盆、岛式交替开挖在锚索围护基坑中的应用

费思异 刘胡飞 陈国祥 朱晓璇 刘传奎

上海建工四建集团有限公司 上海 201103

随着我国城市的不断发展，城市土地资源日趋紧张，地下空间的开发和利用也愈加被关注，深、大基坑的高效、安全施工成为关键节点。

目前，较为常用的基坑开挖方式包括放坡开挖、岛式开挖、盆式开挖等。其中，岛式开挖能较早地形成基坑围护结构的工作面，发挥基坑围护的作用，且便于土方的外运与交通组织。但围护体系长期暴露增加围护体系的变形[1-2]。盆式开挖可以减少基坑无支护时的暴露时间，对基坑及周围土体的变形控制较为有利[3-6]。有些基坑因工况复杂或工期需求，在同一基坑中同时采用2种开挖方式[7]。

基于工程实际，提出了一种盆、岛式交替开挖配合预应力锚索施工的开挖方式，在2层锚索施工区域内通过盆式与岛式开挖方式的转换为预应力锚索及腰梁施工与强度成形提供充足的施工时间及空间。在保证整体围护结构安全性的前提下，提高了基坑土方施工的连续性与高效性。

1 工程概况

1.1 基坑概况

深圳大学西丽校区建设工程（二期）项目Ⅱ标段位于深圳市南山区学苑大道，基坑顶周长约1 377.58 m，基坑支护范围面积约79 109.68 m2，最大开挖深度为15.5 m，估算基坑土方开挖量超100万 m3。

项目采用桩-锚索围护体系，围护结构采用φ1 000 mm@1 600 mm的旋挖灌注桩与φ1 000 mm@1 600 mm的三重管高压旋喷桩形成的止水帷幕；冠梁与腰梁间距3 000 mm、腰梁与腰梁的间距为3 500 mm；表面采用钢筋网片与喷射混凝土进行加固。基坑排水采用坡顶与坡底设置排水沟的方式进行排水，不设置降水井。

1.2 地质和水文条件

项目场地原始地貌单元属丘陵及丘间沟谷，地形较复杂，地形起伏最大达15.29 m。根据地勘报告，场地内地层主要有：第四系人工填土层（素填土、杂填土）、第四系冲洪积层（粉质黏土、淤泥质粉质黏土、砾砂）、第四系坡积层（含砾粉质黏土）、第四系残积层（砾质黏性土）及燕山晚期花岗岩（全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩）。项目坑底标高26.20 m土方开挖主要集中在第四系土层，少量处于第四系坡积层与第四系残积层。

场地内地下水含水量较丰富，但补给来源主要为大气降水和邻近地下水的侧向径流补给。勘察期间大部分钻孔中见地下水，水位标高27.20～43.10 m。基坑坡顶、坡底均设排水沟，坡顶、坡底设集水井，汇入市政管道前设沉砂池。

2 施工方案设计

2.1 施工难点

项目地处深圳，降雨频繁且降雨量大，降雨是诱发滑坡的主要原因，特别受深圳“12·20”滑坡事故影响[8]，项目土方开挖应尽量避免大放坡开挖。结合本项目围护结构情况，冠梁、锚索、坑底各施工面间距在3.0～3.5 m，需至少分2次分层开挖。根据锚索施工工艺需要进行钻孔、锚索安放、一次注浆、二次注浆、腰梁制作与安装、张拉锁定等多道施工工序，特别是锚索张拉需要在锚固体达到设计强度80%且腰梁混凝土达到强度后才能张拉锁定，工序繁复、耗时较长。由于锚索施工的存在，盆式开挖因形成工作面时间较晚，不利于维护结构施工进度；而岛式开挖虽然形成工作面早，但在第2层土体开挖过程中需要等待锚索锚固体及腰梁强度达到要求，且坑边土开挖后破坏了原有张拉锁定的工作面，需重新搭设操作平台，大幅增加了工作量及安全隐患。为此项目提出了盆、岛式交替开挖的想法。

