剖析复杂环境下深基坑围护结构的方案与施工

　　摘要：基坑施工的好坏直接影响到工程的工期和安全质量，对整个工程起着决定性的影响。本文分析工程基坑围护结构在复杂环境下的方案与施工，确保深基坑施工和毗邻建筑物的安全，保证了深基坑施工的进度、安全及质量要求。
　　关键词：深基坑，围护结构，复杂环境，施工技术
　　
　　惠州某商业楼工程，长116．6m，宽84．2m，单体建筑面积67445．88m2，其中，地上8层，建筑面积47427．66m2，地下2层，建筑面积20018．22m2，是集办公、购物于一体的大型商业建筑。该工程为框架结构，柱距8．4m×8．4m，基础埋深10．75m，局部11．5m，属于典型的深基坑工程。
　　1、基坑工程的特点及难点
　　(1)地质条件复杂。本工程拟建场地地层由第四系河流相冲积成因的粘土、粉质粘土组成，下伏燕山期侵入的闪长岩各风化带，自上而下可分为5层，依次为：①杂填土，层厚0．30～1．20m；②粘土，层厚1．80～3．20m；③粉质粘土，层厚2．50～5．90m；④强风化闪长岩，层厚3．00～8．00m；⑤中等风化闪长岩。
　　另外，本工程地下水属第四系孔隙潜水，勘探期间测得地下水静止水位埋深2．5～3．2m
　　(2)周围环境复杂。该基坑东北角为1栋原有5层建筑物，距离拟建工程基坑开挖线约1．6m，东侧为1排原有1层建筑物，距离拟建工程基坑开挖线约8．2m，南侧为1栋原有1层建筑物，距离拟建工程基坑开挖线8．2～10．2m，西侧为3栋原有2～3层建筑物，距离拟建工程基坑开挖线约2．9～3．9m，东北角为1栋6层建筑物(砖混结构)，距离拟建工程开挖线约0．5～1．5m，地下水位埋深2．5～3．2m，具体情况如图1所示。
　　
　　图1基坑周边环境及平面
　　(3)工期紧。本工程工期紧张，要求90天内完成基础与地下室主体结构施工．
　　地质条件及周边环境复杂、建筑面积大、工期紧以及地下水位高，这些特点增加了本基坑工程施工的难度，因此，如何合理选择一个安全、经济、高效的深基坑围护结构方案，是本工程的重点和难点。
　　2、围护结构方案比选
　　针对本工程的实际情况，结合大型深基坑工程常用的围护结构形式，在本着方案科学合理、技术先进可行、工艺简单适用、措施保障得力、组织管理严密、计划详细实用的原则下，为确保工程质量、进度、安全及投资节省率，在方案设计阶段，对可行的两种方案进行了比较，见表1。方案的选择重点考虑以下内容：①如何有效解决上覆粘土下覆岩石条件下的深基坑支护及截水问题；②几乎无放坡开挖条件下的基坑围护体系、周边建筑物及地下管线的保护问题。
　　表1两种围护结构方案比较
　　优缺点 方案一 方案二
　　 排桩+止水帷幕 复合土钉墙+止水帷幕
　　优点 围护结构刚度大，整体性好，可以垂直开挖 施工方便，工期短，成本低
　　缺点 成本高，工期长 放坡后，场地更加狭窄
　　经过讨论和测算，方案2比方案1可节约造价不少于30％，工期可以缩短28天以上．根据以上比较，综合考虑工期、成本和施工难易程度等因素，本工程最终采用了方案2：复合土钉墙+止水帷幕的支护方式。
　　3、关键施工技术
　　3．1止水帷幕
　　本工程场区地下水位较高，且普遍存在杂填土、粉土及淤泥质黏土等软弱地层．在基坑降水过程中，由于地下水位降低引起地层沉降，进而会对邻近建筑物及周边市政管网等构筑物产生附加变形影响，因此，为减轻因基坑降水引起的附加沉降，本工程采取了在基坑外围设置止水帷幕，并在帷幕外进行地下水回灌的方案来确保基坑及周边环境的安全。
　　3．1．1高压摆喷止水帷幕设计
　　根据工程现场情况，在基坑北侧边坡、东侧边坡、南侧边坡及西侧局部边坡设置高喷止水帷幕进行基坑挡水，考虑到地质情况和帷幕设计深度，高压喷射采用摆喷(固结体为扇状)。
　　(1)高喷止水帷幕结构采用30°摆喷，使高喷帷幕之间形成“焊接”式连接，高喷帷幕采用孔距1．2m．由于基坑北侧为该市1条排洪污水沟，土方试开挖时发现污水沟漏水，因此，在基坑开挖降水时，高压摆喷形成的止水帷幕，能有效延长北侧的排洪沟污水地下径流途径，并形成有效的防护体系，如图2所示。
