复杂环境下医院扩建工程深基坑设计与施工实例

付瑞勇 武登辉,2 叶胜林,2 赵庆亮,2 马 振

(1.山东建勘集团有限公司，山东济南 250031；2.山东省基坑与边坡工程研究中心，山东济南 250031)

0 引言

大型综合性医院是城市公共设施的重要组成部分，直接关系到居民生活幸福指数的高低。随着经济的发展，城市规模的扩大，20世纪规划建设完成的位于城市中心的大型医院越来越难以满足城市居民的就医需求，床位紧张、停车困难是老院区的通病，为改善居民就医条件，需要在院区内进行扩建工程。面对紧张的用地空间，扩建工程需要最大程度地开发地下空间。

山东省立医院位于济南市槐荫区，新建儿科综合楼选址于医院儿科病房楼西侧，将院区内原2—5层办公用楼拆除后进行建设。建设场地十分狭窄，本工程建设期间需保证东侧儿科病房楼正常使用，基坑重要性大，对施工工艺的各项要求高，需综合权衡基坑安全度、施工效率以及经济性等各方面指标。综合考虑场地地层以及周边环境情况，基坑支护采用桩锚支护方案，地下水控制采用高压旋喷桩截水帷幕结合管井降水的方案[1-4]，经开挖验证，方案经济合理，施工效率高，确保了医院扩建工程的顺利实施。

1 工程概况

1.1 拟建物概况

拟建山东省立医院儿科综合楼地上19层，地下3层，基坑大致呈矩形，长约93.6 m，宽约62.1 m，基坑开挖深度为15.7～19.9 m。

1.2 场地地层情况

场地地层自上而下由新近人工堆积填土、第四系全新统—上更新统冲洪积层和燕山期闪长岩风化带组成，基坑支护深度影响范围内自上而下分8层。详述如下：

①杂填土：杂色，稍密，稍湿，主要成分为石灰、砖块等建筑垃圾，混少量—多量黏性土，层厚1.0～3.0 m。

②黄土状粉质黏土：黄褐色，可塑，局部硬塑，具大孔结构，具湿陷性，含少量钙质条纹，局部含少量姜石或碎石，层厚3.0～5.2 m。

③粉质黏土：黄褐色，可塑，含少量氧化铁。该层局部揭示碎石夹层③1，灰黄色，中密，饱和，碎石成分为石灰岩，粒径3～6 cm，最大8～10 cm，充填30%～40%的黏性土，局部胶结，厚度0.4～3.2 m。该层厚度0.5～6.5 m。

④粉质黏土：棕黄色，硬塑，局部可塑或坚硬，含少量铁锰氧化物及结核，局部相变为黏土，层厚2.0～5.4 m。

⑤粉质黏土：棕红色，硬塑，局部可塑或坚硬，含少量铁锰结核，局部相变为黏土。

⑥粉质黏土：棕黄色，硬塑，局部可塑，含少量铁锰氧化物，局部相变为黏土。该层局部揭示碎石夹层⑥1，灰黄色，中密—密实，饱和，碎石成分为石灰岩，粒径3～8 cm，充填20%～40%的黏性土，局部胶结，厚度0.7～3.9 m。该层厚度3.1～6.5 m。

⑦强风化闪长岩：灰绿色，细粒结构，块状构造，裂隙发育，岩芯呈短柱状及块状，少量砂状，采取率70%～80%，RQD=0～20，属极软岩，破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级。该层厚度0.80～5.60 m。

⑧中等风化闪长岩：灰绿色，细粒结构，块状构造，岩芯呈柱状，少量短柱状，节长一般5～20 cm，最长30～40 cm，采取率80%～90%，RQD=65～80，属软岩，较完整，岩体基本质量等级为Ⅳ。该层未揭穿，最大揭露厚度15.2 m。

1.3 场地地下水

为第四系孔隙潜水，主要补给来源为大气降水及地下径流。勘察期间从钻孔内测得地下水静止水位埋深6.3～7.4 m，相应标高34.9～35.6 m，近5年来水位变化幅度约1～2 m。

