大型医院深基坑支护方案优化研究

吴 岩

（长沙核工业工程勘察院有限公司，湖南 长沙 410000）

随着城市地下空间利用的快速发展，深基坑工程日益增多，呈现施工条件更加复杂、开挖深度更深的发展趋势，对深基坑支护设计和施工也提出了更高的要求。从近年大量的深基坑工程实例来看，为确保安全以往多数支护方案偏于保守，虽能保障基坑工程的安全，但会增加施工难度，导致工期延长，使得基坑工程造价过高。对基坑工程条件欠考虑或追求较低的造价，又会存在安全隐患。如何制定合理的支护方案，在确保深基坑工程安全的同时，还能够保证工程经济效益，在安全与经济之间寻找平衡，是当前需要解决的问题。本文以长沙某大型医院深基坑支护工程为研究对象，介绍了支护方案的优化设计过程，通过对基坑特点和原方案存在问题进行分析，对基坑西侧支护进行优化设计，提出了经济合理的联合支护方案，可为类似基坑工程设计及优化提供参考和借鉴。

1 基坑概况

拟建医院场地位于长沙市天心区果子园路与新谷路交会处的东南角，建筑物包括2栋住院楼、2栋商业塔楼、1栋动力中心楼、1栋质子中心楼及与住院楼配套的底层多层裙房，建筑高度为61.3 m。主体地下室3层，基坑开挖底标高为49.3 m，质子中心地下室2层，基坑开挖底标高为53.3 m。基坑周边地面标高为57.6～74.3 m，开挖深度5.0～25.0 m，开挖底边线周长约1 600 m。

基坑北侧为新谷路，道路边线距开挖上口线大于18 m，新谷路有地下管线。基坑东侧为森林公园山体，红线范围内山体顶标高为66.0～74.3 m，无地下管线。基坑南侧为施工场地，场地宽阔，无地下管线。基坑西侧为果子园路，施工围墙道路边线距开挖上口线1.5～8.0 m，果子园路有地下管线。项目周边环境条件如图1所示。

图1 基坑周边环境

2 工程地质条件

拟建场地原始地貌属湘江冲积阶地，场地内的民房大部分已拆除，局部经人工填挖初步整平，现场地形起伏较大，总体上呈东高西低。根据勘察报告，场地内分布的地层自上而下分为人工填土层Qml、植物层Qpd、第四系冲积层Qal、第四系残积层Qel，下伏基岩为第三系泥质粉砂岩E。

场地地下水类型主要为上层滞水，上层滞水主要赋存于第四系土层中，分布不均匀，受大气降水和地表水补给，水量、水位均随季节而变化，未形成连续稳定水面。勘察期间，部分钻孔遇见地下水，测得上层滞水的稳定埋深为0.4～6.0 m，相当于标高50.0～61.7 m。

各土层物理力学参数如表1所示。

表1 各土层物理力学参数

3 支护方案分析

3.1 基坑特点

（1）本基坑主体地下室呈南北向矩形，开挖面积约为91 500 m2，质子中心地下室形状不规则，开挖面积约5 000 m2，基坑边坡支护总长1 600 m，开挖面积大，为大规模深基坑。

（2）基坑开挖深度大，基坑东侧临近山体边坡支护段为永久性支护，其余侧基坑支护为临时性结构，基坑支护深度为8.7～12.0 m。

（3）基坑侧壁主要为素填土、耕植土、冲积层粉质黏土以及残积层粉质黏土。素填土主要由黏性土组成，松散状态，密实度不均匀，未完成自重固结，土体物理力学指标较差，对围护结构的变形和整体稳定性控制较为不利。

（4）基坑周边环境较为复杂，东侧为森林公园山体，西侧和北侧为市政道路，临基坑侧道路下存在电力、电信和下水等地下管线，这些线状构造物对沉降变形较为敏感，基坑围护施工时，需要考虑对道路和地下管线的影响。

3.2 原设计方案分析及问题

本基坑工程面积较大，开挖较深，周边环境较为复杂，原支护方案主要采用桩锚和复合土钉墙两种支护形式。基坑东侧边坡主要采用双排桩结合锚索桩支护，基坑北侧和南侧采用预应力锚索复合土钉墙支护，西侧采用单排桩结合锚索支护。基坑西侧支护采用单排旋挖孔灌注桩，桩径1 m，桩间距2 m，桩长12.5 m，桩顶设冠梁，设计2道锚索锚拉。桩锚式支护结构虽适用于复杂条件下的深基坑支护，但支护单方造价较高，灌注桩施工工期较长。基坑西侧支护桩共计约210根，支护桩体量大，为确保工期进度和节省成本，有必要对基坑西侧支护方案进行优化，选用施工便捷、经济合理的支护技术。

