復雜環境下基坑變形控制施工關鍵技術研究

劉國權（綠城建筑科技集團有限公司，浙江 杭州 310000）

深基坑工程在圍護結構施作和土方開挖卸載作用下，基坑內外的土壓力差使得天然狀態下的土體應力路徑發生改變，導致土體結構內部的應力發生重新分布，土壓力逐步傳遞給圍護結構，這種應力傳遞過程也會給土體的天然結構性產生影響，強度和剛度不可避免地產生折減，土體顆粒也會發生遷移和重分布現象，進而導致圍護結構的變形和土體的位移[1-3]。因此，在城市高度開發的區域開挖深基坑工程，環境的高度敏感性對基坑施工變形控制提出了更為嚴格的要求[4]。

基于此，本文依托浙江省杭州市某商業園區高層建筑深基坑工程，綜合分析基坑周邊環境、地質條件和基坑設計條件的基礎上，針對土方開挖、地下連續墻和SMW 工法3 個關鍵技術展開研究，以減小施工對土體的擾動和控制土體的變形，并運用現場實測的方法對圍護結構和周邊地下結構位移的變形進行監測，研究成果可應用于城區復雜環境下的基坑變形施工控制中。

1 工程概況

浙江省杭州市某商業園區高層建筑深基坑工程面積2.5萬m2，為2層地下停車場，基坑平面大致為梯形，東西寬約140m，南北長約180m。基坑周邊環境復雜，基坑北側和西側均為城市主干道，交通較為繁忙，東側為城市次干道，距離基坑邊線20m為既有小區，南側為城市次干道，下部修建有地下通道，地下通道的混凝土結構側墻與基坑邊線的距離為2.5m，基坑開挖深度為9m。基坑開挖深度范圍內地層較為復雜，主要為黏性土和細砂，存在不良地質層為淤泥質黏土，基坑開挖影響范圍內各層土的基本物理力學參數如表1所示，基坑潛水面深度為地表以下1.5m，基坑開挖時為了保證作業面的無水環境，均應將地下水水位控制在開挖面以下1m。基坑周邊環境如圖1 所示，基坑場區土層基本物理力學參數見表1。

表1 基坑場區土層基本物理力學參數

圖1 基坑周邊環境分析

基于復雜的周邊環境和地質條件，基坑東側、北側和西側安全等級為三級，環境保護等級為三級，均采用單排鉆孔灌注樁+三軸攪拌樁工法+1 道鋼筋混凝土鋼支撐+1 道鋼支撐的支護結構形式，鉆孔灌注樁的直徑為800mm，中心間距為1000mm，深度為18m；基坑南側基坑安全等級為三級，環境保護等級為二級，采用地下連續墻+1道鋼筋混凝土支撐+1道鋼支撐的支護結構形式，地下連續墻的厚度為800mm，標準寬度為6000mm，深度為16m。第1道鋼筋混凝土支撐的尺寸為600mm×600mm，混凝土等級為C35，支撐位置為地表下1.5m；第2道鋼支撐直徑為609mm，壁厚16mm，支撐位置距離第1道支撐3.5m。

2 深基坑工程變形施工控制關鍵技術

2.1 深基坑工程分層開挖控制

由于基坑面積大、土方量大，且存在較厚的軟黏土層，這些軟黏土具有一定的結構性，在受到開挖擾動后，其強度會折減[5]。為了減小土體和圍護結構自身的變形，在深基坑開挖過程中采用分區分層對稱開挖的施工方式，減小開挖面積，以降低開挖過程對基坑土體的擾動。如圖2所示，基坑從西到東大致劃分為3個大區，分別為A區、B區和C區，其中，A區和B區劃分為3個小區，C區劃分為5個小區。在施工時，按先西后東、先北后南的順序施工，A 區施工完成后再施工B 區，最后施工C 區，先施工的區域比后施工區域的超挖深度不超過1.5m。A 區具體開挖順序為A-1 區→A-2 區→A-3區，B區具體開挖順序為B-1區→B-2區→B-3區，C區具體開挖順序為C-1區→C-2區→C-3區→C-4區→C-5區。

圖2 基坑分層分區對稱開挖

土層一次性開挖長度不超過30m，且控制好每層開挖的厚度，一般分層厚度不能超過2m，邊開挖邊監測土體和基坑支護體系的受力和變形，并及時施作支撐。在開挖至設計坑底標高時，預留300mm，不采用機械開挖而采用人工開挖的方式以減小對坑底原狀土的擾動，并在24h 內施作封底混凝土，在10d 內施作地下室底板。

2.2 深基坑工程地下連續墻施工控制

基坑南側緊貼城市地下通道施工，為了減小基坑變形過大對地下結構的影響，基坑圍護結構采用了剛度、強度較大、防透水能量強的地下連續墻結構。地下連續墻采用SG46 型液壓抓斗型地下連續墻成槽機施工，采用間隔式垂直挖槽方法以提高成槽質量，其施工控制流程如圖3所示。

圖3 地下連續墻施工控制流程

在開挖前，應對每個節段的地連墻幅進行劃分，成槽機機斗垂直懸掛開挖，開挖過程中及時補充新配置泥漿維持槽壁的穩定，保持泥漿液面穩定，并對泥漿的配合比進行優化，使其適應不同地層的掘進，挖槽過程中維持正常的成槽速度，嚴禁快速下放或提升，對完成后的兩幅相鄰地下連續墻采用焊接工字型接頭進行連接，達到止水和擋土的要求[6-7]。

