临近浅基础建筑单层地下室基坑变形控制研究

袁子琦 崔允亮

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 311122；2.浙江大学城市学院 工程学院，浙江杭州 310015)

0 引言

基坑开挖会对周围环境造成影响，该问题日益突出，在基坑开挖时如何保护周边的环境受到广泛讨论[1-3]。在基坑工程的设计阶段，不仅需要考虑到基坑自身的稳定性，也需将基坑周边环境的保护纳入考虑的范围。开挖基坑越深则对临近建筑物产生的影响越大，只有在开挖阶段对周围建筑进行一定的保护才能避免其产生破坏。国内外现阶段研究[4-6]均着眼于基坑周边地表沉降量来判断基坑开挖是否会对周边建筑物造成破坏，尤其是开挖影响范围内的差异性沉降，被认为是造成基坑周边建筑物破坏的主要原因。

为保护临近建筑物，国内外学者对临近建筑物基坑支护结构进行了大量研究[7-9]。常用的支护结构有钻孔灌注桩支护、SMW工法桩、沉井、地连墙、双排桩等[10]。解决对临近建筑物的影响问题，以往的研究技术思路为增大支护结构刚度、增加横向支撑、对临近建筑物进行预先加固等。这些解决方法经济成本高，施工耗时长，施工效率低，对工程施工进度和投资成本影响大。本文从新的技术思路出发，针对临近浅基础建筑物的变形特点，在单层地下室基坑内设置被动桩，被动桩与支护桩之间在基坑底部设置传力连梁，形成新的支护结构，在基坑顶部设置内支撑并在顶板浇筑时不拆除内支撑；通过技术措施解决不拆除支撑浇筑顶板的技术问题，将该新型支护技术在工程中成功应用，并对基坑和临近浅基础建筑进行监测和分析，可为之后类似工程应用提供借鉴。

1 工程概况

本项目依托工程为永嘉县上塘中学地下停车场建设工程和永嘉县体育场地下停车场建设工程，两工程均位于老城区，建设场地紧邻周边居民楼、办公楼等，均为老旧浅基础建筑物，对地基变形十分敏感。建设场地存在厚度较深的淤泥质软土，局部为软塑、高压缩性，因此基坑开挖和周边建筑物保护难度较大。拟建永嘉县上塘中学地下停车场位于永嘉县环城北路与上塘街交界的西北侧。基坑四周场地高程取6.6 m，承台高800 mm，底板厚500 mm，底板面标高2.15 m，素砼垫层150 mm，碎石垫层200 mm，承台底挖深5.60 m。

2 变形控制技术开发

针对临近浅基础建筑开挖单层地下室基坑的情况，采用三轴水泥搅拌桩止水帷幕+被动区的土体加固+施工钻孔灌注桩支护结构+坑内被动桩等深基坑变形控制措施，该技术具有一定的创新性。内支撑设置在支护结构顶部，在顶板浇筑之前不拆支撑，保障浅基础建筑物安全，并开发支撑下施工顶板的技术措施；基坑支护结构内部设置被动桩，被动桩与支护桩之间在坑底设置传力连梁，不影响基坑施工空间的同时控制支护结构变形。临近浅基础建筑软土深基坑变形控制结构示意图如图1所示，具体工艺流程如图2所示。传统工艺在浇筑地下车库时通常要进行换撑，换撑容易造成基坑变形，本技术将支撑设置在基坑顶部，在浇筑顶板时不拆撑。支撑设置在顶部时，面临两个问题：(1)软土深基坑顶部位移虽然被控制，但深层位移容易过大；(2)顶板接近内支撑梁，庞大的钢筋混凝土内支撑结构下方形成隐蔽部位，难以进行钢筋绑扎和浇筑施工。针对上述问题，本研究开发了被动桩与传力梁新型支护结构，在基坑内底部设置被动桩，支护结构受力通过传力梁传递给被动桩，形成了双排桩结构，但不占据施工空间，以解决深层位移过大的问题；同时开发了长臂钢筋绑扎器和隐蔽部位振捣器，以实现钢筋绑扎和浇筑施工。

图1 临近浅基础建筑软土深基坑变形控制结构示意图

图2 工艺流程图

2.1 水泥搅拌桩止水帷幕和被动区加固施工

施工前做到精确定位，包括桩机钻杆的定位以及测量放点的桩位。根据坐标基准点及设计图纸进行现场测量放线，确定中心点位置坐标，利用全站仪精准放出桩位中心线，并引测护桩加强保护。然后根据设计图纸和桩位中心线放出具体的桩位，桩位的平面偏差控制在5 cm之内，桩径的偏差控制在4%之内，搅拌桩垂直度精度控制在1/200之内。控制好施工时的注浆压力及升降速度，以确保桩身均匀和强度满足。

