高层建筑深基坑土方开挖技术探讨

摘要：随着城市建设规模的不断扩大，城市用地日趋紧张，高层建筑所占比例逐年提高，大批的高层建筑、超高层建筑正拔地而起，为了满足国家相关规范对基础埋深和人防工程的需要，地下室设置必不可少，深基坑支护、降排水、土方施工成为关键的施工环节，然而，深基坑工程因地质条件复杂，施工难度大，风险性高，基坑失效、失稳的事故时有发生，除设计不够完善的因素外，主要还在于基坑支护不到位、土方开挖不合理以及降排水处理措施不当等原因造成。如何满足基础工程施工的安全性和经济性，文章以实际案例的施工经验，分析了高层建筑深基坑土方开挖应把握的关键技术，对类似高层项目的深基坑土方施工具有非常积极的借鉴意义。

关键词：高层建筑；深基坑；边坡支护；土方开挖；地下室

中图分类号：TU473 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）08-0072-03

1 工程案例

某工商企业大厦：地下室2层，地上28层，建筑高度99.9m，上部结构体系为现浇钢筋砼框架-筒体结构，PHC预应力管桩基础，框架抗震等级三级，剪力墙抗震等级二级，抗震设防烈度7度，总建筑面积44208.9m2（地上建筑面积34869m2，地下建筑面积9339.9m2），地下室层高4.2m，建筑等级一级，地质状况：根据工程地质报告：①素填土层，层顶埋深0.6～3.5m。②粉质粘土和粉土层，层顶埋深3.0～6.5m。③泥质砂土夹卵砾石土层，层顶埋深6.0～10.8m。④碎块状强风化砂岩，层顶埋深10.～15.5m。⑤中风化砂岩，层顶埋深15.5～21.6m。地下稳定水位埋深为4.4～11.1m。东、北两向紧靠城市道路，与道路相距13m，西、南两向为新建高层建筑，相距约50m。地下室呈长方形状，长95m，宽56m。施工条件：本大楼地处旧城改造区，旧墙基及地下管线密集，工期紧，施工难度大。工程于2009年6月开工建设，并于8月份完成东、北两向旋挖孔灌注排桩支护施工，为满足建设单位的工期要求，春节前完成桩基、挖土及边坡支护的目标，本深基坑工程土方量约65000m3，每天平均出土量需确保1500m3左右方能满足进度要求。在工期紧迫的情况下完成深基坑的挖土作业，对挖土方案及现场管理提出了更高的要求。

2 边坡支护

本工程基坑开挖深度约10.1m，为保证建筑基坑边坡稳定及安全，根据现场的实际情况对基坑边坡采用土钉墙及预应力锚杆和旋钻孔灌注砼排桩两种支护方案，西、南两侧鉴于有放坡条件，采用A型台阶式放坡土钉喷锚支护方案：该基坑边坡高度9.5m，下层设置击入式钢管Φ48×3土钉3排，纵向间距2m，倾角15°，土钉水平间距1.5m，放坡坡比1：0.75，以梅花形布置。东、北两侧因地下室外墙边线紧邻用地红线，采用B型排桩墙支护方案。根据设计该基坑边坡高度9.5m，排桩总长度为143m，桩径为700mm，桩长13.5m，桩间距1.4m，灌注桩混凝土强度等级C30，主筋为14Φ22，箍筋为Φ8@150；冠梁混凝土强度等级为C30，高0.5m，宽0.7m；竖向设置三排锚杆，竖向间距为1.5m，水平间距为1.4m；桩间采用挂Φ6@200×200mm钢丝网喷C20混凝土止水帷幕。深基坑支护结构断面如图2所示。