2.2 盆、岛式交替开挖方案

项目土方开挖面标高约41.70 m、坑底标高26.20 m、冠梁标高约40.00 m、第1道锚索标高为36.20 m、锚索施工面标高约35.70 m。以第1道锚索施工阶段的土方开挖为例，在完成37.20 m以上土体开挖后转换为岛式开挖35.70～37.20 m土层，先沿基坑边开挖锚杆施工机械操作范围区域土方，后立即进行锚索、腰梁施工。土方则继续向基坑中心开挖，至35.70 m层土体开挖完成后，转换盆式开挖34.00 m层土体至距坑边10 m位置范围。在锚索锚定后，将坑边32.20～35.70 m土体挖出，施工第2层锚索，以此法反复开挖至坑底。结合现场实际情况，日出土量必须保证10 000 m3，单层土方的开挖周期约在12 d；而锚索、腰梁的施工及锁定周期约21 d，常规盆、岛式开挖会存在单层土开挖完后需等待锚索锁定或保留较高的临时土坡，不利于雨季的基坑安全。而采用盆、岛式交替开挖，腰梁、锚索施工间隔变为2层土方的开挖时间，可连续开挖。该方案在项目实际开挖过程中具有显著效果，项目腰梁、锚索的施工对土方施工影响较小。若部分腰梁、锚索受坑外管线、箱涵、复杂土质工况影响，施工时间增加，可采取局部多级放坡留土反压等措施。

2.3 方案的有限元对比

为研究盆、岛式交替开挖对基坑变形的影响，以项目土层信息建立了简化的有限元模型，如图1所示。基坑尺寸20 m×20 m，围护结构通过等效刚度理论，采用地下连续墙实体单元模拟，根据实际土方开挖深度、开挖顺序与锚索、腰梁高施工情况模拟开挖过程中第1道锚索在盆、岛式交替开挖、盆式开挖与岛式开挖情况下的围护结构变形。为模拟出不同的施工工况，将坑内土体分为离围护边3 m范围内的坑边土与基坑中心剩余的中心土。

图1 简化基坑开挖有限元离散模型

根据不同开挖方法建立不同有限元模拟工况：

1）盆、岛式交替开挖施工方案：

① 工况1：开挖37.20 m以上土方。

② 工况2：开挖35.70～37.20 m坑边土，开始锚索施工。

③ 工况3：开挖35.70～37.20 m中心土，腰梁施工完成。

④ 工况4：锚索张拉锁定，开挖34.00～35.70 m中心土。

⑤ 工况5：土方开挖34.00～35.70 m坑边土。

2）盆式开挖施工方案：

① 工况1：开挖37.20 m以上土方。

② 工况2：开挖35.70～37.20 m中心土。

③ 工况3：开挖35.70～37.20 m坑边土，开始锚索施工。

④ 工况4：开挖35.70～34.00 m中心土，腰梁施工完成。

⑤ 工况5：锚索锁定后，开挖35.70～34.00 m坑边土。

3）岛式开挖施工方案：

① 工况1：开挖37.20 m以上土方。

② 工况2：开挖35.70～37.20 m坑边土，开始锚索施工。

③ 工况3：开挖35.70～37.20 m中心土，腰梁施工完成。

④ 工况4：开挖34.00～35.70 m坑边土，锚索随之锁定。

⑤ 工况5：锚索锁定后，开挖34.00～35.70 m中心土。

取图1数值点位置围护结构水平变形数据进行汇总，绘制图2，由图2可以发现：工况1情况下各围护结构变形完全相同，说明各模型基础参数相同。工况2情况下，因为盆式开挖先开挖中心土、坑边有留土，故围护结构变形较小。工况3情况下，各种开挖形式变形基本一致，这是由于开挖到工况3时，盆、岛式交替开挖与岛式开挖施工完全相同，锚索施工完成，腰梁强度逐步形成，但开挖完成后围护结构变形已经产生；与同样工况下盆式开挖，腰梁未施工工况围护结构强度相差不大。工况4情况下，岛式开挖需要等待锚索预应力施加锁定后开挖坑边土，并且由于施工直接开挖坑边土，会造成较大的变形；而盆、岛式开挖与盆式开挖虽然同时开挖的是中心土，但此时盆、岛式开挖的围护体系的腰梁强度已足够，预应力锚索也已张拉锁定，基坑变形由围护桩与锚索共同抵抗，围护桩受力形式发生改变；在锚索、腰梁共同作用下，锚索以下位置变形增加，而坑顶位置侧向位移有缩小的趋势，相较之下盆式开挖虽然有坑边土反压，可以进行中心土开挖，但在该工况下，腰梁混凝土结构强度逐步形成，但锚索未锁定，围护桩依然是悬臂结构，故该工况下围护结构较盆、岛式交替开挖会产生较大变形。在工况5情况下，盆、岛式交替开挖基坑变形略小于岛式开挖，但差距可以忽略不计。这是由于岛式开挖34.00～35.70 m坑边土时等待了锚索张拉锁定，两种方法的受力体系与加载大小基本相同，变形也相似；而盆式开挖，由于在工况4的情况下产生较大变形，虽然锚索预应力锁定后对围护结构变形有抑制作用，但原有较大变形仍不可忽略。从以上分析可以看出相较于盆式开挖与岛式开挖，盆、岛式交替开挖在锚索围护的基坑开挖中，在施工效率与围护结构变形控制上均有较好的效果。