　　
　　图2高压摆喷止水帷幕简图
　　(2)高喷止水帷幕的主要参数选择。浆压：32～35Mpa；浆量：90L／min；水泥浆：密度大于1．40g／cm2；气压：0．7～0．8MPa；提速：15～20cm／min；摆速：15～20cm／min；摆角：30°；水泥用量：0．1～O．2t／m3。
　　(3)根据场地水文地质条件、地层结构、季节对地下水位影响等因素，高喷止水帷幕设计深度为17．0m，帷幕上标高为-2．0m，帷幕高度15．0m
　　3．1．2高喷止水帷幕施工
　　为防止井孔被泥阻塞，造孔完成后应立即用尼龙袋封堵。下管前需先进行地面水气试喷，各项工艺参数符合设计要求后方可下管。下管前为防止水气喷嘴堵塞，可用胶布包扎，喷嘴可边送浆边下管，待下管深度到达要求后方可喷射施工。下管过程中若遇特殊情况，如水压过高、喷嘴堵塞等，应立即停止下管，将喷管提出地面，处理完毕后再工作。制浆过程中应随时测量浆液比重，若浆液比重偏低，应随即加大水泥量，工作结束后，要统计该孔的材料用量，并核实是否符合技术要求。喷射结束后，随即在喷射孔内进行静压充填灌浆，回灌间隔时间不大于30min，直至浆液面不下沉为止。同时，应及时将各管路冲洗干净，不得留有残渣，以防堵塞，特别是输浆系统要冲洗干净，直至管路中出现清水为止，再移动高喷台车进行下个孔的喷射。布包扎，喷嘴可边送浆边下管，待下管深度到达要求后方可喷射施工．下管过程中若遇特殊情况，如水压过高、喷嘴堵塞等，应立即停止下管，将喷管提出地面，处理完毕后再工作。喷射结束后，随即在喷射孑L内进行静压充填灌浆，回灌间隔时间不大于30min，直至浆液面不下沉为止。同时，应及时将各管路冲洗干净，不得留有残渣，以防堵塞，特别是输浆系统要冲洗干净，直至管路中出现清水为止，再移动高喷台车进行下个孔的喷射。
　　3．2基坑降水
　　本工程基坑开挖深度约11m，根据地质勘查报告，基坑开挖可不考虑承压水突涌的影响，因此，本工程采用管井进行基坑的预降水。根据理论计算，本工程共设计24眼降水井，其中，沿基坑周边布置21眼，基坑内布置3眼。基坑内降水井设置在大跨度开间的房心处，避开柱基、墙基。
　　开挖后，根据基坑内出水情况，在基坑底四周设盲沟，盲沟宽50cm，深30cm，盲沟内用石子回填10～20mm厚，以利于排除地下残留水、降雨及施工积水。盲沟与集水井相连，集水井明水通过软管连接至汇水总管，中间井排水利用φ45mm软管引至最近的汇水总管。通过汇水总管引水至沉淀池，地下水经沉淀后排人出水口。
　　本工程基坑开挖采用管井降水方案，降水效果十分显著，基坑中的3眼降水井挖到设计标高后井中水位已经不影响施工，全部撤掉；清槽过程中发现基坑中存在岩层裂隙水，根据方案要求在跨中设置盲沟排水，为后序工作扫清了障碍。在土方开挖、运输过程中没有发生带水外运现象，没有出现因为降水不利导致土方停工现象，深井降水即经济又实用，为确保工程总工期提供了保障。
　　3．3基坑回灌
　　为避免基坑降水对周边建筑物产生影响，在土方开挖至地下水位后，本工程在基坑外侧设置回灌井补充地下水，以保持周边建(构)筑物的地下水稳定。回灌方法采用在汇水总管上焊接出水管，通过软管直接引水至回灌井。在软管的端头设置水龙头用来控制回灌水流量，本工程在施工过程中，沿基坑止水帷幕外侧设置了13眼回灌井，确保了基坑周围环境地下水的稳定，进而保障了周围建筑物及管线的安全和稳定。
　　本工程回灌井基本参数：井径φ600mm，井管径φ500mm；井深8m；井距26．0～30．0m。
　　3．4边坡支护
　　根据本工程的开挖深度、土层情况及周边建筑物情况，该工程基坑边坡支护采用复合土钉墙支护方案。
　　3．4．1复合土钉墙支护设计
　　边坡放坡系数按1：0．2设计。沿边坡自上而下设置3道非预应力锚杆(局部基础埋深在11．5m时设置4道非预应力锚杆)，1道预应力锚杆。锚杆倾角10～15°。锚杆成孔直径150mm，孔内注入M10水泥砂浆，注浆压力0．25～0．5MPa．各层锚杆长度及位置如表2所示。
　　表2各层锚杆长度及位置
