浅析向莆铁路三明北站站房工程基坑支护设计

林晓东 中铁二十四局福州铁建建筑有限公司，福建 福州 350013

近年来，随着现代建筑的不断发展，城市中的建筑密度随着城市现代化的推进而增大，随着高层建筑的不断兴建，深基坑开挖支护问题日益突出，深基坑设计在城市发展中变得越来越重要，而深基坑支护设计无疑是保证深基坑施工顺利进行以及安全的重中之重。

1 工程概况

拟建场地位于福建省三明市沙县虬江街道洋坊村与水南村之间，地处205 国道南侧。场地范围内原始地势平坦开阔，植被不甚发育，多辟为鱼塘和民房，目前拟建筑物场地范围已填垫平整，回填素填土厚度为1.2 ～16.0m。

该项目建筑结构设计工作由该项目设计工作由中信建筑设计研究总院有限公司承担，岩土工程勘察资料由湖北中南勘察基础工程有限责任公司提供，拟建建筑物重要性等级为一级，场地复杂程度等级为二级，地基复杂程度等级为二级，综合确定本工程勘察等级为甲级。

根据建筑结构方案，场地内站房±0.00 标高为129.71m，场地标高在129.71 ～130.01m 之间。基底标高确定如表1:

表1 地下室标高与基底标高一览表

2 基坑周边环境状况

拟建场地远离道路及管网，周边无建筑物。

3 工程地质与水文地质

3.1 场地地形地貌特征

本场区位于河谷盆地区，第四纪侵蚀阶地，场地范围内原始地势平坦开阔，植被不甚发育，多辟为鱼塘和民房，目前拟建筑物场地范围已填垫平整。

3.2 场地工程地质条件

根据该场地岩土工程勘察报告，场地岩土地层由上至下各土层具体特征描述如下:①素填土(Qml):杂色，稍密～中密，主要为人工填筑褐黄色黏性土及泥质粉砂岩碎块石，碎块石含量约60%～70%，块径较大，最大块石直径约50 ～80cm，局部架空。该层场地范围内普遍分布，且站房范围内分布且厚度大，层厚1.2 ～16.0m;②含砾粉质黏土(Qal+pl):黄褐色，可塑，土质不均，光泽反应为稍光滑，无摇振反应，韧性一般，干强度一般;局部钻孔该层黏粒含量低，主要为稍密～中密状中细砂，黄褐色(局部灰褐色)，颗粒成分以长石、石英为主，见云母及少量暗色矿物;该层普遍夹有卵砾石，其含量约为35%，局部达到40%，粒径10mm ～40mm，最大粒径达80mm。该层站房范围内大部分分布，层厚1.3 ～6.9m;③泥质粉砂岩残积土(Qel):紫红色，母岩成分为泥质粉砂岩，经风化作用成土状，含少量碎石，粒径由表层向下增大，孔隙率较大、强度一般、遇水压缩性较高。该层仅局部分布，层厚0.6～6.6m。

3.3 场地水文地质条件

根据勘察报告，该场地浅层地下水类型属孔隙潜水，赋存于①素填土层中，②含砾粉质黏土及③泥质粉砂岩残积土为弱透水层，下部基岩为相对隔水层。地下水的补给主要受大气降水的控制，其排泄以大气蒸发为主。根据钻探揭露的地层构造结合场区地貌环境分析，本场地地下水富水条件较差，勘察期间在钻孔中测得稳定地下水水位标高为115.2 ～124.6m。

3.4 各土层设计参数选取

依据《岩土工程勘察报告》和地方经验，地层的组份及其工程性质，考虑到工程桩对基坑稳定性的有利影响，该场地各土层基坑支护设计参数按表2 选取:

表2 各土层参数设计值一览表

4 设计思路与方案比选

4.1 基坑特点分析

地下室基坑开挖深度为2.8 ～9.1m，地下室开挖面积约18000m2，基坑支护周长约640m。

按经济合理的原则，并结合将本地区运用较多的几种支护方式进行比较:(1)内支撑，技术成熟，对坑壁变形的限制严格有效，可靠性高，对临近建筑地下设施无影响。基坑周边无重要建筑，不需严格限制变形，成本较高并影响工期，支撑构件布置不便，成本太高。工期长，对土方开挖及结构施工有影响。但本工程平面及立体变化大，局部可使用;(2)桩(锚)支护，技术成熟，应用广泛，安全可靠，对土方开挖及地下结构施工无影响。质量可靠，成本略高，但本工程平面及立体变化大，局部可使用;(3)放坡喷锚支护，施工简单方便，造价低，工期短，喷锚支护可与土方开挖同步进行。但边坡变形较大。造价最省，适于开挖深度不大，场区内周边环境简单、变形控制不严格要求，也可节省工期。

4.2 支护方案选择

基坑支护形式的选择必须根据基坑开挖深度、地质情况、场地条件、环境条件以及施工条件，通过多方案比选确定，所采用的支护结构应安全可靠、技术可行、施工方便、经济合理。根据基坑周边环境条件及地质情况，该基坑拟采用的支护形式为:结合浅部承台深度，进行放坡卸载+挂网喷锚支护。