4 支护方案优化

4.1 设计方案优化

综合基坑特点和工程条件，参考邻近类似工程经验，对基坑西侧支护方案进行优化。基坑西侧临近道路，下存地下管线对变形较为敏感，在确保安全的前提下，以工期和造价等综合考虑，采用土钉墙和竖向超前花管联合支护技术是较为经济合理的方案。该方案具有施工难度小、造价低、工期短等优点，基坑开挖前布设竖向注浆花管，形成类似支护桩的微型排桩结构，可减小开挖初期桩后土体的变形，有效地保证基坑和周边环境安全，提高基坑的整体稳定性。土钉墙采用分层开挖支护，土方工程和基坑支护同时施工，有利于缩短工期。

优化设计时基坑安全等级定为二级，将基坑西侧桩锚支护改为注浆花管复合土钉墙支护。坑顶预先设置两排竖向注浆花管，钢管外径48 mm，壁厚3 mm，长度均为9 m，纵向间距1.0 m，排间距0.5 m。顶部设置C25混凝土连接梁，尺寸为200 mm×200 mm，主筋为3C14，箍筋为C10，间距250 mm，通过焊接将花管和连梁连接成整体，增加抵抗变形能力[1]。注浆采用水灰比0.5的水泥净浆，水泥用量60 kg/m。最大程度利用场内现有放坡空间，采用1∶05二级放坡土钉墙，设置5排土钉，对第1、2排土钉施加预应力。优化后基坑西侧支护方案典型剖面如图2所示。

图2 注浆花管复合土钉墙支护典型剖面（单位：mm）

4.2 整体稳定性分析

本文选用理正岩土6.5版计算软件中的“超级土钉设计模块”对优化后方案进行整体稳定性验算，该模块在验算时考虑花管及注浆体发挥的抗剪作用，将钢花管的截面抗剪强度乘以折减系数来确定超前注浆花管对整体稳定性的贡献，可优化土钉的布设。软件采用瑞典条分法验算较危险滑动面的稳定性，每层开挖面位于土钉下0.5 m，复合土钉墙支护应根据开挖工况分阶段验算稳定性，按最终工况验算整体稳定性。验算结果表明，基坑开挖到坑底时的完工工况对应的整体稳定性安全系最小，基坑的整体稳定性满足要求。

5 施工及监测分析

基坑支护工程应实施信息化施工，对基坑的动态变化进行监测，掌握支护结构的受力动态变化情况，根据监测结果指导设计变更和施工调整，如发现异常情况可及时采取措施。通过设计、施工、监测的密切配合，确保施工顺利进行以及基坑的稳定。本工程在基坑西侧坑顶布设水平和垂直位移监测点17个，在周边道路布设沉降监测点17个，在基坑支护及地下室施工期间，对坑顶位移和周边地表沉降进行观测。基坑使用期间，基坑整体稳定性良好，汛期基坑尚未回填，受连降暴雨影响，基坑内有大量积水，施工单位及时对基坑进行排水，并加大监测频度和安全巡查力度，西侧道路和地下管线无异常发生。基坑施工至监测结束阶段，基坑西侧坑顶竖向位移累计最大变化值为-23.37 mm，水平位移累计最大变化值为-26.88 mm，周边地表沉降累计最大变化-17.03 mm，监测期内未发生基坑报警，各监测项均在控制范围内，周边地表受施工影响整体较小，基坑支护体系稳定有效，方案设计合理，满足工程要求。

6 结语

（1）面对大型复杂深基坑工程，应结合工程条件和基坑特点，综合考虑安全、经济、工期等多方面因素选择合理的支护方案，并通过验算优化支护细部结构，在保证支护结构安全性的前提下，以恰当的工作量解决关键性的技术问题，达到技术经济最佳。

（2）基坑西侧采用注浆花管复合土钉墙支护，施工快且工艺简单，比原桩锚支护方案节省造价约1/3左右，取得了较好的实践效果，证明了该优化方案的可行性和有效性。注浆花管和土钉墙联合支护技术适用于场内有一定放坡空间，对成本和工期控制较严格的基坑工程，可有效降低成本，保障工程进度。