　　序号 深度/m 水平间距/m 锚杆长度/m 锚杆材料 备注
　　1 -2.0 2.0 11.8 125 三级螺纹钢
　　2 -3.5 2.0 14.0 1φ＇15.2 自由段5m，锁定90kN
　　3 -5.5 1.5 8.8 125 三级螺纹钢
　　4 -7.5 1.5 5.8 125 三级螺纹钢
　　5 -9.5 1.5 5.8 125 基础埋深在11.5m时设
　　预应力锚杆锚头由混凝土冠梁(250mm×l50mm)、钢垫板(150mm×150mm×10mm)和施加90kN预应力的单孔锚具构成．非预应力锚杆锚头是由锚杆杆体弯勾与加强钢筋构成，锚头做法如图4所示。
　　
　　图4锚头大样
　　钢筋网采用φ6．5@250×250双向布置，现场绑扎成型，钢筋网距边坡土面3cm．边坡顶部钢筋网外翻2m作为顶部防渗层．喷射混凝土强度等级为C20，厚80mm。M1O水泥砂浆配比为：水泥：砂=1：0．3；C20喷射混凝土配比为：水泥：砂：石子=1：2：2。
　　3．4．2复合土钉墙施工
　　土方开挖必须紧密配合边坡支护施工，采用分层、分段开挖支护的施工方法，两者协同工作，支护完成后，方可进行下层土的开挖，严禁超挖。支护时应严格控制预应力锚杆的张拉时间，严禁提前张拉。
　　4、变形观测及应急措施
　　由于本工程周围环境对基坑变形的要求较高，基坑安全等级为一级，因此，从降水施工开始就必须对周边f临近建筑物的沉降进行观测，并及时将有关沉降观测资料反馈给基坑工程施工及设计人员，做好预警措施，以确保周围建筑物的安全。
　　4．1观测点布置
　　根据本工程的基坑长度，侧向位移观测点布置在边坡坡顶混凝土上：沿基坑周边每15m布置1个观测点，共布置观测点28个；沉降观测点布置在建筑物的4个对角上，仅对东北角的5层砖混住宅和西侧的(2层、3层)砖混建筑物进行观测；水准点(控制点)是各观测点的基准点，一定要选在相对固定的稳定的位置，本工程水准点设置在城市道路路沿石边缘处，共布置6个观测点，该商业楼的沉降观测同样使用本水准点。
　　4．2基坑变形监测控制值
　　本工程的基坑安全等级为一级，根据表3中的基坑变形监控值进行控制。
　　表3基坑变形监控值Ⅲ
　　基坑级别 墙体最大位移 地面最大沉降
　　 监控值 设计值 监控值 设计值
　　一级基坑 5 8 3 5
　　二级基坑 8 0 6 10
　　4．3应急措施
　　为确保施工安全和土方开挖的顺利进行，应随时做好出现各种情况的应急措施。
　　(1)土方开挖期间，设专人定期检查基坑变形情况，发现问题以便及时处理。
　　(2)雨期施工时应配备足够的排水设备，并安排专人负责排水，防止雨水浸泡土方引起塌方现象。
　　(3)分段、分层开挖土方，随开挖随支护，防止塌方现象出现。
　　(4)现场要有注浆设备和导管，发现岩层裂隙水时应随时堵漏或导水。
　　4．4观测结果评价
　　从基坑降水、土方开挖至土方回填完成，基坑边坡最大位移观测值达到2．5cm(北侧正门处，疑为车辆频繁经过造成)，在基础、地下室施工过程中未出现塌方现象，建筑物最大沉降观测值不足8mm。这些变形值均远远低于基坑变形的监控值，因此，本工程采用的基坑围护结构方案，是安全可靠的，有效保障了周围建筑物的安全性，为后续工程的顺利施工奠定了基础。
　　5、结束语
　　施工检测结果显示，该基坑工程从降水、开挖到基坑回填完成，各项指标均符合设计和规范要求，保证了工程安全和工期。通过对该深基坑工程的施工方案及施工技术进行分析，可以得出以下施工经验，为今后类似工程提供借鉴。
　　(1)合理选择止水帷幕结构。本工程的实践证明，对于工期紧、施工场地狭小、基坑面积大、开挖较深的整体式地下室，选择合理的围护挡水结构是保证基坑施工安全的第一步。本工程采用高压喷射摆喷止水帷幕，并结合帷幕外侧回灌，较好地保证了周围建筑物、管线的安全以及基坑工程各个后续工作的顺利进行。
　　(2)合理选择边坡支护形式．深基坑边坡支护及降水工作直接影响到工程的安全、成本及工期。本工程考虑到周围环境的复杂性，采用的复合土钉墙施工方法，经实践证明确实是安全、经济、高效的。