大型地下建筑物深基坑土方开挖施工技术

杨 熙

中国一冶集团有限公司上海分公司 上海 200443

1 工程概况

武汉武青堤（罗家港—武丰闸）堤防江滩综合整治工程建设四路地下覆土建筑物（以下简称建四覆土建筑物）设于土堤堤身以下，为地下2层建筑，长459 m，宽39 m，顶部覆土0.3～1.4 m，总建筑面积31 801 m2。地下覆土建筑物为地上3跨、地下5跨的双层钢筋混凝土框架结构，建筑总高度9.3 m，地下1层层高5.1 m，地下2层层高4.2 m，采用钻孔灌注桩基础，柱下承台高1.5 m，承台之间设600 mm×1 500 mm的连梁，底板厚600 mm。地下覆土建筑物底板高程19.1 m，普挖深度6.8 m，局部承台、地梁处开挖深度为7.5 m，顶平台高程为28.30 m，平台总宽度为27.8 m，两侧用土体进行覆盖使地下覆土建筑隐藏于土堤堤身中，通过踏步通道与堤内市政道路相接（图1）。

图1 原江堤改为地下覆土建筑物示意

1.1 基坑周边环境条件

建四覆土建筑物工程位于武青堤沿线，基坑平面布置呈长条形，基坑东侧（长边）为临江大道，道路边线距基坑边线距离为7.5～25.0 m，同时建筑物较多，有青山区政府大楼和依江畔园住宅小区，因此施工期间对市民及交通影响相对较大。基坑西侧（长边）为堤外江滩，场地较为开阔空旷，仅有砂场、足球场、篮球场等，建筑情况比较简单。基坑开挖范围内无地下管线。

1.2 工程地形地貌

根据现场实测，本工程场地靠近临江大道侧现状地面标高约25.0 m，靠近堤外侧滩地现状地面平均标高26.0 m，较为平坦。场区地貌单元属长江一级阶地及河漫滩。

1.3 场地地层与分布特征

本工程在勘探深度范围内，按土层的成因、时代、沉积特征及工程地质性质不同，可分为：①层素填土；②1、②2、②2a层壤土，②3层壤土夹砂壤土，②4a层淤泥质壤土，②4层壤土和②5层壤土；③1层粉砂，③2层粉砂，③3层细砂，③4层细砂和③5层含砾中粗砂；④1层强风化粉砂质泥岩和④2层中风化粉砂质泥岩共15层。

1.4 水文地质条件

本工程场区地下水的埋藏类型为上层滞水和孔隙承压水，上层滞水主要赋存于结构松散、孔隙连通性好的①层素填土中，大气降水为其主要补给来源；孔隙承压水主要赋存于③层组砂性土中，与长江水有密切的水力联系，呈互补关系。勘探时测得混合水位埋深1.20～5.50 m。场地周围未见明显污染源，根据邻近场地水质简析报告并结合武汉地区经验可知，地下水对混凝土及其钢筋具微腐蚀性。

2 施工重、难点分析

1）本工程基坑平面布置较为规则（呈长条形），基坑开挖面积大，深度较深，基坑工程体量较大。

2）场地地质条件差，基坑开挖深度范围内存在淤泥等软土，其承载力低、压缩性高、稳定性差，极易发生坡体滑移、基坑侧壁失稳及坑底隆起等工程事故。

3）本工程基坑底局部已进入粉质黏土夹粉土粉细砂互层土，土层垂直渗透系数非常小，水平渗透系数较大，极易发生坑底突涌事故。基坑侧壁有流塑状态淤泥和粉土，易出现流土、流砂等现象。

4）基坑开挖进入软土层后，挖土、运土机械行走困难，需要铺设临时行走道路等。

5）基坑开挖至软土层后，挖土、运土机械行走极易造成工程桩、降水井等损坏，需要加强对其保护，严格控制挖土高差，要求每层挖土厚度不得超过1 m，土方施工机械行走需要对临时道路进行硬化。工程桩、降水井周边土体应采用人工挖除。

6）施工任务重、工期紧。根据长江防洪要求，建四覆土建筑物基坑支护开挖、桩基、主体结构、防水、回填等施工必须在一个非汛期内完成（当年10月至次年4月底），施工绝对工期仅6个月，按常规的施工安排，无法按期完成。经分析策划，其中基坑支护、土方开挖施工是制约本项目工期的关键，因此如何确保地下覆土构筑基坑能按期完成，是本基坑施工的重中之重。