图2 不同开挖方式在不同工况下的围护结构水平变形

2.4 基坑交通组织

为了解决盆式与岛式开挖在出土问题上的差异，对基坑施工的交通组织进行了相应优化（图3）。在纯地下室区域设置了1个主出土坡道及2个辅助出土坡道。主出土坡道至基坑底，作为开挖的中心位置，即盆、岛开挖转换位置，坡道优先于挖土施工，并设置双向行车、硬化路面与绿植护坡。辅助坡道为小型出土坡道，为满足3层锚索以上土方的外运，同时解决当土方施工速度出现差异后，无法从主出土坡道出土的问题。辅助坡道在完成开挖任务后，可通过主坡道开挖外运，以减少辅助出土坡道对基坑围护整体的影响。各通道之间相互贯通可形成循环道路，主坡道也可以双向行车，交通组织灵活。虽然多次盆、岛式交替施工，但土方车行驶区域均在中岛区域，不易行驶错误，便于现场运力的协调，大大提高了出土效率。同时由于主坡道所在施工区域不在关键路线上，对整体工期无影响。

图3 基坑交通组织示意

3 基坑监测结果分析

3.1 基坑监测方案概述

本项目基坑西侧无建筑，基坑东侧和基坑南侧存在市政管线，基坑北侧为和基坑同时施工的箱涵隧道。根据设计总说明，支护结构变形按二级基坑控制。监测项目包括围护结构水平位移、围护结构竖向位移、建筑物沉降、围护结构深层水平位移、地面沉降、地下管线沉降、锚索应力等。

3.2 土方开挖与基坑变形分析

以项目施工情况较为复杂的监测点CX04点为例，监测点CX04位于基坑北侧，邻近同时开挖的箱涵隧道，图4为CX04点围护桩产生较大水平位移时的水平位移监测数据。

图4 CX04监测点基坑水平位移

由于项目采用盆、岛式交替开挖，在大部分挖土过程中，坑边有原土预留，故基坑内挖土对基坑围护结构变形影响较小。但需要特别注意的是当岛式开挖至基坑边后，转换为盆式后会出现连续2次挖土的工况，围护结构的变形及变形速率均会出现显著增加。以图4中的2019年10月28日—2019年10月30日为例，围护结构产生突变，究其原因是在完成第1道锚索施工后，在坑边进行同一位置第2皮土方的连续性开挖，导致该位置围护结构单日最大水平位移达到2.49 mm/d，虽然仍小于报警值，但引起了项目部的关注。为避免重复出现以上问题，项目在后期施工过程中要求避免坑边连续多皮土的开挖，多采用流水施工，保证至少1 d的间隔时间。从随后2道支撑与土方开挖后的基坑变形可以发现，围护结构的变形速率有明显改善。项目土方开挖阶段基坑整体变形控制较为良好，盆、岛式交替开挖的施工方案可以为腰梁、锚索的强度形成提供充足时间，保障基坑安全。同时从基坑监测数据可知：项目北侧箱涵自11月开挖的卸土施工后，对基坑顶部的变形有明显的减小作用；2020年初，项目因为受新冠肺炎疫情影响，基坑底板无法形成，围护结构的变形随时间增加明显。围护结构暴露时间增加，大幅增加了围护结构的变形，对围护结构的整体安全不利。

4 结语

盆、岛式交替开挖的挖土方案，在深圳大学西丽校区建设工程（二期）项目Ⅱ标段桩-锚索围护基坑的使用中获得良好的效果，该方法可以有效地减少锚索、腰梁施工对土方开挖的影响，优化施工流水。配合完善的场内交通组织可以有效地提高出土效率，节约工期。

通过有限元分析，对比传统的盆式与岛式开挖，盆、岛式交替开挖对围护结构变形的影响最小，岛式开挖在等待锚索张拉锁定后可以获得相同的效果。而盆式开挖如果连续作业，虽然有坑边留土，但相较于以上2种开挖方式，依然会增加基坑的水平变形。盆、岛式交替开挖可以为腰梁、锚索提供充足的施工时间，有利于围护体系结构强度的形成，对整体围护结构安全有利。

该方法在开挖非坑边土时对基坑的变形影响较小，主要基坑变形发生在坑边土开挖时，需加强观测。应尽量避免在盆式开挖转换至岛式开挖时，连续开挖同一位置2皮土方，此做法对围护结构的变形速率控制不利，建议间隔1 d以上开挖2皮土。