大范围地下工程开挖基坑工程围护结构设计

丁宇能

(中国联合工程有限公司，浙江 杭州 310051)

1 地质分析

1.1 工程地质影响

工程地质学的内涵是指在实施超深基坑维护时，要根据大面积、大范围工程环境，合理安排施工前相关工作，而工程地质资料在施工前期占有很大比重，所以要将设计者和勘查者的工作有机结合起来，既要使两者的工作内容相互衔接，又要根据施工条件，把握车站与联线轨道的发展走向，并结合大面积、大范围地下工程实际位置进行分析，保证站点所在区域可以满足深基坑实际施工要求[1]。在施工时，要对施工中不良地质情况进行全面调查，如果是在农村地区进行大面积施工，应先调查土地是否已被征用。此外，施工前应对深基坑施工场地和周边具体情况进行分析，并进一步了解其地质状况，归纳出有利位置，以便在施工期间合理使用。同时，要对施工场地交通情况进行调查，确保深基坑施工安全性，并保证小区居民正常生活和工作环境不受深基坑施工影响，从而保证项目能够顺利进行。

1.2 水文地质影响

在大面积、大范围地下工程中，必须做好基础设施维护和设计工作，提高水文监测能力。同时，在项目实施前应充分搜集深基坑水文地质特征，并结合其特点进行维修和设计。在地下工程建设开始前，工程方案以及工程总平面图都已制定完毕，并针对大范围地下工程进行了详细规划，因而，勘查工作人员必须以现有大量地下工程资料为参照，强化现场调查，了解标高资料，并以水文影响范围为参照，重点调查区域地质状况，通过对实际场地地质进行调查和勘测，对地质资料进行详细记录，并以此得出调查报告，增加其可信度。在报告中，所应用记录方法必须精细、专业，详细记录每一层地质情况，并对其物理特性进行分析和标记，以获得稳定数据。在进行水文地质勘查时，可以采用常规钻井技术采集岩土地质样品，应加强对深基坑水文资料的分析和讨论，充分发掘深部埋藏的承压水。在整个施工过程中，还要做好对于各种突发事件的应对处理，以保证整体施工质量。

2 大范围地下基坑工程基坑围护结构及常见围护形式

2.1 地下连续墙

所谓地下连续墙，就是利用挖槽机械，沿基坑周围轴线，在不受泥浆保护情况下，将基坑周围挖出一条相应长度深沟，清槽完毕后，将钢筋笼悬挂于槽中，采用导管法在水中注入混凝土，形成一单元槽段，并如此逐段进行[2]。在基坑周围形成一堵连续钢筋混凝土墙，以起到截水、防渗、承重等作用。地下连续墙一般用于高水位、软土地区，施工时震动较小，噪声较低，适用于市区中心建筑和人口稠密地段。地下连续墙具有较高刚度和较高强度，能够承受较大土压，并能有效控制地面沉陷和周边建筑物以及管线变形，因其本身特性能够起到防水性作用被越来越普遍采用。但是由于地下连续墙造价昂贵，在城市建设中对废弃泥浆进行治理较为复杂，而且相应施工工艺的有效应用也不及时，相邻墙体部位接缝可能会发生渗漏。

2.1.1 地连墙施工方法

地连墙施工一般在较高位置进行，施工时噪音和震动较小，可以在建筑密度较大区域开展。在进行地下连续墙施工时，其优点是能够承受大横向荷载，并且具有刚度大等特点，在基坑施工中不会引起较大沉陷，变形也较小，不会对周边建筑物造成严重影响，能够有效保障地下管道及周边建筑物安全，因此在深基坑工程中得到广泛应用。但由于地下连续墙工程造价较高，且工程机械占地面积大，在富水砂层中，墙缝止水需要特别注意，通常可以采用旋喷桩、搅拌桩等方式来解决。

2.1.2 地下连续墙施工工艺要求

在开展地下连续墙工程施工之前，施工单位必须编制详尽工程计划，并经有关方面同意后方可执行。同时，施工单位要根据现场实际情况、地墙施工工艺、施工机械荷载等有关规定要求，对地下连续墙进行重新设计，在深度、配筋、导墙段因施工要求需要延伸部分，及其相关施工措施开展，必须由施工单位确定并经设计方同意后方可实施。

