复杂周边环境下基坑工程开挖与支护施工技术研究

范伟亚

（亳州市重点工程建设管理服务中心，安徽 亳州 236800）

对于日益拥挤的城市环境而言，基坑工程可以有效地利用宝贵的土地资源，高效地提供空间利用率，为城市居民提供了舒适、安全的生活环境，因此，基坑工程在城市的开发过程中具有明显的空间开发优势。在人口密集、地表建筑高度开发的城区建设地下工程，不仅需要面临着地表建筑物的障碍，而且受到地下管网以及地下结构物的约束，使得基坑的建设难度大大增加，甚至造成环境风险。在岩土工程中，由于涉及到复杂多变的地质条件，城市基坑周边的建筑物、地下管网等众多，研究基坑的稳定性问题和变形问题是一个长久以来课题，受到研究学者们的大量关注。

1 工程地质概况

基坑场区的原有地貌单元为二级阶地，受到征地拆迁工作以及场地平整工作的影响，基坑开挖时，场区的地形平整，起伏不大，场地最小高程为23.97m（国家85 黄海高程），最大高程为29.87m（国家85 黄海高程），测量统计已钻孔高程中，最大的孔口高程差约为5.8m。根据实际地质钻孔揭示表明，场区的地层主要为5 层，土层的具体工程地质性质如下：

①素填土：灰黑色，以黏土为主，混杂有少量的砂石，砂石最大直径为2cm 砂石颗粒占比约为30%～50%，受人类活动影响明显，该层呈松散状态，基坑开挖后难于自稳。

②黏土：黄色，呈可塑状态，土质均匀，切面光滑，失水干燥后强度大，浸水后软化，压缩性为中等。

③粉质黏土：黄色，为硬塑状态，土质较均，切面粗糙，失水干燥后强度一般，压缩性为低压缩。

⑤中风化含砾砂岩：灰黄色，其中砾石主要以硅质岩石为主，受到地质作用其砾径具有一定的挤压变形，砾直径范围在0.5～2.0cm，在取样试验组份分析中表明，砾石的含量最小为5%，最大为20%，受风化作用的影响岩石的破碎，且强度较小，为较软岩，岩体基本质量等级评定为Ⅳ级。

⑤层中风化含砾砂岩：灰黄色，其中砾石主要以硅质岩石为主，受到地质作用其砾径具有一定的挤压变形，砾直径范围在0.5～2.0cm，在取样试验组份分析中表明，砾石的含量最小为5%，最大为20%，受风化作用较小，岩体完整，含裂隙较少，强度较高，为硬质岩石，岩体基本质量等级评定为Ⅲ级。

2 基坑分块分区对称平衡工序

如图1 所示，在平面分区上，基坑分为东去、中区、西区三个大区。首先完成临近地下结构物的西区支护桩结构，随后施作中区和西区支护桩结构完成基坑的封闭，土体开挖及第一道混凝土支撑、栈桥板施工；其次施工第二道钢筋混凝土支撑；最后将基坑开挖至底并封底施作。

图1 基坑分块分区开挖施工

具体的基坑开挖顺序为：首先，在场地平整完成后，施作围护结构（排桩）以及中间立柱的桩基础；其次，在基坑北侧先行开挖，开挖的深度达到圈梁底部，施作圈梁混凝土，待其强度满足设计要求后继续开挖至第一道支撑以下0.5m，对第一道支撑进行模板架设并混凝浇筑；基坑南侧实现放坡开挖，放坡标高为圈梁底部，施作圈梁后再进行GFRP 土钉的施作，施作时注意分层、对称打入土钉；再次，为保持对称开挖，在北侧开挖区域接续开挖土方，开挖标高控制在第二道混凝土支撑底部以下0.5m，架设模板并浇筑混凝土；南侧的基坑圈梁养护满足不小于设计强度的0.8 倍后，将基坑土方开挖高程推进至支撑底部以下0.5m，同样地完成模板的架设和钢筋混凝土的浇筑工作；最后，基坑南北侧混凝土满足设计强度后，将基坑开挖至设计标高，并施作封底混凝土。

所提出的分区分块开挖减缓了地基土的变形增量，而对称开挖则降低了地基土的不均匀沉降，有效控制了基坑开挖与周边环境的相互影响问题，在基坑开挖的全过程中，围护桩结构变形（15.00mm）以及地表的变形（22.50mm）均小于规范要求，处于允许值范围内。

3 基坑施工关键技术

3.1 硬质岩石条件下的围护桩施工

如图2 所示，基坑采用的排桩围护和格构柱的立柱桩基础，桩底均应该伸入到⑤-2A中风化含砾砂岩中。从图中可以看出，基坑开挖范围内的地层条件复杂，岩面的起伏变化明显，不同位置处的基坑排桩、立柱桩的入岩深度大小不一，给施工深度的控制带来困难。另外，在实际的桩成孔中发现，岩质地层的强度与地勘报告中提供的岩石强度存在明显的差异，经过对岩石层进行现场取样、室内测试，分别得到⑤-2A层中风化含砾砂岩、⑤-2B层中风化含砾砂岩的测试成果，结果表明：⑤-2A层中风化含砾砂岩的饱和单轴抗压强度差异最大。如表1 所示，地勘报告该层岩石的平均值为22.67MPa，标准值为21.85MPa，强度划分上可归类为软岩，但是经过实际钻孔取样中的岩石饱和抗压强度在不同深度都明显不同，钻孔深度18～19m 范围内的岩石，其饱和抗压强度接近70MPa，为硬质岩石，约为地勘报告数值的3 倍；而20～21m 范围内的岩石，其饱和抗压强度约35MPa，为硬质岩石，约为地勘报告数值的1.5 倍。由于岩层强度的变化，导致桩基成孔效率明显下降，硬质岩层中的钻进速度不超过1.2m/h，影响着整个围护结构的施工进度。