2 基坑支护及地下水控制方案

本场地为拆迁场地，场地周边环境复杂。综合考虑基坑周边建构筑物以及地层情况，采取桩锚支护形式，并采用高压旋喷桩截水帷幕+管井降水的地下水控制方案。

2.1 基坑周边环境情况

基坑平面布置以及周边环境如图1所示。

图1 基坑平面布置以及周边环境图(单位：m)

(1)基坑北侧西半部距离地下室外墙20.2 m处为6层砖混结构住宅楼(为济南市机电公司商住楼)，条形基础，埋深约1.5 m；北侧东半部距离地下室外墙15 m处为2层砖混结构住宅楼(为省立医院用房)，条形基础，埋深约3.5 m。距离新建地下室外墙约10.0 m处有雨水、给水及污水等管线，埋深约1.5 m；距离约15.0 m处有空中架设热量管线等。

(2)基坑东侧距离地下室外墙3.2 m处为已建儿科病房楼，该楼地上6层、地下1层，框架结构，采用筏板基础，基底标高35.6 m；儿科病房楼与基坑之间3.2 m范围内存在电力(南段)、雨水及污水(北段)管线。经建设单位确认，上述管线将在基坑开挖及施工前开挖移除或采取保护措施。

(3)基坑南侧为经五路，地下室外墙距道路边线10.0 m。西段距离地下室外墙约3.0 m处存在热力、给水管线，埋深约2.5 m；基坑南侧东端为过街天桥梯道(距离地下室外墙3.0 m)，天桥主体采用连续钢梁，主桥部分采用钻孔灌注桩基础(桩长约8.5 m)，承台呈“T”字形，3.2 m×3.1 m，承台底埋深1.6 m；天桥梯道采用型钢结构，基础采用柱下独立基础，基础埋深1.2 m。

(4)基坑西侧为纬七路，地下室外墙距道路边线12.1 m，地下室外墙距离西侧最近建筑物25.6 m(为省立医院用房)。

2.2 基坑支护设计方案

(1)紧邻现状儿科病房楼区段

该段地面整平标高42.2 m，基坑深度16.0 m，基坑上部1.0 m范围内采用天然放坡，放坡坡度1∶0.5，坡底留1.2 m平台；1.0 m以下采用锚拉式(排桩+锚索)支护结构，桩径1.0 m，桩间距1.4 m，一桩一锚，设4道锚索，锚索长18.0～27.0 m，排桩嵌固深度10.0 m(见图2)。

(2)靠近道路区段

基坑西侧紧邻纬七路，基坑深度19.9 m，基坑上部3 m范围内采用土钉墙支护形式，放坡坡度1∶0.5，设2道土钉，土钉长度3.0 m，竖向间距1.3 m，水平间距1.6 m，梅花状布置；3.0 m以下采用锚拉式(排桩+锚索)支护结构，桩径1.0 m，桩间距1.6 m，一桩一锚，设6道锚索，锚索长25.0～28.0 m，排桩嵌固深度9.1 m(见图3)。

2.3 地下水控制方案

本工程采用坑内降水、基坑周边设置高压旋喷桩与支护桩相互咬合形成的帷幕截水，并结合坑外回灌的地下水控制方案。

图2 紧邻建筑物侧基坑支护剖面图(单位：m)

图3 靠近道路侧基坑支护剖面图(单位：m)

(1)截水方案：支护桩间设置2个旋喷桩，高压旋喷桩桩顶位于地面以下3.0 m，桩底穿过碎石层，进入强风化闪长岩内，桩径800 mm，高压旋喷桩间搭接为300 mm，与支护桩搭接为350 mm，水泥掺入量为300 kg/m(见图4)。

图4 截水帷幕大样图(单位：mm)

(2)降水方案：采用管井降水方案，于基坑内沿地下室外墙周边共布置降水井25眼，降水井间距12.0 m，降水井井底标21.2 m、17.4 m(进入基础底面以下≥5.0 m)；基坑内布设疏干井8眼，间距约20.0 m，疏干井井底标19.0 m、15.0 m；尽量布置在电梯井及集水坑处。