3 基坑支护与降水方案设计

3.1 基坑支护设计方案

本工程基坑支护结构形式为：基坑上部3 m采取四周放坡喷锚开挖，下部采取钻孔灌注桩悬臂支护。

3.1.1 基坑支护桩

基坑竖向支护桩采用钻孔灌注桩，桩径0.9 m，间距1.3 m，桩顶标高21.50 m，有效桩长11.5～13.5 m，桩身混凝土强度等级C30。

3.1.2 基坑扶壁桩

临江大道侧延基坑长边支护桩外侧及靠江侧局部土质较差的部位外侧每26 m设置1组φ900 mm@1 300 mm扶壁桩，桩顶标高及有效桩长同相应的支护桩。

3.1.3 边坡挂网喷锚

支护桩顶放坡坡面及平台处均采用厚100 mm挂网喷射混凝土护面，土钉为1φ12 mm，L=0.6 m，横向间距1.2 m，竖向间距1.2 m。面层挂网采用60 mm×40 mm×3 mm钢板网，面层喷射混凝土强度C20，厚度100 mm。

3.1.4 桩间挂网喷锚

为防止支护桩间土体流失，桩间采用厚100 mm挂网喷射混凝土护面，挂网采用60 mm×40 mm×3 mm钢板网。

3.2 基坑降水方案

3.2.1 上层滞水控制

上层滞水主要赋存于上层填土中，主要接受大气降水和地表排水的渗透补给，无统一自由水面，水量受季节、周边排泄条件直接影响。采取的控制措施为：

1）上层滞水、雨水采用坑顶、坑底挖排水沟、集水坑的排水措施，排水沟与外部排水管道连通。

2）排水沟和集水坑底板采用C15混凝土浇筑，侧墙采用砖砌，施工期间应严防雨水等地面积水侵入基坑周边土体。排水沟净宽300 mm，净高300 mm，底板厚100 mm，侧墙厚240 mm；集水井净宽500 mm，净高500 mm，底板厚100 mm，侧墙厚240 mm。

3）对场区坡顶地面采用厚80 mm的C20混凝土硬化宽2 m范围，以防止地表水下渗。

4）在边坡坡面每间隔2.0～3.0 m设置1个泄水孔。

5）基坑侧壁，在支护桩外侧设置单排φ850 mm@600 mm三轴搅拌桩止水帷幕，止水帷幕顶标高22.00 m，有效桩长7.5～10.0 m，底部深入②4层壤土不小于2 m。水泥强度等级为P.O 42.5，掺入量不得小于16%，水灰比为0.8～1.0，要求水泥土28 d无侧限抗压强度不小于1.2 MPa。

3.2.2 承压水控制

下部砂层中的承压水位受长江水位影响较大，对基坑的开挖具有一定影响。③1粉砂承压含水层，顶板埋深最浅为9.8 m，基坑开挖后，基坑底板接近承压含水层，基坑开挖至坑底后会发生突涌，根据武汉地区对地下承压水降水经验，本工程采用深管井进行减压降水，将承压水头降至坑底以下0.5～1.0 m。基坑内布设16口降水井，5口备用降水井兼作为观测井，共21口井，降水井成井孔径550 mm，井深23 m，抽水能力为1 440 m3/d。

4 基坑土方开挖施工组织

本工程基坑普挖深度6.8 m，单座基坑土方开挖量达到约160 000 m3，工程地质条件较为复杂，土方开挖总体施工难度较大。

土方开挖是基坑工程施工的主要环节，所有支护措施均是为了土方顺利、安全开挖。因此土方开挖的施工组织是保证土方开挖按期完工的决定性因素[1-2]。

4.1 开挖顺序安排

根据现场实测，地下覆土构筑物滩地上基坑开挖施工区域内外自然地面标高均高于基坑支护设计图纸中自然地面标高，相差0.5～2.0 m，覆土建筑物A-C列在现有防洪堤下，为了确保现场实际施工与基坑支护设计工况保持一致，本工程基坑开挖总体顺序如下：