2.3 深基坑工程三軸攪拌樁施工控制

深基坑東側、北側和西側采用單排鉆孔灌注樁支護形式，為了避免軟黏土的大變形，在樁孔灌注樁的基礎上采用了三軸水泥土攪拌樁的土體加固措施，并起到隔離樁間土和止水的效果。三軸水泥土攪拌樁的直徑為850mm，咬合間距為250mm。施工時，定位樁位偏差不應大于50mm，并應保證水泥土能夠充分攪拌混合均勻，攪拌樁水泥摻量控制為20%，水灰比為1.8，水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，采用連續套接一孔施工，搭接形式為全斷面套打，三軸攪拌樁機械的下放速度不應超過0.8m/min，提升速度不應超過1.5m/min，高壓注漿泵的壓力不大于0.8MPa，樁底部分適當持續攪拌注漿，水泥土攪拌樁28d 無側限抗壓強度不小于0.8MPa[8]。

3 深基坑工程變形施工控制效果

為了研究基坑施工的變形控制效果，基于現場實測方法，對基坑開挖過程中圍護結構和南側的地下通道結構進行變形監測。圖4為基坑東側、西側和北側圍護樁的最終水平位移平均值曲線，圖5為基坑南側地下通道結構物的沉降變形曲線。

圖4 基坑圍護樁結構水平位移變化曲線

圖5 城市地下通道結構底部的沉降變形曲線

從圖4中可以看出，3個基坑邊線的圍護樁水平位移曲線規律基本一致，均隨著深度的增加而呈非線性增加，并在基坑底部附近達到峰值，在深度14m 以下，圍護樁的水平位移趨近于零。其中，在第1道混凝土支撐位置處，由于橫向混凝土支撐結構的剛度較大，使得不同基坑邊線的圍護樁水平位移較小且分布較為均勻，西側圍護樁的水平位移為1.92mm，東側圍護樁的水平位移為1.77mm，北側的圍護樁的水平位移為2.02mm；在第2道鋼支撐位置處，不同基坑邊線的圍護樁水平位移的增速最大，圍護樁水平位移在基坑周邊的分布不均，西側圍護樁的水平位移為7.98mm，東側圍護樁的水平位移為3.65mm，北側的圍護樁的水平位移為6.18mm；在基坑底部，各基坑邊線處的圍護樁水平位移均處于峰值，西側圍護樁的水平位移為14.25mm，東側圍護樁的水平位移為9.49mm，北側的圍護樁的水平位移為12.92mm，所有水平位移峰值均在規范要求限值內（30mm），由此表明，所提出的圍護方案合理，所提出的變形控制施工技術達到了降低基坑變形的目的。在實際開挖過程中，有必要控制第2道支撐至基坑底部時的開挖速率，必要時可增加1 道鋼支撐，以減小土體卸載造成的圍護樁變形。整體而言，基坑西側和北側的圍護樁結構水平位移較為接近，且大于基坑東側圍護樁結構水平位移。從圖2和圖4中容易發現，相比于A區、B 區，東側（C 區）基坑開挖分區面積更小，數量更多，因此，其基坑水平位移也控制更好。在實際工程開挖過程中，在兼顧工程土方開挖速率和開挖便利性的條件下，可以將開挖面積劃分更小，這樣對基坑圍護結構變形控制更為有利。

圖5 為基坑南側城市地下通道結構底部的沉降變形曲線。從圖5中可以看出，地下通道結構沉降呈現明顯的非線性單調增加并趨于穩定的變化規律，大致可以劃分為2個階段，在基坑開挖30d以內為沉降變形增長階段，而在30d 以后為沉降變形穩定階段，沉降穩定值為5.35mm，遠小于結構沉降控制10mm的限值要求，表明基坑南側采取的地下連續墻變形施工控制技術取得良好的變形控制效果。

4 結語

以浙江省杭州市某商業園區高層建筑深基坑工程為研究對象，針對土方開挖、地下連續墻和SMW工法3個關鍵技術展開研究，以減小施工對土體的擾動和控制土體的變形，并運用現場實測的方法對圍護結構和周邊地下結構的變形進行監測，得到以下結論：

（1）深基坑開挖采用分區分層對稱開挖的施工方式，共劃分為3個大區、11個小區。圍護樁水平位移監測表明，在兼顧工程土方開挖速率和開挖便利性的條件下，可以將開挖面積劃分更小，對基坑圍護結構變形控制更為有利。

（2）3個基坑邊線的圍護樁水平位移均隨著深度的增加而呈非線性增加，并在基坑底部附近達到峰值，在深度14m以下圍護樁的水平位移趨近于零；在第1道混凝土支撐位置處圍護樁水平位移較小且分布較為均勻，在第2 道鋼支撐位置處圍護樁水平位移的增速最大；在基坑底部圍護樁水平位移均處于峰值。

（3）地下通道結構沉降呈現明顯的非線性單調增加并趨于穩定的變化規律，在基坑開挖30d以內為沉降變形增長階段，而在30d 以后為沉降變形穩定階段，沉降穩定值為5.35mm，遠小于結構沉降控制10mm 的限值要求。