邻近敏感建筑基坑开挖施工技术

黄 锋

(中铁十六局集团第一工程有限公司,北京 101300)

随着国内城市公路、轨道交通以及基础建设的发展，道路工程将会出现复杂情况特别是多条不同类型线路立体交叉，而且周边建筑物情况更趋复杂[1-3]。大多数在软土地层中开挖的基坑，按照一般的常用理论对施工方法、围护结构以及稳定性分析即可解决工程建设中出现的问题。

在建深圳机场站设计起点里程为DK82+949.0，终点里程为DK83+861.0。车站基坑长约912 m，标准段基坑宽度为23.34 m，深度为19.9 m，为地下双层岛式车站，地下一层为站厅层，地下二层为站台层，采用明挖法施工，现场情况如图1所示。

图1 二号基坑现场情况

蓄冷水罐影响范围内基坑(以下简称二号基坑)位于深圳机场站整体基坑的中部，该基坑东临深圳宝安机场领航四路(最近距离1.8 m)，西临机场能源中心蓄冷水罐(最近距离3.4 m)。二号基坑全长152.5 m，里程DK83+244.5～DK83+397。基坑深度约19.9 m，标准段宽度23.34 m，扩大段宽度24.86 m(长约44.4 m)。该区域共有4组蓄冷水罐，每组蓄冷水罐直径为26.5 m，高度为30 m，每组运行总重为14 500 t。蓄冷水罐距离车站侧墙最近距离约3 m，其基础形式为预应力管桩，桩长30 m左右，进入全风化不小于3 m，或进入强风化不小于0.6 m。

二号基坑比较复杂，具有其他基坑没有的特点，这些因素可能会使得在基坑开挖过程体现出与其他不具备此特性的基坑的力学行为特征，而且其作用效果并非仅为简单的叠加效应，而是有可能成几何级数增加，从而不但大大增加施工过程的工程本身边坡稳定的不确定性，还严重影响周边道路及建筑物特别是蓄冷水罐的安全。如何施工才能确保基坑开挖安全，是急需要解决的一大难题。

1 工程施工条件难点分析

1.1 地质条件极差

工程区域主要为滨海堆积平原地貌，后成为深圳宝安机场扩建区，现场址为机场出场路。本场地地表普遍分布人工填土，其构成主要有黏性土、砂土以用碎、块石等三种成份，其性质不均，结构松散，为不良地基土。

1.2 基坑规模大且结构复杂

深圳机场站开挖基坑长约912 m，标准段基坑宽度为23.34 m，深度为19.9 m，为地下双层岛式车站，地下一层为站厅层，地下二层为站台层，采用明挖法施工。由此可知，开挖规模庞大，尤其值得注意的是，开挖后除了会使基坑及周边建筑的桩基周围土体力学指标发生弱化会影响诸如蓄冷水罐基础承载力以外，还会在一定时间内发生蓄冷水罐出现偏压现象，进一步加重不均匀受力，这给开挖施工、结构围护、地基稳定造成极大影响，稍不注意就难以保证基坑施工和建筑结构的安全。因此对支护结构提出两个要求：第一，保证支护结构的隔水效果，控制罐体周边地下水位的稳定。第二，保证支护结构的强度，控制支护结构的侧向位移。

1.3 基坑侧向偏压严重

因砂性土层的渗透系数较大，将水、土压力分开计算，土压力采用朗肯土压力，水压力则采用全水压力，结合以往经验[4-5]，计算如下

Pa=∑rihitg2(45°-φ/2)-2citg(45°-φi/2)

=2×19×tg2(45°-15/2)-2×18×tg(45°-15°/2) +

10×20×tg2(45°-40°/2) =15 kPa

(1)

式中：ri为地下水位以上的土层用天然重度，地下水位以下的土层用浮重度，kN/m3；

hi为各层土的厚度，m；

ci为各层土的粘聚力， kPa；

φi为各层土的内摩擦角，°。

水压力：地下水位稳定的地下结构物的侧向水压力可按静水压力确定,水压力强度根据帕斯卡定理计算：

pw=hwγw=9.8×10=98 kPa

(2)

式中：pw为侧向静水压力的强度值；

hw为水头高度，即地下水位到计算点的垂直距离；

γw为水的重度。

附加荷载为：

基底附加压力：

p0=P/A=39181/(12.5×8.2)=382.25 kPa

(3)

附加土压力：

=(20+382.25×0.5/20)×12×

tg2(45°-15/2)-2×18×tg(45°-15°/2)

=181.2 kPa

(4)

基坑侧向土压力：p=15+98+181.2 =294 kN

通过理论计算，计算基坑开挖条件下，不同支护参数的支护效果，提出合理的支护方案。

1.4 砂卵地层降水及流沙条件下的强度损失

基坑降水过程中，很可能对蓄冷水罐一侧造成流沙现象的发生，使持力层强度损失，罐体沉降增加。因此，需要控制基坑单侧降水时对另一侧的影响，避免流沙现象的发生，保证持力层的强度，减少蓄冷水罐沉降量。