(3)回灌方案：基坑周边在截水帷幕外侧布设回灌井26眼，井深同降水井，间距10～15 m。当降水原因引起帷幕外水位下降超过0.5 m时及时进行回灌，确保帷幕外地下水位与降水前相比下降不超过0.5 m。

3 基坑支护施工及土方开挖

3.1 支护桩及帷幕施工

受限于场地周边道路的交通管制措施以及医院内安全文明施工要求，支护施工工期较长。支护施工单位于2014年7月中旬进场，10月中旬完成支护桩施工，11月初完成截水帷幕的施工，11月底完成降水井施工并开始降水。由于场地狭小，而且基坑开挖后需进行工程桩及抗浮锚杆施工，如在地面完成疏干井施工，土方开挖及工程桩施工期间难以保护，考虑浅部土方开挖时降水压力较小，仅施工降水井抽水，工程桩施工完成后施工坑内疏干井进行深部降水。由于本项目基础埋深大，若从地面施工工程桩，桩位偏差难以控制，考虑基坑开挖后打桩，至2015年5月底基坑开挖至深度14.9 m处，在该标高进行主楼工程桩施工，8月底工程桩施工完成。至2015年10月底开挖至设计基底标高并进行主体结构施工，剩余北侧出土坡道至2015年12月开挖完毕，基坑总工期约18个月。(见图5、图6)

图5 基坑东部开挖完成后现场照片

图6 基坑西部开挖完成后现场照片

3.2 锚索施工

本项目场地空间狭小，周边环境复杂，锚索在施工时充分考虑场地特点，有针对性地施工，并根据出现的特殊情况进行了相应调整。

(1)基坑东侧紧邻现状儿科病房楼，锚索进入病房楼基础范围内，尤其是第一层锚索与病房楼基底竖向距离近，施工时易对病房楼基底持力层产生扰动，针对该情况施工时采取了间隔分批施工的顺序，锚索成孔后立即进行注浆，注浆时添加适量速凝剂，间隔2天，待水泥注浆体达到一定强度后进行下一批锚索的施工。

(2)由于本项目基坑深度大，但场地狭小，土方开挖只能采取预留内坡道的方式，坡道坡率1∶4。前期土方开挖时，坡道设置于基坑东南角，施工时先开挖周边土方为锚索施工提供工作面，待坑内土方按第一层锚索标高开挖完毕后，挖除坡道，施工坡道处锚索，锚索达到养护龄期后张拉锁定，坑内挖土恢复临时坡道进行下一步土方开挖，依次交叉施工作业至第四层锚索张拉锁定，挖土至14.9 m深度时预留1 m厚土施工开挖完成的工程桩，工程桩施工完毕后将临时坡道迁移至沿基坑北侧，紧靠支护桩东西向布置，施工坡道处第四层锚索，张拉锁定后开挖至15 m深度施工此处工程桩。这样采用流水交叉施工的方式最终收坡道土方时，仅剩余2层锚索，减少了坡道位置支护施工的工期。

(3)基坑南侧第三层锚索施工时，锚索端部进入经五路下防空洞下部地层，防空洞内有地下水充填，部分锚索施工时，防空洞内地下水沿锚孔涌出(见图7)。该层锚索开孔标高位于地下水位以下1.7 m，水头差不大，从锚孔中涌出的地下水无夹泥现象，对该部位锚索施工采取了预留一个锚孔导流泄压，其余锚孔正常注浆封堵，待该锚孔附近锚索都施工完毕后，封堵作泄压用的锚索。

图7 锚索进入防空洞以下地层时锚孔涌水情况

(4)基坑西侧第一层锚索施工时，遇场地外深厚填土，该层锚索注浆量大，尤其二次注浆时注浆压力低，局部地面出现冒浆情况，经张拉测试，锚索抗拔承载力达不到设计要求。根据这种情况，在该层锚索下部1 m处增设一层锚索以保证基坑安全。

