城市狭窄环境下基坑支护体系的优化设计与施工研究

李明

（江西省地质工程（集团）公司，南昌 330029）

1 概况

1.1 工程概况

某综合楼基坑场地位于南昌市城区闹市区，规划建筑面积约17 880 m2，工程综合楼28层，建筑物采用框剪结构，设计地下室1层。基坑平面尺寸为近似梯形，约150 m×60 m×45 m，基坑开挖深度6.8 m，标高24.76 m，属大型较深基坑，基坑设计等级为二级。

1.2 基坑周边环境条件

拟建综合楼北侧为城市道路，并紧靠人行道围墙，基坑边线距围墙最近处仅为2 m，且围墙外人行道布有煤气及电信管线，埋深1.5 m，最里侧通讯管线距基坑边线3.5 m，距煤气管道4.5 m。东侧为1栋8层老式建筑，紧靠围墙，基坑边线距围墙最近处仅为3.0 m，距建筑物约6 m；西南两侧为拆迁空地，虽有大量各式建筑，但距离基坑边线最小距离20 m以上，场地较为宽松。场地平面如图1所示。

图1 场地平面示意图

1.3 工程水文地质条件

1.3.1 工程地质条件

根据该项目的《岩土工程勘察报告》，场地地层自上而下详述如下。

1）人工填土

①杂填土：黄褐色、稍湿、松散。主要由建筑垃圾组成，近期堆填，未经压密处理，结构松散，揭露层厚0.50～1.50 m。

2）第四系上更新统冲积层

②粉质黏土：黄褐色、稍湿、可塑，无摇振反应，稍有光泽，少许铁锰质，中等韧性，揭露层厚3.50～6.30 m；③细砂：黄褐色、稍湿、稍密。揭露层厚1.90～4.80 m；④粉质黏土：灰色，软塑状。揭露层厚1.00～2.60 m；⑤中砂：黄褐色，稍湿~饱和，中密。揭露层厚11.0～12.0 m。

1.3.2 水文地质条件

上层滞水：主要赋存于上部①杂填土层中，勘察期间水位埋深3.80～8.50 m，水位标高21.40～21.60 m，水位及水量受季节性变化影响大。

第四系松散岩类空隙承压水：主要赋存于第四系上更新统砂砾层中，具承压性，勘察期间水位埋深9.70～10.00 m，水位标高12.30～12.70 m，受赣江地表水体侧向补给，补给条件好，水量丰富，水位受季节变化，总体承压水位埋深较深。

2 基坑设计

2.1 设计依据

1）本工程的岩土工程勘察报告；

2）有关基坑设计计算规范及规程：（1）JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》；（2）GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》；

3）本基坑按二级基坑设计。

2.2 基坑支护方案的优化选择

2.2.1 工程难点

该基坑平面尺寸约150 m×60 m×45 m，深度6.8 m，属大型深基坑，特别是北邻围墙及道路、煤气管道及通信线路，东邻老式8层楼房，基坑设计除要满足地下室建筑的施工要求外，如何保证基坑变形不影响周边邻近建筑和道路管线的安全，是本工程的主要难点。

2.2.2 支护设计方案的优化确定分析

1）悬臂钻孔挡土桩+角撑支护设计方案分析

支护方案有多种形式，在本工程开挖深度及工程水文地质条件下，先考虑采用的悬臂式钻孔挡土桩+钢管角支撑方案，由于钻孔桩刚性大，加之在易变形的基坑转角处设计钢管角支撑，抵抗主动土压力之水平向侧弯矩能力强，支护效果最好，但却无法满足局部狭窄区段（图1中DE段和EF段）挡土桩成孔钻机设备施工泥浆循环系统对场地的占地要求，且该方案施工成本相对较高，工期也无法满足合同要求，因此，本设计放弃此设计方案。

2）锚杆式支护设计方案分析

根据基坑的开挖深度、场区工程地质参数、水文地质情况以及基坑周边环境等条件，基坑开挖深度范围：（1）除上部0.8 m的素填土外，大部处在黏性土层，该层内聚力大，主动土压力之侧向水平弯矩相对较小。（2）下部的细砂层基本处在坑底部1.2 m以下，无坑底以上主动土压力，对增大整体主动土压力的弯矩极值影响不大。（3）地下水位在工程拟建期间水位较低，位于基坑底部有相当深距，不会侵入锚固支护范围影响锚杆对围体之拉结锚固力，从而造成围体支护能力的降低。但设计时必须考虑最不利工况，假设地下水会大幅上涨而采取降水措施控制水位在坑底以下0.5 m，即最大水位相对标高7.30 m作为主动压力设计前提条件。（4）考虑基坑东侧相邻楼房、北侧相邻道路管线施工场地狭小的因素，本着安全、快速施工及经济性的原则，综合比较，最终决定采用布置形式灵活的锚杆式支护设计方案。设计时，锚杆支护深度、角度会在相邻路面以下深度范围避开煤气、电信管线及多层楼房基础位置，从而在设计上确保周边环境的安全性。