2 基坑降排水施工

2.1 基坑顶截水施工

2.1.1 基坑顶截水布置原则

基坑开挖过程中，做好基坑顶的排水工作，在雨季施工时准备足够的抽水设备，并做好基坑外的排水、截水工作。

为防止地表水流入基坑，挡土墙高出地面0.3 m，基坑东侧顶部高于领航四路，设置挡土墙高于地面30 cm，雨水经过沉淀后排入领航四路市政管道。

在地表的四周沿施工便道环形设置明排水沟300 mm×300 mm(深×宽)，并经过三级沉淀池(尺寸为1 000 mm×1 000 mm)沉淀后，集中排入市政污水管线内。基坑西侧在便道外侧设置截水沟，地表雨水流入西侧沿着便道设置的排水明沟，在施工围挡东西两端各设置一组三级沉淀池，将截水先排至沉淀池使基坑内排水经过三级沉淀后，排入市政污水管网中。

2.1.2 截水沟构造及施工方法

按照深圳市相关气象记录，日降雨量(12 h)超过140 mm，即为特大暴雨计算。

排水沟断面尺寸0.3 m×0.3 m，采用砖砌，墙厚0.1 m。沉淀池采用三级沉淀的形式，尺寸9.96 m×4.48 m×1.5 m。墙体采用砖砌，厚度为0.24 m，蓄水量36 m3。沉淀池与雨水管的出水连接管采用d500双壁波纹管。

2.1.3 坑外排水及防止基坑灌水措施

为了保证基坑支护的安全，确保正常施工，雨期施工前，需进行以下措施：

(1) 完善施工场地的排水系统，保证排水通畅，并采取良好的挡水措施，以阻止地面水流入基坑内。

(2) 基坑导墙施工时施做截水沟，防止雨水进入坑内，隔一定距离设置沉淀池，基坑四周汇集过来的水经过截水沟流入沉淀池，再由沉淀池排至雨污水管网系统。

(3) 在雨期期间，加强值班及收听天气预报，下雨之前清理集水坑及排水沟，预备好潜水泵等抽水工具，雨后及时组织人力、物力进行坑内抽、排水工作及基坑四周积水的疏通工作。

2.2 基坑内降水施工

基坑开挖前20天应采取内井点对坑底进行预降水、疏干，以加固坑内土体，基坑降水深度应控制在坑底以下1.5 m。本段基坑范围内降水井施工参数参照相邻1#基坑降水井，井内降水设备采用4 kW潜水泵，扬程38 m。降水与基坑开挖同步，分层降水。

2.2.1 降水井位置及数量设计

根据合同文件提供的地质资料得知深圳机场站需要布置109口降水井，其中二号基坑需布置17口降水井，机场站降水井平面布置见图2所示。

图2 降水井平面布置

2.2.2 降水井施工

2.2.2.1 结构尺寸

钢筋笼内径采用φ400 mm钢筋笼，外包铁丝网和60目尼龙网2层，并用12#低碳钢丝扎紧；井管底部用数条钢筋焊死，并包两层铁丝网。主筋与箍筋、加强箍筋之间点焊，连接成骨架。滤管与井壁间用粒径5～15 mm的圆形、亚圆形砂卵石滤料填放至距地面500 mm后，用水冲洗，以保证滤料下沉密实。深井深度基本在基坑底板下1.5 mm，必须保证降水效果。井口500 mm范围内用黏土回填夯实。降水井管井安装及构造如图3所示。

图3 降水井管井安装及构造

2.2.2.2 施工工艺

(1)定井位：根据降水设计方案提供的井位图、地下管线分布图的位置，在保证降水效果的情况下，对井位和井间距做适当的调整。正常情况下井位偏差不大于50 mm，若遇特殊情况(比如地下障碍、地面或空中障碍)需调整井位时，应及时调整。为保证安全，定井位后挖探坑以查明井位处有无地下管线、地下障碍物，深度以挖(或钎探)到地层原状土为准。

(2)埋设护筒：为避免钻进过程中循环水流将孔口回填土冲塌，钻孔前埋设钢护筒。深度视地层情况而定。在护筒上口设进水口，并用黏土将护筒外侧填实。护筒必须安放平整，护筒中心即为降水井中心点，当上部回填土颗粒较大时，则采用人工挖孔护壁，防止钻孔内浆液的流失，保证钻进正常进行。

(3)钻机就位、调整：钻机就位时调整钻机的平整度和钻塔的垂直度，对位后用机台木垫实，以保证钻机安装平稳。

(4)钻孔：在钻孔过程中保证孔内泥浆液面高度与孔口平，严防塌孔。在地层条件允许的情况下，尽量使用地层自造泥浆成孔，若钻孔通过易塌孔的流砂层或泥浆漏失严重的地层时，采用人工造浆护壁钻进，泥浆比重调至1.1～1.3。

