礎(chǔ)及施工操作面土方。

7 安全管理

7.1 安全管理目標

深基坑支護安全管理始終貫徹“安全第一，預(yù)防為主，綜合治理”的準則，努力創(chuàng)造安全、文明的良好工作環(huán)境。保證整個工程項目在建設(shè)過程中不產(chǎn)生重大安全責任事故，因工死亡率為零，重大設(shè)備事故為零，火災(zāi)、重傷事故為零，因工輕傷。

7.2 基于BIM技術(shù)的安全管理

基于BIM 技術(shù)的深基坑支護安全管理可以為項目提供更高效、準確和可視化的管理手段。使用BIM 技術(shù)可以對深基坑進行三維建模和模擬，包括地質(zhì)情況、支護結(jié)構(gòu)、施工過程等。通過模擬，可以預(yù)測潛在的安全風險，并優(yōu)化設(shè)計和施工方案。BIM 技術(shù)可以實時監(jiān)測深基坑施工過程，包括土方開挖、支護結(jié)構(gòu)搭設(shè)、地下水處理等。通過傳感器和數(shù)據(jù)采集，可以獲取施工過程中的實時數(shù)據(jù)，并與BIM 模型進行對比和分析，及時發(fā)現(xiàn)施工偏差和安全風險。BIM 技術(shù)可以用于安全培訓和演練，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)將深基坑施工場景模擬出來，培訓工人和管理人員熟悉施工流程和安全操作規(guī)程。同時，可以進行緊急情況的演練，提高應(yīng)急響應(yīng)能力。BIM 技術(shù)可以對深基坑施工的各類數(shù)據(jù)進行管理和分析，包括設(shè)計數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)等。

基于BIM 技術(shù)的深基坑支護安全管理可以提供全方位的管理手段，從設(shè)計階段到施工和監(jiān)測階段都能夠更好地預(yù)測和管理安全風險，提高施工安全性和效率。深基坑平面布置BIM 模型，如圖3 所示；深基坑施工BIM 模型，如圖4所示。

圖3 深基坑平面布置BIM模型

圖4 深基坑施工BIM模型

7.3 安全部署

本工程先進行場地平整施工、支護灌注樁施工、高壓旋噴樁施工，開挖基坑周邊自然放坡層土方至-2.4m(冠梁底)，冠梁連梁鋼筋混凝土施工，自然放坡面噴射混凝土施工。之后進行第一層土方開挖外運，大面積土方開挖方向從西向東側(cè)出口方向開挖，分層分段施工，標高控制在-2.5m 左右。待冠梁強度達到設(shè)計要求后開挖第二層土方，從西側(cè)往東向退挖，并分層清理基坑樁身和樁間浮土，樁間布設(shè)鋼筋網(wǎng)噴射混凝土噴面，分層分段開挖至墊層標高上300mm。然后開挖承臺及坑中坑土方，其中坑中土方應(yīng)放坡開挖。開挖時，嚴禁同側(cè)承臺土方同時開挖至底部，以確保開挖過程中土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，避免已施工的支護結(jié)構(gòu)外移。

8 結(jié)論

深基坑支護施工技術(shù)和安全管理是保障深基坑工程施工安全的重要措施，本文為保證基坑圍護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和施工進度的順利進行，采用一系列的工程技術(shù)措施對基坑進行加固和支護，圍繞沖孔灌注樁施工、冠梁施工、土方開挖等展開研究，應(yīng)用BIM 技術(shù)開展深基坑支護安全管理研究。