4 基坑监测数据

现场监测工作自2014年10月8日正式开始，到2016年5月30日完成所有监测工作，历时600天。实际布置各类型监测点72个，其中基坑位移(水平及垂直共用)监测点20个，基坑周边环境监测点(道路管线、周边建筑物、周边管线)沉降监测点28个，锚索轴力监测点8个，深层水平位移监测点8个，地下水位监测点8个。

所测基坑最大水平位移为13.3 mm，最大竖向位移为8.6 mm，周边道路最大沉降值为13.8 mm，周边建筑最大沉降值为8.5 mm，深层水平位移最大值为4.8 mm，基坑开挖及使用期间水平位移变化速率平稳，无较大起伏，且最大水平位移未超过规范报警值。

基坑西东侧6层儿科病房楼紧邻基坑开挖边线，该处基坑开挖深度16 m，采用桩锚支护，锚索水平向间距1.4 m，竖向间距2.5 m，沉降监测数据如图8、图9所示。

图8 儿科病房楼沉降曲线

图9 儿科病房楼对应区段基坑水平位移曲线

监测数据表明，采用桩锚支护方案对控制变形效果理想，儿科病房楼最大沉降值为6.6 mm，支护桩顶水平位移最大值为13.3 mm。

2015年5月中旬，该处基坑开挖至14.9 m深度，并进行工程桩施工，至8月底，工程桩施工完毕，10月初垫层施工完成，随后进行主体结构施工，由于该侧预留施工操作面较少，无防水施工操作空间，总包单位将基坑侧壁采用混凝土填平后，以单边支模的方式施工该侧地下室外墙及防水，至2015年12月底，该侧结构施工至地面标高，同时该侧基坑回填完毕。将工程施工进度与基坑监测数据综合分析，建筑物及基坑支护结构在工程桩施工至设计基坑底标高期间变形速率相对较快，并达到最大沉降量，之后随主体结构施工少量回弹并趋于稳定。

本工程设计时采用理正深基坑软件进行计算[5-6]，计算基坑水平方向最大变形量为30.77 mm，地表沉降按抛物线法计算最大沉降量31 mm(见图10、图11)。

图10 软件计算水平位移包络图

图11 软件计算地表沉降图

实测基坑水平位移以及周边建筑沉降量远小于计算变形量，支护方案有进一步优化的空间。

5 结论

(1)支护方案选型：济南市槐荫区老城区内的改扩建工程场地狭小，周边建筑物密集，在山东省立医院附近场地采用桩锚支护形式安全可靠，同内支撑支护形式相比，可大大降低土方开挖难度，减少工程工期及造价。

(2)降水方案选型：场地下部分布有碎石层，含水量丰富，采用桩间搭接高压旋喷桩的形式设置落底式截水帷幕，帷幕底穿透碎石层进入强风化闪长岩内，经开挖验证，截水效果良好，基坑涌水量不大，基坑外侧地下水位无明显下降。

(3)施工控制措施：该类型场地中，锚索进入临近建筑物基底对建筑物沉降影响较小，施工时可采取隔孔施工并添加速凝剂的方式进一步减少锚索施工对建筑物的影响，保证建筑物的安全。

(4)坚持动态设计原则：老城区市政道路下分布有老旧防空洞，年代久远，资料缺失，部分防空洞位于地下水位以下，呈充水状态，施工前宜进行详细调查，尽量查清其分布，施工时如出现与设计考虑情况不符的情况，及时调整锚索位置以避免防空洞对基坑支护的影响；老城区内的改扩建工程用地空间狭小，往往不具备规范要求的在基坑外不小于基坑深度2倍范围布置勘探点的要求，场地外地层情况只能结合场地内的勘察资料进行综合分析，当施工时遇到不明地层情况时，应及时反馈设计，进行设计变更；该类型场地基坑实测变形量小于理正深基坑计算变形量，支护方案有进一步优化的空间。