(5)换浆：钻孔至设计深度以下0.5 m左右，将钻头提高0.5 m，然后用清水继续反循环操作替换泥浆。

(6)下钢筋笼：钢筋笼下方前检查钢筋笼是否已按设计要求包缠尼龙纱网和铁丝网，以防地层中细砂层流失，造成地面下沉。钢筋笼确保在井孔居中不歪斜。

(7)填滤料：填料从井四周均匀缓慢填入，避免造成孔内架桥现象，洗井后如发现滤料下沉及时补充滤料，填料高度严格按设计要求执行。减压井井点从井底向上至滤水管顶部均填滤料；在滤水管以上采用优质粘土，并做好井口封闭工作。

(8)洗井： 采用压风机洗井，当井内存水不够时及时注入清水。对于不同含水段采用双隔离塞水气方法冲洗，达到水清砂净为止。

(9)安装潜水泵及管路系统：安装前检查电机和泵体，确认完好无误后方可安装，潜水电机、电缆和接头的绝缘安全可靠，并配有保护开关控制，以确保安全运行。注意在抽水过程中电缆与管道系统不被挖掘机、吊车等碾压、碰撞损坏，现场在这些设备上进行标识。

(10)试抽：洗井后，对降水井进行单井试抽，如有异常情况，重新洗井，并再次进行抽水试验。洗井结束后，待水位恢复可按设计下泵，下入深度宜在滤水管下半部分，以保证足够的降深。排水管道及电源线路一定要先连接好，试抽3 h，测定井内水位及观测孔水位变化，安装水表测流量，预估降水试验运行途径，等水位恢复后，进行抽水试验，确定降水能力、降水速度。

2.2.2.3 基坑内排水

由于降水不可能将土层中所有地下水均疏干，所以在车站明挖施工时，每个集水井配备一台水泵，保证做到随集随排，排水沟、集水井如图4所示。

图4 排水沟、集水井布置

3 土方开挖及支护

基坑开挖采用明挖法，开挖要在蓄冷水罐保护加固及围护结构施工完成后进行。开挖过程中始终坚持分层、分块、对称、平衡、限时开挖、随挖随撑的原则，尽可能减少基坑开挖面上围护结构的无支撑暴露时间及变形。

(1) 土方开挖和支撑架设方案根据基坑周边环境允许的变形限度来控制。

(2) 根据“时空效应”的原理来确定基坑开挖与支撑架设采用分层、分步、对称、平衡、随挖随支的施工方案，尽可能减少开挖过程中土体扰动的范围以及围护结构无支撑暴露的时间。

(3) 基坑开挖施工为二号基坑施工中一个最重要的工序，施工中必须严格按照施工规范操作，在开挖过程中掌握好“分层、分步、对称、平衡、限时”五个要点，遵循“竖向分层、纵向分区分块、随挖随支”的施工原则。

(4)基坑开挖从上到下分层、分段、分块进行。分层开挖厚度以各道支撑深度方向的间距和抽槽机械最小限高为依据，分块长度根据土方开挖能力及支撑安装速度确定。

4 结论

深圳机场站工程项目是一个典型的在复杂地质地层中修建复杂结构的综合型工程，由于地质条件复杂且偏弱、施工空间狭小以及施工工期等因素影响。基于此，结合本工程开挖的地质、工程本身结构以及周边环境等工程实际情况，运用地下工程、基坑开挖与围护理论及方法，所得结论如下：

(1) 工程处于含水软土地层，地下水对基坑开挖施工有很大不利影响，采用旋喷桩不仅隔水效果好，而且兼做围护结构强度大，且首次在软土地层使用，对以后类似工程地质施工有借鉴意义。

(2)基于特殊条件和邻近敏感建筑的安全标准，满足大规模基坑明挖施工要求的降排水技术非常复杂且困难，一旦处理不当则会加大土层不均匀沉降造成高敏感建筑结构损伤或运营不安全。

(3)由于工程施工工况条件复杂，施工难度大，自身稳定及周边建筑物保护要求高，对工程施工过程技术还有待于今后进一步研究。

[1] 贾夫子,王立峰,逯武全, 等.基坑开挖对近邻地铁车站和隧道的影响[J].岩土力学,2016,37(S2):673-678+714.

[2] 徐长节,王伊丽,徐芫蕾，等.新建工程基坑开挖及结构施工对既建下卧隧道的影响研究[J].岩土力学,2015,36(11):3201-3209.

[3] 郭典塔,周翠英.基坑开挖对近接地铁车站的影响规律研究[J].现代隧道技术,2015,52(1):156-162.

[4] 赵涛. 基坑开挖引起支护结构土压力分布研究[D].西安工业大学,2016.

[5] 张治国,张孟喜,王卫东.基坑开挖对临近地铁隧道影响的两阶段分析方法[J].岩土力学,2011,32(7):2085-2092.