2.2 钻孔咬合桩

钻孔咬合桩是将两个相邻平行排列的桩体相互咬合，形成一种“桩墙”。钻孔咬合桩属于一种成熟技术，目前已被广泛应用于大型地下工程、地下穿线工程等深基坑工程中。咬合桩混凝土终凝现象发生于咬合之后，可形成具有良好抗剪强度、安全性能，以及良好截流特性的无缝连续“桩墙”。钻孔咬合桩施工技术比较复杂，要求采用高精密施工机械，配备专业施工队伍。如果不能有效控制混凝土初凝时间，就会出现渗水、颈缩等问题，与钻孔灌注桩相比，钻孔桩整体刚度要低于地下墙，而钻孔桩则要高出许多，在施工工艺、施工人员、施工设备等方面都有较高要求。施工中使用了钻机和套管工具，施工程序比较繁琐，如果不具备足够技术和经验，在遇到具体问题时就难以有效解决，而且对于成桩精度(尤其是垂直度)要求较高，技术也比较复杂。在施工期间，若不对初凝时间进行适当控制，会造成墙体渗漏，因此应严格控制整体垂直度。该技术因工程造价昂贵，因此在地铁基坑工程中应用较少。

2.3 SMW工法桩

在混凝土搅拌桩基础上，通过搅拌桩形成均匀挡土墙，然后再将其插入到搅拌桩内，形成一种刚性复合围护结构。该产品止水性好，结构简单，设计速度快，而且可以部分回收钢材，并再生利用，广泛应用于软弱地基周围环境较好、基坑深度较浅(通常不超过10m)场地。在软土地基上，车站辅助建筑围护较为普遍，在此基础上采用混合桩法使基坑内形成均匀挡土墙，再将型钢嵌入混凝土，从而实现一种新型刚性复合围护结构，该结构施工优势包括：设计速度快、止水性能好、结构简单，且其他钢结构可以循环使用。该技术在软弱地基周围环境较好地区可以有效利用。

2.4 人工挖孔桩

施工过程中，采用人工构造简易起重装置，在钻孔和下设钢筋笼后浇注混凝土，构成一套支护系统，其优势在于成本低廉、设备简单、容易大量进场、同时进行、灵活施工、噪声小，且不产生淤泥，可以实现文明施工，能够保护周围环境，整体性能好，但其缺点是人力建设风险较大，不宜进行泥沙及流动沙层施工。

3 大范围地下基坑工程施工环境影响

3.1 施工噪声

基坑工程与大面积地下工程噪声主要来源于两方面：一是在盾构施工过程中，需对原有路面进行凿除处理，打入工程桩，并挖掘土方；二是在盾构施工中，电瓶车运输、注浆设施、起重设备等实际施工过程会产生很大噪音。

3.2 缺氧

基坑和大面积地下工程施工时，前方一旦出现高难度障碍必须采用压气施工，而在此过程中施工人员会出现缺氧情况，如心跳加快、呼吸频率急促、注意力下降等，严重时甚至出现中枢神经紊乱等生命体征急剧变化的情况，因此要采取行之有效的控制措施，提前做好相应防范，有效保障施工人员生命安全。

4 大范围地下开挖基坑工程安全风险及应对措施

4.1 建立完善风险管理制度

根据项目特点和以往风险控制经验，本项目风险控制主要包括以下几项：一是遵循由项目经理承担全部责任，安全经理承担安全责任，各级别管理人员承担相应责任的基本原则，全方位构建并落实管理责任制度，建立并完善风险管控逐级责任制度。二是明确各岗位员工职责，并确保责任落实到人，建立科学有效奖惩体系，根据工作完成情况对施工人员进行相应奖励和惩罚，有效激励施工人员工作积极性，依靠实际施工过程培养其责任意识。三是积极开展风险管理培训，组织全体员工参加，增强员工风险意识，在生产过程中严格按照有关规定进行作业，坚持风险工程审核，根据风险项目等级、相关资料内容，制定更加完善的技术交底以及更加安全的施工方案。四是实施风险监控、风险评估和风险预警，通过监督施工过程，对各种危险源进行风险控制，第一时间分析和研究相关数据，从而确定工程是否安全及存在危险。五是充分落实风险监测、控制、评估、预警信息传递等。施工过程中合理利用各种监测、评估、预警和处置技术，同时还要组织工作人员对数据进行分析，加强监测，进行风险控制，在监测中心确定预警等级之后再进行相应处理。

