基于复杂环境下建筑大面积基坑开挖支护技术研究

梅焕明

（广州市第三建筑工程有限公司）

0 引言

建筑基坑开挖是一项系统工程，涉及很多方面的问题，例如岩土与支护的相互影响、土力学中强度、变形、稳定性等，具备极强的综合性岩土施工难题。基于复杂的城市规划格局，所面临的建筑、道路、管线分布高度集中的问题，基坑开挖又必须对这些进行必要的保护，而工程现场又不具备多段大面积放坡支护的条件，因此，怎样在相对有限的空间里，既要确保基坑的稳定性，又要最大限度地降低对周围环境的干扰，已经成为工程施工领域的难点问题之一，本文将从以下几个方面进行研究。

1 深基坑工程中存在的问题

1.1 设计方案与施工技术的差异性

第一，设计单位在对深基坑工程实例制定施工方案时，针对支护体系和围护结构的设计只是按照地质勘查参数进行稳定性验算，没有对土方开挖、周边环境变化产生的支护结构受力不均衡的问题进行重视；第二，对基坑没有及时降水疏水或降水过度，将会导致基坑内涌进外面的地下水、突涌、流沙、坑底隆起、基坑周边土体固结下沉的不良现象；第三，降水与开挖的耦合作用导致基坑整体失稳以及周围建筑沉降破坏的问题；第四，基坑开挖后长时间没进行支撑的问题，第五，未结合施工现场部署进行设计支护方案。对于以上存在的问题，施工部门必须认真分析施工技术对整体基坑工程安全的影响，研究出科学合理的基坑开挖和降水的方案。

1.2 缺乏相关技术方案的优化比选

深基坑工程挖土的方式包括放坡挖土、中心岛式挖土、盆式挖土、逆作法挖土，但在实际工程施工中，许多工程案例忽略了开挖方案进行定性、定量的优化比选，而是简单地侧重对单一挖土技术的介绍与研究测算分析，同时忽略支护组合的施工时间差，造成坑壁失稳变形的问题。

1.3 缺乏对降水情况的分析

对于降水施工技术大部分研究只重视对周边地表、建筑物、地下管线的不良影响，却忽略了对降水技术的分析，其中包括不及时降水和降水过度对基坑围护结构的不利影响，对地下水流，上下游关系不了解，更缺乏对症下药的补救方案以及对控制效果的分析和评价。归根结底，就是没有对降水的施工掌控的关键点进行研究。

1.4 对基坑工程的动态管控不够

在深基坑的施工中对事故的预警机制是很重要的，而当前的施工预警是根据深基坑施工过程的监控数据。而根据通常的惯例，国内外研究此类问题的标准只是重视研究有效的、精准度极高的技术和手段，却总是忽略监测结果对施工方案的修正意义。通常情况下，研究查找影响基坑施工原因主要是通过分析突变数据和波动较大的监测数据来判断，并在此基础上对工艺效果进行评价，只要结果满足既定的设计标准就可以，却不能深度分析判断影响基坑整体稳定的具体的工序因素，更没有机会去纠正一些违规的施工措施，对技术方案实施优化就更无从谈起了。总之，上述的核心的缺陷就是监测数据仅起到事后评价的作用，缺乏应有动态管控。

2 案例工程概况

本案例工程是一个住宅小区的建筑工程项目，基坑的挖掘面积为48600m2，基坑呈现不规则的多边形，基坑挖掘的深度为4.5m～5.30m，基坑之内的局部高度差0.8m。基坑的平面图和位置见图1。

图1 基坑位置（1012）及平面形状示意图

将要施工的场地根据钻探得出地质状况，依据地质的成因类型和地层时代，岩土层自上而下分为以下几类：第四系全新统人工填土层、第四系全新统冲洪积层、第四系中更新统坡洪积层、第四系残积层及白垩纪泥质粉砂岩，中风化泥质粉砂岩，展现随机分布的无规律性。基坑内部有三种类型的地下水分布：岩溶裂隙水、松散岩类孔隙水、上层滞水。根据工程场地勘察结果，从地下室的边线到基坑开挖深度三倍的区域内，现场东边为42m 宽城市主干道，两侧分布着市政管网，与地下室边线距离为10.5m；现场南边为10m 宽城市次干道，两侧分布着市政管网，与地下室边缘距离为6m；现场西侧为B 小区，边缘绿化地带埋设着市政管道及电力电缆，与地下室边缘距离为13.8m；北侧为待建区域，与地下室边缘距离为18.0m。

3 工程难点分析

第一，该项目基坑局部挖掘的深度大，最深可达到5.3m，附近环境管线较多，道路复杂，出现问题影响极大，辨别为一级危险源，对基坑整体的稳定性和支护强度有较高的要求。第二，对周边的环保要求极高，现场的东、南、西三边临近市政道路及住宅区，管线密布，对支护稳定性要求极高。第三，深基坑挖掘的深度下不稳定因素多，基坑底岩土层主要为强风化泥质粉砂岩，稳定水位高程为-2.9～-4m，严重影响基坑疏排水及支护类型的选择。