1）第1步：平整滩地，滩地土方开挖至标高25.00 m，同时将现有防洪堤土方开挖至标高25.00 m。

2）第2步：开挖基坑冠梁以上土方，开挖底标高21.40 m，同步进行桩顶放坡坡面挂网喷射混凝土、冠梁施工。

3）第3步：开挖冠梁以下土方至坑底，普挖标高18.20 m，同步进行桩间挂网喷射混凝土施工，承台、基础梁开挖，承台开挖底标高17.50 m。

4.2 土方分区开挖

本工程基坑平面布置呈长条形，长约480 m，宽约42 m，土方开挖从平面上拟分6个区域展开施工，施工顺序为从中部③区、④区同步开始，依次向①区、⑥区开挖（图2）。

图2 土方开挖平面分区示意

每个区域土方分2次开挖至坑底，开挖采取退挖法，每区域内土方开挖完成后，立即进行护坡喷锚及冠梁施工。

4.3 土方分阶段开挖

为了尽量缩短施工工期，本基坑土方分阶段开挖。综合考虑基坑开挖面积大，并结合现场实际情况，基坑土方分3个阶段开挖。

第1阶段土方开挖将现有堤防从标高29.80 m开挖至标高25.00 m，土方量约40 000 m3。此阶段分东、西、中三作业面同时开始。土方开挖前先清理表面草皮和地上建（构）筑物拆除后的建筑垃圾，运输至指定的弃渣场。现有堤防的土方运输至建设四路江滩堆放，作为基坑回填土和堤防覆土用土。由于场地原因，现有堤防土方在江滩只能堆放20 000 m3，其余土方外运至指定弃土场，待以后取土回填。

第2阶段土方开挖从地面标高25.00 m开挖至冠梁底，开挖深度3.60 m，开挖面底标高21.40 m，开挖范围内主要土质为壤土、壤土夹砂壤土，土方量约90 000 m3。该阶段土方开挖相对较为简单，开挖不受约束，采取分层、分段开挖的方式，利用反铲开挖，从基坑中间开始，同步向基坑两侧开挖。开挖时尽量先开挖基坑边坡及支护桩顶，以便桩顶坡面、冠梁等能快速施工（图3、图4）。

图3 第2阶段土方开挖示意

开挖前在场地内铺垫土方运输车辆临时行走道路，土方运输车辆临时行走道路为4条宽6 m的车道，采用碎石和片石铺筑，厚度800 mm。此阶段每座地下覆土构筑物基坑设置8台1 m3反铲挖机。

图4 第2阶段土方开挖运输车辆行走道路示意

第3阶段土方开挖标高从冠梁底标高（21.40 m）至基坑底标高（18.20 m），开挖厚度3.20 m，开挖范围主要土质为壤土夹砂壤土、淤泥质壤土。基坑底主要位于②3壤土夹砂壤土层，局部进入②4a淤泥质壤土层，土方量约70 000 m3。该阶段基坑土方开挖深度较深，开挖相对较为困难，且土质较差、开挖量较大，坑底局部土方需要进行二次转运。为了便于施工，采取退挖方式，即每区域内土方开挖完成后，立即进行垫层、承台、地梁等开挖，局部大型反铲开挖不到的土方采用小型反铲转运至坑边，然后采用大型反铲挖出（图5）。

图5 第3阶段土方开挖示意

该阶段土方开挖要等冠梁混凝土强度达到设计强度85%后方可进行。开挖应遵守分层、对称、均衡、限时开挖，严禁超挖的原则。该阶段土方开挖局部为软土层，为确保开挖范围内工程桩（超灌部分）、降水井等的安全，要求每层开挖厚度不得超过1 m，且工程桩、降水井周边土体采用人工开挖，开挖过程中指派专人进行监控。土方运输车辆临时行走道路为4条宽6 m的车道，采用碎石和片石铺筑，厚度800 mm。在基坑两端修筑坡道，坡比1∶8。此阶段地下覆土构筑物基坑设置8台1 m3反铲挖机。

第2、第3阶段土方全部外运至指定的弃土场。

4.4 基坑土方开挖技术要求

1）土方开挖应严格遵守“分段分层开挖、严禁超挖”的原则，并尽可能对称、均衡地进行土方开挖。

2）对土方开挖过程中临时边坡范围内工程桩和降水井应采取保护措施，均匀挖去其周围土体，以避免其受到附加的侧向压力。

3）应充分考虑施工作业荷载影响，严禁重型机械在基坑顶部行走和作业。

4）基坑开挖过程中必须坚持信息化施工，注意监测信息的反馈资料，及时指导开挖工程。应有充分的应急准备，遇有异常情况时，应及时调整施工措施。若出现紧急情况，则必须采取果断措施，采取回填反压、坡顶卸载的原则，阻断事态发展，再行加固处理，消除隐患后方可继续开挖。