2.3 基坑支护方案设计

2.3.1 基坑岩土力学参数

基坑土压力计算引用的岩土力学参数见表1。

表1 基坑岩土地层力学参数表

2.3.2 支护方案设计

1）方案总体

基坑按稳定控制设计计算确定。东侧及北侧紧靠围墙、管线及8层楼房，DE段、EF段土钉墙支护面的坡度控制为i=1∶0.3，自上而下设置5排锚杆；西南两侧侧场地较为宽松，FA段、ABCD段土钉墙支护面坡度适当放缓，控制坡度i=1∶0.5，自上而下设置5排锚杆。地下水位较深，在基坑面以下，不予考虑。

2）具体方案设计

DE段、EF段锚杆设置参数：土钉墙支护面坡度为1∶0.3，锚杆孔孔径100 mm，倾角为10°，5排锚杆支护，分别为：

第一排：设置深度1.2 m，锚杆长度4.0 m，水平间距1 400 mm，锚杆采用1根φ22 mm螺纹钢；

第二排：设置深度2.6 m，锚杆长度6.0 m，水平间距1 400 mm，锚杆采用1根φ22 mm螺纹钢；

第三排：设置深度4.0 m，锚杆长度7.0 m，水平间距1 400 mm，锚杆采用1根φ22 mm螺纹钢；

第四排：设置深度5.4 m，锚杆长度9.0 m，水平间距1 400 mm，锚杆采用1根φ22 mm螺纹钢；

第五排：设置深度6.6 m，锚杆长度5.0 m，水平间距1 400 mm，锚杆采用1根φ22 mm螺纹钢。

DE段、EF段锚杆设置参数如图2所示。

图2 DE段、EF段锚杆设置参数图

FA、ABCD段锚杆设置参数：土钉墙支护面坡度为1∶0.5，锚杆孔孔径100 mm，倾角为10°，5排锚杆支护，分别为：

第一排：设置深度1.2 m，锚杆长度4.0 m，水平间距1 400 mm，锚杆采用1根φ22 mm螺纹钢；

第二排：设置深度2.6 m，锚杆长度5.0 m，水平间距1 400 mm，锚杆采用1根φ22 mm螺纹钢；

第三排：设置深度4.0 m，锚杆长度6.0 m，水平间距1 400 mm，锚杆采用1根φ22 mm螺纹钢；

第四排：设置深度5.4 m，锚杆长度6.0 m，水平间距1 400 mm，锚杆采用1根φ22 mm螺纹钢；

第五排：设置深度6.6 m，锚杆长度4.0 m，水平间距1 400 mm，锚杆采用1根φ22 mm螺纹钢。

2.4 支护设计安全性验算

根据地层及环境条件，锚杆分布置5道，分层开挖设置，基坑最大开挖深度工况剖面计算图如图3所示。

图3 最大开挖深度工况剖面计算图

计算结果：

1）滑动圆心：（1.03，0.00）m；

2）滑动半径：11.23 m；

3）下滑力：630.3 kN/m；

4）抗滑力：842.5 kN/m；

5）土钉抗滑力：0.0 kN/m；

6）整体稳定安全系数：1.34；要求安全系数：1.30，满足要求，设计方案可行。

3 基坑支护施工

3.1 基坑开挖

整个基坑按锚杆位置分5层开挖，并按设计将基坑面修成i=1∶0.3或1∶0.5坡度。每层开挖至锚杆标高以下20 cm停挖，复核每排锚杆的水平标高后，按设计的锚杆水平间距要求进行布孔。

3.2 锚孔成孔

锚杆钻机就位后，按设计倾角以150 mm的孔径钻至超过设计深度0.3～0.5 m，遇淤泥层及砂层等易塌孔地层时，采用泥浆循环护壁或套管跟进钻进。钻孔深度达到设计要求后，由有关部门对孔深进行查验，并做详细、完整的钻孔记录。