5 基坑支护设计

5.1 设计依据

(1)设计采用标准规范:①《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120－99);②《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50086－2001);③《土钉锚杆设计与施工规范》(CECS22－2005);④《建筑地基基础设计规范》(GB50007－2002);⑤《建筑桩基技术规范》(JGJ94－2008);⑥《混凝土结构设计规范》(GB50010－2002);⑦《建筑边坡工程技术规范》(GB50330－2002);⑧《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497－2009)。

(2)设计依据资料:①《向莆铁路三明北站岩土工程勘察报告》;②《向莆铁路三明北站总平面图》;③《向莆铁路三明北站桩位及承台布置平面图》;④《向莆铁路三明北站站房建筑剖面图》。

(3)设计采用程序。“理正深基坑”6.0 系列基坑工程设计软件。

(4)设计计算模型:①基坑设计开挖范围:以地下室承台外边线外扩0.8 ～1.0m 为基坑内边线;②基坑设计开挖深度按承台垫层底考虑;③坡顶周边2m 范围外超载取10kPa 无限均布荷载;④土压力分布模式，按朗肯土压力理论，粘性土采取水土合算，砂土采用水土分算。

5.2 支护设计计算

根据建筑结构方案，场地内站房±0.00 标高为129.71m，场地标高在129.71 ～130.01m 之间，基坑深度2.9 ～9.1m。拟建场地远离道路及管网，周边无建筑物，根据《建筑基坑支护技术规程》JGJ120－99 的有关规定，本工程基坑支护安全等级为二级。根据承台布置及厚度和基坑周边环境将基坑划分为8 个支护段。详见表3。基坑四周较开阔，有放坡空间。支护方案采用放坡卸载+挂网喷锚的支护形式。

表3 基坑分段及最小整体稳定性系数一览表

6 地下水的处理方案设计

场区地下水类型主要为上层滞水，可根据采用基坑内设置排水沟和集水井的明排方案排水。为防止边缘坡顶土体受地表水渗透浸水软化导致边坡破坏，支护砼面层及面网要反包至坡顶外2.0m，距坡顶外1.5m 每隔1.5m 设置的长0.5m 的φ16 超前加固土钉，所有超前加固土钉用φ16 钢筋横向通长连接，所有面网及面网加强钢筋固定于超前加固土钉及坡顶φ16 钢筋之上，外再设置排水沟集水坑，并形成排水系统。基坑开挖期间，基坑内雨水和渗水，可采用沿基坑坡脚设明沟和集水坑，积水及时用潜水泵明排至坑外。

7 支护系统施工及基坑开挖施工

7.1 喷锚支护结构施工要求

(1)坡面喷射厚80 ～100mm、强度为C20 的混凝土层，内置φ6.5@200X200 或16#钢板网;(2)喷射砼采用PSA42.5 水泥、中粗砂、5 ～15mm 瓜米石材料，砼强度等级为C20，砂、石、水泥比例为2∶2∶1;(3)严格控制坡面形位尺寸，施工完成后，坡面应平整美观。

7.2 地面硬化及地表排水沟施工

基坑开挖前在基坑坡顶作表面硬化处理，表面硬化层宜作成反坡，排水沟应不漏水。总结多个基坑垮塌的教训，大部分是由于水渗入基坑侧壁土体所造成;本基坑施工很可能在雨季甚至是暴雨季节，所以主体基础施工单位必须硬化场区内地面并与基坑坑顶喷锚面相连接，绝对避免水由坡顶渗入基坑侧壁土体造成基坑垮塌。

7.3 基坑开挖施工

(1)基坑开挖施工应遵循“信息法”施工的原则，勤监测，勤巡视，及时反馈信息，根据变化的情况指导施工;(2)该基坑支护开挖施工的顺序原则如下:①一级坡面施工→建立基坑开挖环境监测系统，并取得环境监测所需的基础数据→土方开挖与地面硬化、喷锚支护施工交叉穿插进行;②土方开挖必须分层进行，开挖一层，支护一层，然后进行下一层土方开挖;(3)要保证该基坑顺利开挖成功，除了高质量的支护设计外，还需要土方开挖施工组织严密，土方开挖施工一定要与基坑支护施工紧密配合，协调施工，同时还应根据环境监测所反馈的信息随时调整挖土顺序、挖土速度，随意超挖蛮干，往往是造成基坑事故的重要原因;(4)支护施工过程中的排出物可能会使自然地面抬高，其排出物在施工完成后必须及时清除出场，以保证自然地面标高不超过设计地面标高，以免增加支护结构的额外土压力负担，使支护结构出现过载现象;(5)基坑开挖过程中，土方不应随意堆置于基坑周边，施工用材必须堆置于坑边的应均匀堆放，不得超过规定的堆载值，坡顶堆载不得超过10KPa;(6)土方开挖进程中，挖土机不得碰撞支护结构件，并应注意保护好观测标志;(7)开挖后的基坑应尽量减少暴露时间，及时清边检底，尽快进行垫层施工;(8)基坑开挖应尽量避开雨季和汛期。