5）基坑土方开挖要在深度范围内合理分层，在平面上合理分块，并确定各分块开挖的先后顺序，可充分利用未开挖部分土体的抵抗能力，有效控制土体位移，以达到减缓基坑变形、保护周边环境的目的。基坑对称开挖，即对称、间隔开挖；基坑限时开挖就是要尽量控制无支撑暴露的时间；基坑平衡开挖是指保持各分块均衡开挖。

6）开挖到冠梁作业面后，应及时进行冠梁的施工，减少基坑暴露时间和空间。

7）土方开挖分层厚度一般控制在1.5 m左右。软土各分层开挖的深度不宜超过1 m。

8）基坑开挖期间，应加强降水，确保地下水位始终在开挖面标高以下0.5～1.0 m。

9）挖土机械不得碰撞支护结构、降水运行系统、测量标志和监测元件，严禁损伤隔渗帷幕和碰撞、拖动工程桩；机械挖土应避免对工程桩产生不利影响，挖土机械不得直接在工程桩顶部行走。

10）基坑周边、放坡平台的堆载及施工荷载不得超过支护设计规定的荷载值；基坑开挖的土方不应堆放在基坑周边及邻近建筑物的影响范围内。按照设计要求，基坑坡顶周边8 m范围内严禁堆载，挖出土方必须及时运出现场。

11）坑底应根据地基土性质预留厚度0.3～0.5 m（对桩基应留厚1.0 m）的余土采用人工清理，防止大型机械开挖对天然地基及桩基造成扰动及破坏。已挖好的基坑应及时进行清边检底，满封垫层保护基底，以利于改善支护结构的工作状况。

12）邻近基坑边的局部坑中坑宜在大面积垫层完成后开挖。

13）基坑开挖过程中必须作好基坑内外的截水、排水，防止水对基坑坑壁和坑内土体浸泡，并保证正常施工作业面。

14）基坑开挖至坑底标高后，应尽量减少暴露时间，及时进行垫层及基础施工，防止坑底浸水和暴露，并及时将基础和支护桩之间的空隙填充密实，确保其紧密衔接。

4.5 工程桩、降水井保护措施

本工程基坑开挖范围内存在软土层，确保工程桩在挖土时不受损伤是基坑土方开挖的重点之一，主要采取的技术保护措施如下：

1）挖土前，对挖土施工单位、反铲车司机做好技术交底，明确工程桩位置、挖土顺序、每层开挖厚度等。

2）土方开挖时，派专人负责指挥，分层进行，严格控制标高。

3）当工程桩超出坑底过高时，应控制分层开挖的深度和分段进行截桩，工程桩顶与开挖面底部高差保持在1.5 m范围。在深厚软弱土层分布区，要严格控制每层开挖厚度（分层厚度不得超过1 m）及长度，及时截断过高的工程桩，清除桩侧不均匀分布的土体，防止桩体受到外力而发生偏移和倾斜。

4）工程桩、降水井周边土体应采用人工开挖，并严格控制其四周土方高差不得超过0.5 m。土方开挖前先安装降水水平管的垂直支撑，分阶段分层开挖。降水水平管的垂直支撑用25#工字钢，上部用200 mm×300 mm×10 mm钢板做柱头，下部用500 mm×500 mm×20 mm钢板做柱脚。先开挖支撑部位的土方，安装支撑后，再进行大面积开挖（图6）。

图6 降水管加固支撑示意

5）进入软土层后，反铲车不得在工程桩、降水井周边行走和挖土作业，以免造成桩体偏位和断桩。无法避让时，需对工程桩、降水立管周边土体进行加固，并派专人进行监护[3-4]。

5 结语

大型建筑物深基坑土方开挖施工比较繁琐，制约施工的复杂因素较多，对开挖技术也要求较高。在实际开挖施工开始前，应当结合工程实际情况具体分析施工重、难点，制订具有针对性的专项方案，为土方开挖的顺利施工创造条件。在组织土方开挖的施工过程中，科学合理地选择开挖机械设备，根据现场地下土层分布情况，按照相关规范要求来选择合理的开挖方式和顺序，重视深基坑土方开挖的质量管理，在确保工程质量和安全的同时，按照预定工期完工。