3.3 锚杆施工

在6.8 m垂直高度范围内，待每层开挖后，由上而下，按设计垂直间距分别打入5排水平倾角度为10°的φ22 mm螺纹钢锚杆，所有锚杆水平间距1.4 m，相邻上下层锚杆水平错开0.7 m布置。待锚杆打入坑壁锚孔中后，进行锚杆注浆，采用水泥浆或水泥砂浆压入护坡土层中胶结土质，以达到稳定土层的目的。为提高粉细砂层锚杆摩阻力，自上而下第四排、第五排采取二次注浆，注浆压力0.5 MPa。

3.4 坡面护面

锚杆施工完成7 h后，护坡中水泥浆土质终凝后再进行坡面钢筋混凝土网面支护。具体方法为：以锚杆为支点，焊接φ14mm的主加强筋网格，再在加强筋网格上加密布设φ6.5 mm@200 mm×200 mm钢筋网格。网格布设完毕后，对布筋的整个坡面喷射浇筑混凝土，喷射混凝土厚度为100 mm，强度等级C20，配合比按水泥∶砂∶石=1∶2∶2，水灰比0.4～0.45。形成钢筋网格做骨架的钢筋混凝土护坡层，能有效地对坡面进行支护。坡面喷射混凝土浇筑完成后，要及时覆盖或直接洒水养护，养护时间不少于7 d。

4 施工质量控制

4.1 控制措施

1）施工中锚索安装平面位置偏差不得大于50 mm。

2）钻机上应铺垫木方或木板，确保钻机放置平衡，避免在成孔过程中因此而产生较大的晃动，影响成孔质量。

3）钻机的钻杆应用罗盘仪进行校核，偏差不得超过±1°，发现偏差时应立即校正。

4）为了保证成孔的深度，钻孔的深度应比设计深度深20～30 cm。

5）在土质较差的地层中施工时，采用套管跟进护壁成孔。

6）锚杆要严格按照施工图的有关直径、长度的要求进行下料，定位器的焊接位置准确。

7）锚杆的焊接，必须经焊接试拉试验合格后方可正式进行施工。焊接过程要及时清渣，焊缝表面光滑平整，焊缝饱满。

8）严格按设计的水泥浆配合比制作水泥浆，不能存在小团粒，且必须用筛网过滤以防堵塞注浆泵。

9）锚杆灌浆前，必须保证洗孔质量，孔内要流出清水方为合格，以免孔中泥浆过多影响水泥浆的强度。

10）锚杆灌浆时，要在孔口出浆后方可将灌浆管逐步往外拔出，浆管必须待灌浆回流出新鲜浓浆时拔出，以确保孔内水泥浆液体的饱满度。由于水泥浆凝固时会收缩，因此，灌好浆的锚索，一般在第二天需补灌，确保锚杆的拉结力的有效性。

4.2 施工常遇问题及处理

1）在淤泥层、砂层钻进成孔出现塌孔现象时，采用跟套管钻进，套管要求穿过不良地层。

2）锚杆体不能完全安放入孔内时，可采取如下措施：（1）连接注浆管，加大泵量向孔内冲水，边冲水边下锚索；（2）拉出锚索，用钻机重新扫孔至孔底，再下放杆体；（3）拉出锚索，下套管至基岩面（或套管钻进成孔后，不拔套管），再下放锚索，最后拔出套管；（4）经上述处理后锚索仍不能下放孔内，拉出锚索，向孔内灌注M10水泥砂浆，达到一定强度后，重新钻孔。

3）注浆过程中，若发现注浆量大大减少或注浆管爆裂时，应将杆体注浆管拔出，待更换注浆管后，再下放杆体。

5 总结

5.1 工期

该工程按设计要求顺利完工，实际工期比合同工期要求提前5 d，得到业主的工期提前奖5万元。本工程的锚杆支护设计为工期的提前打下了良好的基础，工期的提前不但减少了施工成本，也产生了明显的项目经济效益。

5.2 沉降监测

基坑及周边共设置20个观测点，对基坑本身及周边环境进行的沉降监测，结果表明，基坑最大沉降15 mm，最大位移20 mm，周边道路、建筑及管线安全正常，没有受到破坏性影响，说明本基坑工程施工质量良好，达到了支护设计预期安全要求，取得了良好的技术、质量、环境及安全等综合社会效益。

5.3 结论

从以上综合分析说明，该工程的围护设计方案总体上是成功的，技术上基本达到了预期的设计目标，工期、经济效果也较明显。通过本围护设计/施工案例的成功经验表明，支护体系方案有多种形式的选择，而锚杆式支护体系在地下水位较低、地层相对紧密的特定地质条件前提下，特别适合在城市狭窄地域受限情况下进行施工，其施工简便灵活、成本低廉，施工速度快的特性得到充分体现，也为今后的类似工程起到参考和借鉴作用。