复杂地质环境下大型深基坑工程支护技术——以泉州市公共文化中心工程项目为例

肖泽泓 黄端权

( 1.安徽建筑大学 安徽合肥 230601；2.福建省第五建筑工程公司 福建泉州 362000)

0 引言

目前，国内常用的深基坑支护结构，主要有灌注桩排桩支护地下连续墙支护土钉墙等，并辅以内支撑锚索等支撑形式，各自的适用条件及效果差异较大[1-5]，需要根据基坑尺寸及深度周边环境地质情况等具体条件，灵活选择合理的基坑支护结构，以确保基坑工程安全。

泉州市公共文化中心，位于泉州东海新区，属于沿海城市低海拔区域，地下水位高，杂填土及淤泥等软土层较厚，孤石多，设计基坑面积大且深，地质环境复杂，可借鉴的工程案例少，支护结构的选择及施工难度大，不确定性风险高。因此，本文拟总结该项目的支护结构设计及施工经验，为类似环境下大型深基坑工程的支护结构选择及施工提供借鉴。

1 基坑工程概况

泉州市公共文化中心，用地面积129 629m2，基坑近似360m×310m的矩形，项目设一至两层连体地下室，地下室总建筑面积192 219m2，基坑开挖深度约10.94m～11.91m，整个基坑支护周长约1500m，属于超大型深基坑工程，基坑侧壁安全等级为一级，重要性系数为1.10。

2 工程重难点分析及应对措施

(1)周边环境复杂

该项目施工场地，位于丰泽区东海片区综合大道与景观西路交汇处，场地四周均为新建道路，邻近基坑西北侧为景观西路北侧综合大道(图1)，绿化带埋设有污水管电缆天然气管道等地下设施，地下管线埋深1m～3m，与基坑最近距离约6m(处于基坑开挖深度范围以内)，受基坑工程施工影响大，不具备采用放坡开挖的条件。

图1 基坑及周边道路平面图

为了避免因基坑内大面积降水而导致周边土体沉降变形，进而破坏周边道路及市政管线设施，该项目工程宜采用灌注桩排桩支护+截水帷幕，并加强相关变形监测，制定完善的基坑监测方案。

(2)地质条件差，开挖深度深，基坑面积大

图2 工程地质典型剖面图

根据地勘结果(图2)，该项目工程拟建地下室基坑开挖范围内土层，主要为素填土①淤泥②粉质粘土及中砂③残积砂质粘性土④全风化花岗岩⑤层，基坑侧壁稳定性差。 基坑底土层主要主要为残积砂质粘性土④，个别区域为粉质粘土及中砂③ 全风化花岗岩⑤及碎块状强风化花岗岩⑦，其中，残积砂质粘性土④和全风化花岗岩⑤，具有遇水易软化易坍塌强度较低等特性,抗剪强度较差，且基坑开挖时在局部区域存在突涌等不良影响。开挖土层处于杂填土淤泥等软土层厚度较深(超10m)，上部土体承载力低，整体稳定性差，且基坑开挖深度深，采用单一的灌注桩排桩支护结构悬臂端过长，在土侧压力作用下易出现过大变形而倾覆，故基坑支护需要增加支撑。

但由于基坑面积大，且需分区施工，不适合采用内支撑体系，因而选择多道预应力锚索来约束排桩支护变形的拉锚形式，以确保基坑侧壁安全稳定。此外，由于地质条件差，部分预应力锚索位于杂填土及淤泥等软土层中，土体与锚固体极限摩阻力低(10～20kPa)，采用普通的预应力锚索施工效果极差，锚固力低，故需设计为扩孔锚索以提高锚固效果，确保施工质量。同时，设计时需充分考虑周边浅部埋有地下管线的情况，适当调整了锚索间距及深度。

(3)孤石多，施工难度大

基坑范围内除表层覆盖较厚的杂填土淤泥等软土外，还存在大量的孤石(图2)，给支护结构施工带来很大的困难。因此，针对预应力锚索扩孔施工时，需金刚钻头和扩孔钻头配合使用，先采用金刚钻头取孔钻进孤石，再换扩孔钻头施工扩孔，方可确保锚孔施工质量及效率。

