复杂条件下明挖技术“21字”设计施工基本原则

杨会军, 孔 恒

(1. 中铁六局集团有限公司， 北京 100036； 2. 北京市政建设集团有限责任公司， 北京 100045)

0 引言

近年来，我国的基础设施建设取得了巨大成就，高层建筑、城市地铁、管廊、地下停车场、大型交通枢纽等工程进入大发展时期[1]。深大基坑越来越多，规模和建设难度越来越大，相应地，深基坑的设计施工水平也取得巨大进步，主要体现在设计理念的进步、施工技术的进步、机械化水平的提高、管理制度的完善和风险控制能力的增强等方面。

基坑工程属于高风险的技术领域，工程地处城市繁华城区，对周边环境的保护要求很高，地表沉降、建构筑物变形控制指标都很严格，这就对基坑设计施工提出了严格的变形控制要求[2-4]。文献[5-8]采用三维有限元计算的方法分析了复杂条件下的基坑设计。但是，在复杂条件下，由于土层软弱、地下水丰富及基坑周边环境条件的多样性和复杂性，围护结构、支撑体系的设计施工会出现偏松或偏紧的情况。覃亚伟等[9]针对武汉地铁2、4号线工程的基坑突涌、侧壁流土和老黏性土遇水软化等地下水问题进行探讨，并提出控制措施。王国富等[10]利用多属性决策模型将各种基坑支护方案目标值的优基数进行加权求和计算，确定最优方案。霍晓波等[11]研究了地下水对基坑支撑体系的影响，并进行了实测分析与优化。

基坑工程中保证环境安全和工程安全、控制施工质量是从事基坑工作的技术与管理人员应遵守的基本原则。目前明挖法施工的基本原则大多数都围绕开挖支护而言，如分层、分段、分块，对称、均衡开挖，随挖随撑、先撑后挖、严禁超挖等原则和要求[12-13]。本文结合多年来明挖施工经验，系统梳理明挖法设计施工关键技术，提出复杂条件下明挖技术“21字”设计施工基本原则。

1 明挖技术“21字”设计、施工基本原则

1.1 强围护

基坑支护是为保证基坑开挖支护、地下主体结构施工安全以及施工过程中周边环境的安全而采用的临时性支挡、加固、保护措施。基坑围护结构作为临时性支挡措施，在基坑开挖支护、地下主体结构施工过程中发挥关键作用。

1.1.1 合理设计围护结构

应根据水文地质、工程地质条件、环境条件及施工方法、主体结构形式等合理选择基坑围护结构型式。无水或岩石基坑宜选用挖孔桩、土钉墙或喷锚支护等支护型式； 地下水位较高和变形要求严格的地层宜选用排桩、地下连续墙或水泥土墙等支护型式； 当围护结构作为主体地下结构时选择地下连续墙；围护结构型式应与地下水控制结合考虑，为保护周边环境，宜采用围护结构截断基坑内外水力联系。

围护结构的入土深度对基坑的稳定性影响很大，主要和地质条件、基坑深度、形状、围护结构和支撑体系形式、周边环境条件、地下水控制等因素有关。作为挡土结构，应保证围护结构的入土深度满足各项稳定性和强度要求；作为隔水帷幕，入土深度需要根据地下水控制要求确定。

1.1.2 深基坑安全要保证

围护结构设计不仅与土体的结构、物理力学性质、地下水位等因素有关，还与土体上方的外荷载、围护型式、形状、刚度、土体与支护结构的接触条件和相对位移、基坑开挖方法等因素有关。因此围护结构设计计算至关重要，在围护结构的选型、设计参数选取等方面，应综合地层、地下水、周边环境等因素，做到宁强勿弱，突出加强围护结构设计。