4 大面积深基坑开挖支护方案研究

4.1 深基坑工程方案设计原则

大面积深基坑施工，是一个复杂的完整的系统工程。施工中应确保支护的稳定性、周边建筑物、管线的安全，更要重视工程作业的便利性和工期的准时性，在设计的工期内高质量地完成工程，更要考虑工程的造价。所以，在进行方案设计时，必须考虑工程的实际条件及施工部署，选择适合工程的支护方式，设计的原则表现在下面几个方面。第一，安全可靠性，保证安全是整体工程的关键。第二，技术可行性，虽然现代施工技术都具备安全可靠性，但深基坑大面积施工要根据工程的特点，结合工程的具体情况，选择成熟的施工技术，切实保证工期和质量。第三，经济合理性和施工方便性，大面积基坑开挖工程，在考虑安全、可靠和技术的因素外，也要对工程的经济性和便利性进行研究论证，对各种资源进行整合，择优而定。

4.2 基坑施工方案比选

4.2.1 围护结构

要充分考虑大面积基坑挖掘的深度、支护时长、周围的环境和现场的地质、水纹条件，根据现场土体状态选择支护方案，对最优的支护方案进行抉择：土钉墙、挂网素喷支护、SMW 工法桩、灌注桩+锚索、地下连续墙。

4.2.2 地下水控制系统

该项目基坑挖掘深度最大可达5.3m，基坑底在地下水位之下，降低后地下水位应在基坑底面0.5m～1.0m，降深水位大约3m，如果利用密闭的止水帷幕，会产生很高的造价。同时基坑勘测显示地下水位的降低对这个土层没有太大的沉降影响，所以决定不采用虑密闭止水帷幕。但基于地下水位比基坑底要高很多，降低基坑内的地下水位可采用管井降水措施，为土方开挖创造干燥的施工条件。

4.2.3 支护方案比选结果

通过上面的方案比选，得出下面的结论：第一，该项目基坑的东、南、西三面支护的深度为4.50～5.30m，支护方案为以灌注桩+内支撑（角部设置钢筋混凝土抗拉板），出土坡道为灌注桩+拉锚式，桩间挂网喷砼；第二，该项目基坑的北侧段支护深度为4.5m，周围的环境并不复杂，结合技术的分析和经济的对比，本段工程利用“土钉墙”实施支护；第三，地下水的控制措施，基坑内利用水纹的上下游关系设置U 型井点降水，提高经济性及有效率，同时亦综合考虑方便机械进出基坑；同时考虑避免降水影响范围过大，应采取回灌措施（在井点外4m 处设置回灌点），同时坑底和坑顶排水设施为排水沟组织地表明水。

表1 基坑支护类型比选

5 深基坑支护结构设计

5.1“组合式支护”模式

结合施工中的成熟的经验，该支护模式设计参数为前后排桩径1m、1.3m 的间距，排桩顶部的冠梁规格为1.0m×0.8m。设计验算的数值取基坑开挖最深的地方。通过理正基坑支护设计软件的验算结论，对基坑支护结构相关现象进行分析，包括整体稳定性、地表沉降、内力位移等，经过计算得出下面的结论：第一，基坑整体的稳定性符合规范要求，安全系数为Ks=1.549＞1.30。第二，基坑完全符合抗倾覆的设计标准，Kov=1.237＞=1.200。第三，支护底部具有很好的抗隆起稳定性，基坑深度也符合抗隆起的稳定性。第四，基坑突涌的安全系数相对稳定，底部土具备抗承压水头的稳定性，嵌固深度与构造要求相符合、具备很强的抗倾覆能力、整体滑动稳定性符合设计要求。

图2

5.2 地下水控制系统研究

基于现场的地下水位比较浅、水量不大，处理措施不选择密闭式止水帷幕，主要以管井降水。第一，布置降水井的距离为35～40m，把地下水位降低到基坑底-0.5～-1m 范围，降水井为500mm 的孔径，滤管采用PVC 管，直径为300mm，井底岩面的入基不能低于1m，降低的水位至不得大于1.5m。第二，截水沟的设置位置为排桩冠梁边设置，用作拦截地表面的雨水，同时在坡底每隔20m 及拐角处设置集水坑，用于接纳坡脚排水渠内的积水，然后采用水泵抽排进三级沉淀池沉淀后汇集水排入市政排水渠道。

6 结束语

通过对以上工程实践的研究分析，本案例工程为深基坑大面积开挖解决了技术难题。通过认真全面分析基坑周围的环境和地质、水纹条件后，采用的施工方案为组合支护技术，即灌注桩+内支撑、灌注桩+拉锚式、“土钉墙”的支护方式，采用的管井和排水明沟的组合方式及回灌技术，运用地下水上下游关系结合施工机械进出通道，合理经济有效运用U 型布点降水，实践的结果表明各项技术指标均符合设计要求，坑内的疏排水措施也科学合理，即能充分保障施工安全，又可以创造充足的施工作业面，确保复杂环境下建筑大面积基坑开挖支护的顺利进行。