(4)地下水位高

该项目工程场地的地下水，主要为赋存于填砂孔隙中的潜水，以及花岗岩风化岩层孔隙～裂隙中的承压水。场地地下水混合水位标高4.20m～4.50m，在基坑开挖深度范围内，对地下室施工影响较大；在二层地下室基坑开挖部位，当含水层上覆的相对隔水层厚度较小时，基坑开挖时场地内的承压水有可能产生突涌现象，必须采用止水或降水方案并加强水位监测管理。

①基坑降水

主要采用高压旋喷桩止水与井点降水法相结合，沿排桩外围施工高压旋喷桩形成悬挂式止水帷幕，并在基坑内布置降水井，共计153个，井深13m(土方开挖至-7m左右开始打井)，采用负压降水。同时，应对止水帷幕质量严格控制，如控制桩的垂直度两桩搭接排桩与旋喷桩间距等。土方开挖前，需对坑内进行试降水，检查止水效果，以确保开挖后不出现大面积漏水。

②基坑排水

坡顶四周应设排水沟和集水井，以排除地表滞水，四角直线边间隔20m～40m设集水井，集水井比沟底深0.5m，根据地形采用泵排水或自然排除。所以，在开挖过程中，设置临时排水沟(或盲沟)，并酌情在坑底(间隔20m～40m)设若干集水井，采用污水泵抽水，明沟和集水井随开挖深度加深，抽水排到坑外明沟，经集水井沉淀后排入市政下水道。排水沟布置如图3所示。

图3 排水沟布置示意图

图4 基坑分区及支护剖面范围示意图

(5)基坑工程工作量大，工期短

基坑规模大，周边环境及地质情况变化大，且工作量大工期短，故需要分区域进行基坑支护结构设计，并分区组织流水施工。根据上部建筑情况，将基坑分为6个区14种剖面类型施工(图4)，先进行1区2区5区6区施工(上部有主楼)，再进行3区和4区施工，并根据开挖深度及周边环境条件进行支护结构设计。典型区段的支护结构如图5所示：上部采用放坡加土钉支护(2道锚管)，局部剖面坡顶增加竖向锚管加固土体，下部采用灌注桩排桩支护，桩径1000mm，间距1300mm，桩间采用双重高压旋喷桩止水，并根据不同区段地质情况和开挖深度，设计2～3道预应力锚索，部分区段(位于厚软土层中时)锚索采用扩孔锚索；一层和两层地下室交接部位(剖面14)采用3道锚管+木桩组合支护系统；除了整个基坑四周采用排桩支护+预应力锚索支撑外，场内前后施工的两个区之间(1区与3区，5区与3区，2区与4区，6区与4区)采用放坡开挖，分层分段，交接部位留设临时施工道路三级退土，并沿3区向4区退土，完成整个基坑开挖及支护工作。

图5 典型区段的支护结构剖面图

3 工艺流程及施工技术要点

3.1 工艺流程

测量放样→灌注桩排桩施工→双重管高压旋喷桩施工→第一级土方开挖至灌注桩冠梁垫层底标高→上部放坡加土钉施工(2道锚管)→下部第一道预应力锚索施工(部分剖面为扩孔锚索)→第二级土方开挖至第一道腰梁垫层底设计标高→第二道预应力锚索施工→继续开挖土方，施工锚索→土方开挖至地下室底板垫层底设计标高。

其中第一级土方开挖细化工艺流程如下：

坡顶竖向锚管施工→挖至第一道锚管设计标高，按要求放坡→施工第一道锚管→布钢筋网加强筋→喷射C20素砼，厚度按设计要求→挖至第二道锚管设计标高，按要求放坡→施工第二道锚管→布钢筋网加强筋→喷射C20素砼，厚度按设计要求→挖至冠梁垫层底标高→施工第一道预应力锚索→施工冠梁。