2.2 钻孔灌注桩支护结构和被动桩施工

被动桩设置在基坑内部，不影响基坑施工，被动桩与支护桩之间设置连梁。基坑开挖时先开挖临近浅基础处土体，小面积开挖避免影响周边建筑，浇筑好连梁后再开挖大面积基坑。钻孔灌注桩支护结构和坑内被动桩桩型均为钻孔灌注桩，护筒为钢管，要保证钢管圆心与桩位点中心距误差小于5 cm，结合土层的物理指标设计埋设深度。支护桩成孔采用“跳二打一”的施工步骤，避免因孔间距过小而产生塌孔现象。被动桩桩位与支护桩每隔一根桩相对应，被动桩平面布置如图3所示。施工时应严格控制被动桩的桩位，桩身混凝土浇筑应控制好桩顶高程，并超灌一定高度。

图3 被动桩与坑底支撑梁平面布置示意图

2.3 坑顶内支撑梁施工

第一层支撑梁即坑顶支撑梁，其高程与支护桩冠梁齐平，改变传统做法，在顶板浇筑之间不拆除支撑，这样可以保障浅基础变形受控制。坑顶内支撑梁平面布置和吊环设置如图4所示。

图4 支撑梁平面布置和吊环设置示意图

施工方法为：基坑开挖至第一层支撑梁底，浇筑100 mm C15细石砼垫层找平，该找平层做支撑梁底模，模板使用胶合板，胶合板厚度18 mm。矩形截面钢筋混凝土支撑梁浇筑时，每段支撑梁互相搭接，在平面上呈三角形布置。混凝土浇筑时要振捣密实，并应做到“快插慢拔”，以排出混凝土中空气，振捣密实。每段支撑梁左右两侧在顶部均预埋1个吊环，每个支撑梁搭接节点顶部呈三角形布置预埋3个吊环。

2.4 坑底传力梁施工

(1)仅在被动桩与支护结构之间的范围内开挖基坑至坑底，保留其他区域土体暂不开挖。开挖到坑底传力梁的位置时，截除被动桩超灌桩头。截除时桩头时在桩顶预留钢筋，在被动桩桩顶施工被动桩冠梁和坑底内支撑梁，绑扎坑底支撑梁钢筋笼，并且在对应钻孔灌注桩支护结构位置进行植筋，通过植筋将传力梁与支护桩连接在一起。

(2)根据设计图纸确定植筋位置进行放线标记，将需植筋桩基侧面区域基面清理干净，使用电钻在点位处打孔，打孔完成检查合格并清灰；调制好结构胶并在清孔后注入，钢筋随之插入，植筋完成之后进行养护，之后连接植筋与坑底支撑梁钢筋，浇筑坑底支撑梁。

2.5 地下室顶板浇筑

(1)浇筑地下室顶板时不拆除坑顶支撑梁，地下室顶板距离坑顶支撑梁底面仅15～20 cm。支撑梁截面较大，尤其是支撑梁搭接节点面积更大，支撑梁的存在给地下室顶板施工带来较大困难：梁底钢筋难以绑扎，混凝土浇筑和振捣均受到支撑梁限制。因此在支撑梁搭接节点下难以绑扎钢筋的部位采用预绑扎好的钢筋网片拼接顶板钢筋笼，钢筋网片拼接时采用长臂钢筋绑扎器伸入到支撑梁搭接节点下部绑扎拼接部位钢筋。长臂钢筋绑扎器通过轻质长柄手动控制夹具夹住钢丝绑扎钢筋，其结构如图5所示。

图5 长臂钢筋绑扎器示意图

(2)浇筑混凝土时浇筑位置振捣手安排应定人、定机、定好位置、定好质量，使用振动棒应快速插慢速拔，插点排列均匀，按顺序进行移动振捣。在支撑梁搭接节点下难以振捣混凝土的部位采用改进式隐蔽部位振捣器，伸入到支撑梁搭接节点下部振捣混凝土。改进式隐蔽部位振捣器在振捣棒端部增设一个竖向振动端，可用于竖向插入混凝土，振捣棒尾部通过硬质塑料管增加伸长距离，其结构如图6所示。