3 降排水方案

在土方开挖过程中，当开挖底面标高低于地下水位的基坑时，由于土的含水层被切断，地下水会不断渗入坑内。地下水的存在，非但使得开挖困难，费工费时，边坡易于塌方，而且会导致地基被水浸泡，扰动地基土，造成工程竣工后建筑物的不均匀沉降，使建筑物开裂或破坏。因此，基坑开挖施工中，应根据工程地质和地下水文情况，采取有效地降低地下水位的措施，使基坑开挖和施工达到无水状态，以保证工程质量和工程的顺利进行。本场地最高地下水位-4.4m，在基坑开挖前期，主要是做好基坑及周边的截水、疏水和排水工作，以排水沟排水方法为主要措施，在边坡外围设置砼300×300mm排水沟，将地表水导入水沟，并排至城市排水管网；当基坑第一阶段土方开挖（达到标高-2.6m）后，为保证在基本无水状况下进行土方开挖施工，主要采取坑底轻型井点降水措施，沿基坑四周外围1m处设置一道深于坑底的井点滤水管（@2000mm，长度10m，井管直径50～55mm，井孔直径300mm），直接与两台抽水设备连接从中抽水，使地下水位降落到基坑底0.5～1.0m以下，井点降水减小或消除了动水压力，改善了土的性质，大大提高了边坡的稳定性，改善了施工操作条件，加快了工程进度。在1～3层土方开挖过程中沿西、南两向设置简单排水沟、集水坑以排除基坑积水，当第四阶段承台基础土方开挖时，沿支护四周距50cm处设置砼U型排水沟及集水井，以排除坑壁及地下渗水、露天雨水等，并用水泵及时将集水井内积水排出坑外。

4 土方开挖方法

4.1 深基坑土方开挖总体布置

高层建筑深基坑工程的土方开挖，在解决了地下水和边坡稳定问题之后，还要解决土方如何开挖的问题，由于基坑自土方开挖就处于活动状态，随着开挖深度的增加，支护结构的受力状态、大小、位移变形都相应地增加，稍有不慎随时都可能发生边坡垮塌事故。因此在深基坑施工过程中要认真做好施工组织设计及科学安排工期，选用什么方法、什么机械、如何组织施工等一系列问题在基坑土方开挖之前都要进行详细的了解，在开挖过程中还要全面考虑人工和机械开挖的配合问题以及一些特殊地基的处理问题，同时合理安排各工序紧密搭接，以保证基坑暴露的时间尽量缩短，减少基坑支护结构因时空效应产生的不利影响。各层土方开挖以从①→④的平面顺序进行，本工程基坑土方开挖平面布置图如图3所示。

4.2 深基坑土方开挖顺序

根据支护体系的设计特点及要求，本工程基坑土方开挖共分五层进行，施工顺序如下：平整场地、修筑临时便道→第一层土方开挖→东、北向旋喷支护桩施工→西、南向第一道土钉喷锚施工→井点降水施工→第二层土方开挖→西、南向第二道土钉喷锚施工→第三层土方开挖→东、北向排桩第一道锚杆及止水帷幕施工→基础桩基施工→第四层土方开挖→西、南向第三道土钉喷锚施工→东、北向排桩第二道锚杆及止水帷幕施工→基础承台土方开挖→封底垫层→地下室结构施工。

4.3 深基坑土方开挖组织

本工程由于支护体系外锚杆设计充分考虑到基坑挖运土机械化施工的需要，为挖运土的机械化施工提供了良好的作业条件。按深基坑土方开挖平面布置修建基坑土方临时运输道路，考虑到车辆交汇，设置7m宽便道，上铺30cm厚砖、石道渣，挖掘机平整碾压成型，配备20片1cm厚2×6m钢板，基坑开挖采用3台CAT320型反铲挖掘机和3台PC200小型挖掘机，土方随挖随运，8吨、12吨自卸汽车根据土方运距及现场需要量调配。

4.3.1 深基坑土方开挖按开挖平面布置分阶段、分层进行，第一层开挖至标高-2.6m，西、南向从上边坡起往基坑约8m开挖至标高-4.2m，第一层开挖完成安排东、北向旋喷桩施工及西、南向第一道土钉喷锚施工和井点降水施工。