3.2 施工技术要点

由于周边环境复杂，地质条件差，地下水位高，基坑周边市政道路管线多而近，基坑内杂填土淤泥等软土层厚孤石多，季节性降水量大，施工情况复杂，因此在施工中要随时关注施工技术要点。如：在软土层中采用普通的预应力锚索锚时，易出现严重的孔洞涌水涌沙塌孔等现象，导致第一次注浆易被返水流走；采用封堵办法注浆时，水泥浆会从外侧边坡返出，锚索无法成孔，而第二次压力注浆虽不返浆但无压力，且在超出设计注浆量的情况下会出现从边坡上冒浆，并导致边坡开裂。

(1)在淤泥层上打桩施工时，应保证机器设备安放的稳定性，护筒埋设需准确，周围用粘土回填夯实，避免孔斜。如果必要，采取局部换填或铺设周转性钢板的方式进行场地平整加固。

(2)由于基坑上部多为杂填土及淤泥，土体承载力低，因此采用机械开挖分层放坡时，计划安排可靠合理的车辆行走道路，对表层土体无法满足行车要求的区域，采用换填或铺设钢板的措施，避免支护桩及工程桩由于土体挤压扰动而产生偏移等现象。

(3)锚索施工前，应先核实周边市政管线深度，并建议采用BIM技术进行激光扫描和实体建模，通过碰撞分析局部调整锚索布置，避开地下管线。

(4)软土层较厚的区域，采用扩孔式预应力锚索施工工艺，锚固段扩孔孔径500mm，自由段成孔直径150mm；预应力锚索拉杆采用4根直径15.2钢绞线制作，每根钢绞线由7根直径5mm的钢丝组成，拉杆钢绞线采用隔离架隔开，隔离架绑扎间距端部为1000mm，中部及顶部为2000mm，隔离架采用厚度3mm铁板制作，提高锚固效果。

(5)采用扩孔锚索替代普通锚索施工时，先用钻机带水泥浆(水灰比0.7)引180mm口径孔到设计深度+50mm，再用旋喷钻头钻杆下锚索至设计深度，最后按设计要求旋喷锚索锚固段。

(6)普通锚索施工时，在易塌孔区段，宜采用水泥浆护壁成孔，注浆时统一按3次注浆方式(采用3根注浆管)，一次常压注浆，二三次为高压注浆，以提高锚固力。

(7)由于地下水位较高，在钻进的过程中，若遇到大量涌砂涌泥现象时，加大锚孔倾角，在自由段加设钢套管并适当向外延伸，提高套管外端口标高，以平衡水压。

(8)遇到孤石时，先采用金刚钻头取孔，套管跟进，穿过孤石后，取出金刚钻头，换上扩孔钻头继续施工，一次扩孔成型率高，确保了扩孔效率及质量。

(9)锚索施工结束后，进行拉拔力试验检测，合格后进行下一道工序施工。

4 基坑监测结果

项目开工前，即根据基坑开挖深度支护结构特点所处周边环境条件相关规范及设计图纸要求等，编制相应的基坑监测方案，并采取仪器监测与巡视检查相结合的现场监测方法，确保施工安全，重点进行支护桩水平及竖向位移锚索内力变化周边建筑物沉降等监测。

该工程基坑监测结果汇总如表1所示。

表1 基坑监测结果汇总

表1的基坑监测结果表明：该基坑支护结构效果良好，支护结构及周边建筑的位移变形均在监测预警值范围内，锚索内力变化较小，基坑侧壁安全稳定。

5 结语

(1)复杂地质环境(高地下水位厚软土层多孤石)的大型深基坑工程，采用灌注桩排桩支护+高压旋喷桩截水帷幕+预应力锚索(局部扩孔)的支护体系，该工程实践表明，基坑侧壁安全稳定，支护结构变形小，对周边建筑物道路管线影响小。

(2)在高地下水位及厚软土层区，采用扩孔锚索代替普通预应力锚索水泥浆护壁加设钢套管并提高套管外端口标高等措施，可有效避免出现孔洞涌水涌沙塌孔跑浆等现象，确保施工质量，锚固效果好。

(3)遇到孤石时，采用金刚钻头和扩孔钻头结合施工，可确保扩孔效率及质量。

(4)复杂地质环境下，相关支护结构设计选型及所采用的施工技术措施，该工程实践验证是合理可行的，可为类似环境条件下大型深基坑工程支护结构选择及施工提供借鉴，具有一定的指导意义及参考价值。