图6 隐蔽部位振捣器示意图

2.6 支撑梁拆除

地下室浇筑完成并达到设计强度后拆除基坑内支撑梁，采用静态破碎剂预裂切割吊除的方式，避免常规破碎拆除法对地下室顶板的扰动，以及噪音和粉尘污染。拆除支撑梁时在支撑梁段两端钻灌注孔，孔径40 mm，孔间距25 mm，孔排距25 mm，在每段支撑梁的两端设置两到三排灌注孔。打孔不穿透，底部保留1～2 cm。根据建议说明配方配置好静态破碎剂，搅拌好之后缓慢倒入预打孔至密实，在灌入静态破碎剂10 h左右，支撑梁的两端产生局部破碎，采用气割割除破碎处支撑梁内部钢筋，用吊机通过吊环吊走支撑梁和搭接节点。

3 基坑变形监测

3.1 监测方法和设备

深层水平位移采用钻孔测斜仪进行，本次使用北京某公司的CX-06A型钻孔测斜仪，测试精度0.01 mm/50 cm。测试时，先将测斜仪放入测斜管底一段时间，等温度平衡后再进行测量。竖向位移观测采用日本某公司生产的SDL30电子水准仪，仪器标称精度1 mm/km。观测时，对各观测点进行测量，首次观测独立测量两次，其成果均在限差范围内时取其均值作为首次成果，其余各次分别与上次成果和首次成果比较，以得到本次位移量和累计沉降量。

3.2 测点布置

(1)深层土体水平位移点

测斜管布设方法：放样定位 → 钻机钻孔 →埋置测斜管 → 校对测斜管方位 → 中粗砂密封孔洞 → 进行孔洞保护 → 读取初始值。

(2)坑外土体竖向位移

为及时监控基坑周边土体的竖向位移情况，在预设位置使用压力法测量。

(3)基坑周边房屋竖向位移

对本工程基坑周边房屋进行监测，布设监测点60处，以房屋沉降钉打在建筑的桩体上。

各测点布置如图7所示。

图7 监测点位布置图

4 基坑变形分析

4.1 深层土体水平位移分析

深层土体位移曲线见图8，可以看出，累计水平位移随着开挖施工的进行而变大，即开挖程度越大，水平位移越大。

图8 深层水平位移曲线

不同阶段水平位移与深度之间的变化规律呈现出较大差异，开始阶段二者的关系接近线性关系，之后随着开挖的进行，曲线呈现“鱼肚”形。总体来说，基坑在开挖过程、拆撑过程中土体位移变化不大，没有出现报警情况，累计位移量也没有超过设定预警值。说明基坑在开挖、拆撑的施工中是安全可控的。坑底处位移较小，说明坑底被动桩和传力梁起到了较好的控制基坑变形的效果。

4.2 坑外土体竖向位移分析

由图9坑外土体竖向位移曲线可以看出：土体竖向位移观测点CJ10的累计量最大，为-3.3 mm，未超过报警值(±35 mm)，土体竖向位移未出现报警情况；整体来看，坑外土体竖向位移在施工期间呈持续平稳小范围下降趋势，说明此阶段因土方的开挖，外侧土体和支护结构变形不大。

4.3 周边房屋沉降分析

由基坑周边房屋的沉降曲线(见图10)可知，房屋竖向位移观测点J06的累计量最大，为-3.5 mm，没有超过报警值(±30 mm)；从房屋沉降累计量-时间曲线图来看，在基坑施工期间，周边房屋竖向位移变化均匀，没有出现单次报警情况，累计变化量也没有超过预警值，说明基坑施工对这些房屋影响较小。

图10 房屋沉降曲线

5 结论

(1)针对软土地基临近浅基础建筑的单层地下室基坑，开发了坑内被动桩+传力梁新型支护结构并在工程中成功应用，有效控制了基坑深部变形。

(2)针对软土地基临近浅基础建筑的单层地下室基坑，内支撑设置于基坑顶部，并在浇筑顶板时不拆撑、不换撑，通过技术措施解决顶板施工问题。通过不拆撑、不换撑施工有效保障了临近浅基础建筑物安全。

(3)经监测可知随着施工开挖，基坑深层土体水平位移曲线呈现“鱼肚”形，且基坑在开挖过程、拆撑过程中土体位移变化不大，深层土体水平位移、坑外土体竖向位移及周边房屋沉降均未超过报警值，验证了新技术的有效性和可行性。