4.3.2 第二层土方开挖待东、北向旋喷桩施工及井点降水施工完成，砼强度达到70%后进行，开挖至标高-4.2m。

4.3.3 组织第三层土方开挖，开挖至标高-6.2m，安排基础桩基施工。

4.3.4 基础桩基施工完成，第四层土方开挖，安排西、南向第三道土钉喷锚施工，东、北向排桩第二道锚杆及止水帷幕施工。

4.3.5 最后完成基础承台土方开挖，封底垫层。开挖分层断面如图4所示。

5 深基坑土方施工的关键要点

经过对本深基坑土方开挖施工方案的具体实施，工期紧凑，降低了工程成本，达到了预期的效果，满足了工期、质量和安全的要求，高层建筑深基坑土方施工，虽施工难度大，但也并非没有办法，只要通过合理组织、精心安排，就能取得令人满意的效果，现就深基坑土方开挖施工要点总结

如下：

（1）根据工程的特点、施工条件以及地质状况科学合理地制定边坡支护方案、降排水方案、土方开挖方案是深基坑土方施工成败的关键。

（2）高标准、严要求保证边坡支护的施工质量，落实降排水措施到位是深基坑土方施工的必要条件。

（3）建立以项目业主为主导的现场项目管理体系，充分协调各方关系，最大限度地将边坡支护、降排水、桩基施工等各工序穿插施工，有效缩短工期。

（4）土方开挖必须严格按施工方案的顺序均衡推进，严禁无序开挖，以保证支护体系均匀受力。施工中配备专职人员进行测量控制，及时将基坑开挖下口线测放到坑底，以控制开挖标高，避免超挖。为防止超挖和保持边坡坡度正确，机械开挖至接近设计坑底标高或边坡边界时，应预留20～30cm厚土层，用人工开挖和修坡。

（5）视施工场地及作业面的情况，合理调配土方机械，实现挖、运平衡，避免造成机械闭置误工，进行大面积的开挖后，土方随挖随运，以实现基坑四周的零堆载，同时基坑周边严禁停滞大型机械。在支护桩边、基底及承台地梁等处无法进行机械开挖部位人工配合对开挖部分边角进行修边、平整。

（6）为减少基坑支护结构变形和荷载的积累，各层排桩支护结构前土方应待基坑内侧土方开挖完毕后再挖除。

（7）建立测量控制网，土方开挖前，对邻近道路、建筑物的资料进行收集、分析，对已有的裂缝等问题事先设置标记并备案，在基坑开挖过程中，加强对支护结构体系、基坑稳定性和邻近道路、建筑物的监测，做到每一深挖一层就要进行及时监测，然后对监测值（桩顶位移、桩侧斜、沉降等）进行分析并反馈，若监测值发生突变，说明基坑支护结构承受过大的压力，需要放慢挖土速度或立即停止挖土，待基坑变形稳定后，方可继续进行施工。

（8）运土汽车按施工组织设计指定运土路线行驶，指定弃土地点卸土，并按城建、环保部门规定在工地大门出口处设置标准洗车台，配备冲洗设备，安排专人对路面进行清扫，确保路面清洁干净。

（9）必须加强现场安全措施的有效落实，如基坑防护栏、水平安全网、基坑安全爬梯、基坑照明、配电箱设置等；要求编制详细的专项方案，审查通过后严格执行。

6 结语

深基坑作为高层建筑基础施工的重要环节，对保证高层建筑施工质量有着积极的影响。因此，在新的建设环境下加强对高层建筑深基坑施工技术的研究和总结，有助于改善深基坑施工的现状，提升建筑工程的施工质量，确保施工安全。

本工程通过科学组织、合理计划，从施工方案入手，因地制宜地组织施工，有效地完成了深基坑的土方开挖任务，取得了良好的经济效益和社会效益，总结了高层建筑在复杂环境下深基坑土方开挖的施工经验，具有一定的参考价值。

作者简介：刘东林（1967—），男，供职于闽晟（福建）建设工程有限公司。

（责任编辑：周 琼）