1.1.3 围护结构施工质量要保证

围护结构的施工质量非常重要，由于围护结构施工质量问题带来的基坑安全事故举不胜举，因此，应加强围护结构施工质量控制，保证强度、尺寸、位置、防水效果等满足要求。

围护结构施工中，应严格按照相关技术标准、施工工艺、操作规程等精心施工。起止水作用的围护结构尤其要加强接缝部位的施作质量。

1.2 精控水

基坑开挖首先要解决地下水的问题，很多地方在限制降水施工，这就要求既要满足基坑工程无水作业，也要求尽可能少降水，这样做也能减小地表沉降，从而降低对周边环境的影响。精控水就是要做到精确控制地下水，包括深刻认识地下水的赋存特征、补给条件等因素，在此基础上，精准设计控水方案，施工中加强控水措施的施工质量，并加强地下水的监测和分析，实施信息化施工。

1)地下水控制应根据工程地质和水文地质条件、基坑周边环境要求及围护结构型式选用截水、降水、集水明排方法或其他组合[14]。

2)当降水会对基坑周边建构筑物、地下管线、道路等造成危害或对环境造成长期不利影响时，应采用截水方法控制地下水。采用悬挂式帷幕时，应采用坑内降水，宜根据水文地质条件结合坑外回灌措施，并满足稳定性要求。落底式截水帷幕应进入基底以下足够长度，以确保形成可靠的隔水边界，满足基坑渗透稳定性要求[14]。

3)当采用地下连续墙结合坑内降排水方案时，可在每幅墙之间的接缝部位施作加强的止水措施。应先探后挖，接缝部位如有渗漏水现象，应先处理，达到止水要求后再开挖土方。

4)深刻理解地层条件、地下水赋存特征，选择合理的降水方法。降水系统设计包括降水井井深、井数、井距、井的结构及单井出水量等。

5)降水运行管理要点。基坑周围井点应对称、同时抽水，使水位差控制在要求限度内；井点系统应采用双线路，防止中途停电或发生其他故障，影响排水，必要时设置能满足施工要求的备用发电机组；定期检测抽排水中的含沙量，远期含沙量要满足要求；动态降水运行，控制地下水位在开挖面以下0.5 ～1 m，满足无水作业要求。

1.3 快开挖

基坑开挖是基坑工程的关键工序，土方开挖要按照“分层、分段、分块，对称、均衡开挖，先撑后挖、严禁超挖”的原则进行。在软弱地层、周边环境复杂情况下，还要体现快速开挖，一旦进行开挖，原则上应尽可能少停工，以尽快支撑，减少对周边环境的影响。

1)基坑周围地面应采取硬化和截排水措施，防止雨水等地面水流入坑内。

2)开挖前，围护结构接头部位应先探后挖，如有渗漏水，必须处理后方可开挖。软土地层应限制每层开挖厚度、长度、坡度等参数。

3)软弱地层中开挖，应快挖快支，尽量缩短开挖和支护之间的时间间隔。

4)严禁超挖。避免由于基坑超挖使围护结构、支撑体系受力状态大大超过设计能力而使基坑垮塌的工程事故。

5)基坑开始开挖后，不应中途停工时间太长，尤其是临近坑底时，基坑的风险很大，不应停止施工，以免由于基坑的空间和时间效应以及周边的附加荷载作用而对基坑的安全和周边环境的安全产生不利影响。

1.4 早支撑

1)支撑体系选择要合理。宽度大的基坑要考虑支撑的稳定性和弯曲变形等。宽度小的基坑可选择水平横撑。地层条件差、基坑形状复杂或环境保护要求高时，第1道横撑应优先考虑采用混凝土支撑。水平横撑在支点部位应增加八字撑等，以减小受压长度、增加约束，提高基坑的稳定性。钢筋混凝土支撑施工见图1。

2)及时支撑。基坑支撑应体现“随挖随撑、先撑后挖”，及时架设支撑，就能极大地减小地表沉降，从而减小对周边环境的影响，因此，支撑架设一定要尽可能早。钢支撑施工见图2。