4.2 重视渗水问题，做好降水措施

在大范围深基坑施工中，渗漏是造成严重安全隐患的一个重要原因，若渗漏问题是由于围护结构不健全所致，则应立即进行处理[3]。在深基坑维护工程中发生漏水问题时，施工单位应针对不同渗漏部位采用不同堵漏方法，以免影响基坑安全，产生局部渗水。通常采用水泥、玻璃浆(双液注浆)、聚氨酯等注浆，以隔断水流通道，填充后部孔洞，水流较大时可采用高压旋喷桩、高压注浆，并按现场实际情况确定相应处理方法[4]。

4.3 加强深基坑深层搅拌桩加固施工

深埋搅拌桩在大范围深基坑围护中属于重要施工方式，具体加固方法包括以下几点。(1)采用深层搅拌桩进行加固，并将加固重点放在深基坑井段、深基坑末端和侧向防护，这是由于其刚性能够有效降低深基坑位移[5]。(2)采用裙边法进行加固，加固时有效利用柱子、支撑杆，对偏载深基坑整体支承能力有较好增强作用[6]。(3)施工中应根据工程标准承压水平进行计算，并根据实际深基坑受力情况，确定最大开挖深度为3m。在深基坑围护结构中，水泥硬化能在一定程度上增强其承载能力，从而改善稳定性，因此为了保证结构施工安全，应适当加入水泥[7]。

4.4 加强风险控制措施

本项目根据起点和终点位置地质条件，合理确定了末端基层加固技术方法，并严格按照设计方案加强末端地基，充分确保整个加固质量，以有效减少盾构施工全过程存在的危险。根据两个区段地质条件，勘探者需要经常对其进行测量和调整，改善土压平衡盾构相关数据，以便对盾构机各项参数进行全面了解，一旦出现异常必须及时调整。施工人员要充分掌握盾构掘进方向和位置，及时纠正掘进中所出现偏差，确保开挖完成后，巷道轴线和管片所受应力在可接受范围内。根据本区域地质情况，施工人员需要在水平冻结过程中对钻孔、开挖、浇注等施工环节可能出现危险进行分析，并采取相应处理措施。

4.5 噪声控制

一般认为，大范围地下工程和基坑工程所产生噪音应该控制在该地区噪声限度之内，但在很多情况下，建筑噪音会超出规定标准，因此，施工企业为了有效降低噪音影响可以采取以下措施，具体包括：(1)选择噪声较小的施工方式和设备，比如在城市中进行大范围地基施工时，可以选择静力压桩、灌注桩等。(2)对构成噪音的建筑设备进行消声处理，比如在施工场地周围设置护罩，或者安装相应隔音设备。(3)选择适当施工时间，尽量避开居民工作和休息时段。(4)工程施工人员需要佩戴隔音设备，做好自身防护。

4.6 缺氧控制

施工方应尽量避免采用压气工艺，如别无选择可以采取以下措施： (1)对易缺氧地区采取注浆、隔离等措施。(2)对于建筑场地油井进行回填，或在施工过程中关闭使用中油井。(3)随时监控施工区域氧浓度，如施工人员出现缺氧情况，必须立即进行治疗处置。

5 结 语

目前，随着建设项目逐渐增多，大范围基坑工程以及大范围地下工程施工安全问题以及环境影响问题已成为建设单位重点关注内容。通过相关案例分析可以看出，在大范围基坑施工过程中还存在较多安全隐患，因此必须采取有效风险控制措施，建立健全风险管理体系，确保施工人员生命安全得到有效保障，才能促进施工工作顺利开展。同时，施工过程要重视环境影响，采取适当措施，尽量降低对施工场地周围环境影响程度。大范围地下工程施工要考虑到施工场地、施工工期、交通导改等因素，同时还要兼顾地质情况与周围环境是否适宜，综合考虑管道防护等并进行合理设计和建设。抗浮设计中，抗拔桩应兼顾地基承压和抗浮力，从抗浮力角度分析，采用抗拔桩作为地基跨中抗拔桩具有较好经济效益。大范围地下工程施工，当地面出现大量空洞时，可采用横梁或水平混凝土墙体作为水平支撑，从而解决其受力问题。可采取适当变形缝、后浇带、热应力分析、预应力钢筋、补偿收缩混凝土、隔跳段施工、保温等综合措施，处理高温下超长构件温度应力。