8 监测及应急措施

8.1 监测的目的

基坑工程应该请有资质的专业单位编制基坑监测方案并实施监测工作。

深基坑施工监测的主要目的是充分掌握整个深基坑在开挖过程坑壁土体、邻近道路管线及建筑物的变形动态、变形大小及特征、地下水动态变化特征等，以达到预警效果，确保整个基坑工程的顺利进行。通过基坑监测及时提供施工信息，调整施工方案，及时采取合理的应急应变措施，信息化施工法是基坑安全进行的有力保证。

8.2 监测方案

(1)整个基坑的监测包括水平位移监测，沉降观测;(2)为了精确实施监测方案，首先必须在施工场地进行影响范围外布设高精度平面控制网和精密水准基点网，以作为位移与沉降观测的基准点;(3)在基坑周边以及邻近建筑物上布设位移与沉降观测点，位移与沉降观测点除个别情况外，应合二为一，即沉降、位移观测点使用同一点，以利于监测资料的分析;(4)监测项目:①基坑周边的地面土体水平位移及沉降(含支护体);②基坑周边的建(构)筑物沉降。

8.3 监测方法

(1)观测点的布设:①控制基准点的布设:在基坑影响范围外(80米范围外)布设三个以上的基准点，该点经现场踏勘后具体确定位置，基准点必须是绝对固定点，确保其牢固可靠且通视性较好，基准点应设保护装置;②在围护结构顶部及基坑周围影响范围内共布置约若干个监测点，其中。

(2)观测方法:①基坑周边地面的位移观测采用准直线法;②沉降观测采用往返闭合观测法。

(3)监测仪器:①位移观测仪器采用J2 经纬仪和精度5+5PPm 以上的测距仪;②沉降观测仪器采用N3 水准仪和钢尺。

(4)观测时间间隔及成果资料整理:①基坑开挖在5m 深度内，每隔2 天观测一次，开挖深度在5m 以下每天观测一次，其间可视观测成果的具体情况加密或适当延长观测时间间隔，开挖完成后7 天内每天一次，30 天内二天一次，30 天以后每5 天一次，直至施工至基坑底面，其间视其变化情况适当加密或延长观测时间间隔;②每次沉降观测要求计算出各测点的高程、累计沉降量、本次沉降量、沉降速率等，每次水平位移观测要求记录各个观测点的观测点位移量、累计位移量、位移速率等，根据各个阶段观测成果绘制沉降—时间关系曲线图，水平位移—时间关系曲线图、沉降—水平位移—距离关系展开曲线图;③观测成果资料以《位移观测成果表》、《相对矢量表》、《沉降观测成果表》、《时间—沉降量曲线图》的形式提交;④为保证基坑支护安全，支护体最大水平位移应≤60mm，位移速率≤10mm/d，地面最大沉降量为≤60mm，位移速率≤3mm/d，当监测值接近或达到上述警戒值时，应及时采取有效应变措施。

9 应急措施

深基坑工程稳定性(包括边坡稳定和渗透稳定)破坏的后果往往是突发的、灾难性的，补救困难，应本着“预防为主”的原则，严把施工质量关。根据环境保护要求进行不同内容的监测，施工监测和现场观察所获数据应及时整理，严密注视险情及险情的发展，及时采取果断处理措施。基坑土方开挖应符合分层、分段、对称、平衡、适时的原则，在软土和砂土地段应特别注意掌握开挖时间和开挖顺序，处理好支护与开挖之间的配合关系，开挖时要坚持先深后浅的原则。应做好整个地下工程的计划安排，充分考虑基坑的时空效应，尽量缩短工期，减少暴露时间，及早回填，开挖工作应选在枯水季节施工最为有利。

具体应急措施如下:(1)在基坑开挖时，若基坑周边土体变形过大，并有发展趋势，应立即停止开挖，在坑壁侧反压砂土袋以阻止土体里蠕动变形;(2)若出现边坡或桩间局部涌水，应急处理措施总的原则应是在封堵的同时做好排水导流设施，对侧壁渗水可采用插管导流、草袋封砌、混凝土封堵等方法处理;(3)准备一定面积的钢筋网，较差土质的局部剥离坍塌时，迅速采用土钉挂网固定，施喷速凝混凝土;(4)对坑底隆起，应准备一定数量的杉树条，在应急时迅速插入坡脚起抗隆作用;(5)基坑开挖时，现场应配备一定数量的急用(抢险)物质:编织袋、草包;潜水泵、电焊机、水泥、砂、石料、杉木条以及其它工具、材料等;(6)其他措施:①做好整个现场的组织协调工作，各施工单位相互配合，尽可能缩短基坑施工的工期;②为预防基坑土层的扰动、减少基坑暴露时间，要协调好各工序工作;③基坑开挖时，不得损伤排水设施和观测标志;④基坑四周尽可能少堆放各种材料，堆放时要尽量均匀，垂直于基坑边线，以免超过设计规定的附加荷载。