图2 围护结构和地质关系图

表1 岩层单轴抗压强度表

为应对岩层的强度变化，分别采用2 种不同型号的钻头对岩土层进行钻进。在开孔阶段，岩层的强度校对，采用适用于岩石饱和抗压强度小于25Ma 的开口钻；而在硬质岩石层钻进阶段，则选择适用于硬质岩石的取芯钻头，克服岩石的强度可以达到100MPa。通过2 种钻头的配合使用，有效地提高了岩石层钻进施工速率。

3.2 临近地下结构物的施工技术

基坑靠近于在建地下结构物，东侧支护排桩外边线距离地下结构物约32m，南侧支护排桩外边线距离地下结构物约22.4m。为了保证临近地下结构物的安全和变形要求，在施作围护排桩时，需要对成孔的技术参数进行试验，试验孔一般与地下结构物保持保持一定的距离，按照地区经验和设计施工要求进行钻进参数的确定和调整。受到夜间停工作业的影响，不允许桩基设备运转，为保证桩孔的稳定性和成桩的质量，在正常作业结束时，需要将孔内沉渣清洗干净，并配置大比重的泥浆，进行封孔，于次日再次清洗孔内泥浆方可继续浇筑混凝土。

为了避免在围护桩施工时，在基坑一侧一次性地施工过多桩数，导致桩之间相互挤压，同时临近地下结构带来不利变形影响。因此排桩桩按照做1 跳3 的顺序施工，即先施工1 →5 →9，再施工2 →6 →10，最后施工3 →7 →11 →4 →8 →12。具体施工顺序示意图如图3 所示。

图3 围护排桩“跳打”施工顺序示意图

围护排桩的施工最不确定性因素就是地层的变化，以及地下结构物具有较为敏感的变形限值。因此，为了避免在地质条件差的区域施工排桩导致的周边管网或者地下结构物的变形、开裂等，可针对该区域进行预先高压旋喷桩加固土体，固结松散碎屑土层，降低土层含水量。对于局部地区存在地层条件差，且厚度不大时，可采用钢套筒护壁或者人工造浆护壁的方式避免塌孔、缩径等不利影响。当钻孔中遇到孔内塌孔严重时，需要进行孔内事故处理方能进行下一步工序，若坍塌范围大，可采取低等级混凝土孔内回填措施，对孔壁土层进行加固，待混凝土固结后再进行钻孔工作，以免由于孔内坍塌严重导致的土层损失，位移向地表和土体周边传递引起位移。

3.3 格构柱施工技术

格构柱预制的基本要求为：钢材的等级选用为Q235，焊接采用E50 焊条，所有构件的焊接均采用满焊接，焊接的厚度不少于0.8cm，接头部分的钢材等级应一致，并且满足焊缝高度为0.8cm，焊接接头应相互错开，以保证格构柱的整体受力刚度。在安装格构柱时，为保证格构柱安装位置的准确，需要对其进行编号，并对设计定的埋置深度位置处做标记，以便格构柱插入安装，同时在垂直安装精度上，要求其偏差小于L/300（L为格构柱高度），中心位置偏差小于5mm。

格构柱吊放安装：根据本工程钢立柱的相关参数，选用50t 汽车吊。在钢格构柱的顶部和底部以上1/4L（L 为格构柱高度）位置处分别设置有一个吊耳。起吊时，汽车吊的主吊钩与前者相连，辅助吊钩与后者相连，两个吊钩同步升起，保持起吊的平稳。当起到高度达到2m 时，分别控制主吊钩和次吊钩的速度，保证前者为加速升起，而后者则为减速控制，以达到格构柱竖立，格构柱底部与地表分离的状态。

为保证格构柱的安装精度，施工采用定位架对中间格构柱的垂直度进行控制，以克服格构柱入土深度大、定位精度高的困难。具体的操作方法为：第一，安装定位架，在钢护筒贯入后，采用测量设备对护筒的中心点进行测量放样，并标识出立柱桩的轴线位置，确定完成后安装定位架，使定位架的四边与引测的轴线点重合。第二，钢立柱安放前，严格按照排桩和立柱桩的设计要求，下放钢筋笼。第三，钢立柱起吊点的合理选择。第四，在格构柱插入桩基础预定深度后，对其垂直度偏差进行校核，同时在轴线的水平两个方向进行复核其定位精度。第五，钢立柱标高控制，预先用水准仪测定桩孔处校正架顶标高，在钢立柱上用红油漆标出柱顶标高位置。

4 结语

（1）依据安徽某地块基坑工程的施工，所提出的分区分块开挖减缓了地基土的变形增量，而对称开挖则降低了地基土的不均匀沉降，有效控制了基坑开挖与周边环境的相互影响问题。

（2）在临近地下结构物基坑支护桩施工，按照“做一跳三”的施工顺序，可避免一次性在一侧施工过多排桩，导致土体间应力挤压，对地下结构物产生变形影响。

（3）为保证格构柱的安装精度，施工采用定位架对中间格构柱的垂直度进行控制，以克服格构柱入土深度大、定位精度高的困难。