图1 钢筋混凝土支撑施工

图2 钢支撑施工

3)支撑体系安全质量要有保证。当基坑开挖面上方的锚杆、土钉、支撑未达到设计要求时，严禁向下超挖土方。预加轴力前，要检查钢支撑安装是否牢固、稳定，合格后逐级施加轴力，预加轴力取支撑轴力的0.5～0.8倍； 同时，要有防止钢支撑坠落的措施。

1.5 速封闭

一般情况下，基坑开挖到坑底时内力与变形量最大，也是基坑风险最大的时候，一定要快速封闭。开挖到底板标高时，预留30 cm人工开挖，以减小对基底的扰动。基坑开挖到底后，应及时清底验槽，浇筑垫层封闭基坑，实现开挖面快速封闭，减少地基土的暴晒时间，防止暴晒或雨水浸泡而破坏地基土的原状结构，防止底板隆起和管涌，并迅速施作结构底板(见图3)。

1.6 勤量测

基坑开挖支护施工中，应加强监控量测，对围护结构位移、地表沉降、地下水位、支撑轴力、建构筑物变形、地下管线沉降等进行监测，及时采集数据，及时分析，及时反馈，及时指导施工。

1)动态设计和信息化施工。监控量测是施工的核心，必须认真、快速获取结果，掌握基坑的变化特点。深基坑工程，在基坑开挖过程与支撑体系使用期间，必须进行围护结构、支撑体系和基坑开挖影响范围内建构筑物、地表、地下管线沉降的监测，实施动态设计和信息化施工。尤其要重视开挖到底时基坑和地层的稳定性，这往往是塌方、变形的最危险时间的区段。

图3 底板钢筋绑扎施工

2)加强现场巡查。对基坑开挖工作面、周边环境开展施工巡查，重点对围护结构接头部位、支撑体系、土方开挖面、坑边堆载、周边建(构)筑物、地下管线等进行巡查，发现异常要及时采取措施。

1.7 少扰动

在基坑工程设计和施工过程中，通常要考虑基坑附近地面上作用的荷载，如车辆质量、建筑材料和渣土堆载、门吊或吊车起吊荷载等，这些荷载为地面超载，它们的存在增加了围护结构主动土压力(见图4)[14]。

图4 基坑水平位移-深度曲线

Fig. 4 Curves of relationship between horizontal displacement and depth of foundation pit

城市地铁车站地处繁华城区，交通繁忙，距离基坑工程近，交通动载对地层扰动大，尤其当基坑开挖后，附加荷载产生的影响很大。图4为某地铁车站基坑工程围护结构深层土体水平位移-深度曲线，该基坑开挖深度约19 m，地面以下分布粉土层、粉细砂层、中砂层，基坑边5 m为交通道路，可以看出地面5 m以下至坑底以上范围内的水平位移较大。

因此，采取如下措施减小动载扰动。

1)限制坑边堆载。坑边堆载应距基坑上部边缘不少于2 m，高度不应超过1.5 m，并且不能超过设计荷载值。在软土地区不宜在基坑边堆载。

2)限制坑边动荷载。对于粉、细砂土，坑顶一定范围内禁止设置振动大的施工机械，严格控制过往车辆次数和载重量，一般在通过路段，可设置限高架来控制大型车。也可根据不良地质的深度、与基坑的关系、围护结构形式等，采用相应的措施。

2 结论与建议

1)结合明挖基坑施工经验，系统提出复杂条件下明挖技术“21字”设计施工基本原则： 强围护、精控水、快开挖、早支撑、速封闭、勤量测、少扰动。

2)对于软弱地层、地下水丰富、地处复杂环境的基坑工程，设计方面要强调“宁强勿弱、动态设计”的理念。

3)严格施工工艺、严格施工管理，加强信息化施工。

4)地处交通繁华地区的软土地层明挖基坑，交通动载的扰动影响大，应采取相关措施减小扰动。