深基坑支护技术研究与实践——以沈阳局调度所改扩建工程为例

钟安德 谷雪冰

(1.中国铁路沈阳局集团有限公司，辽宁沈阳 110001； 2.国铁建设管理有限公司，北京 100048)

1 概述

受工程地质条件、地下构筑物及管线、周围各类建筑物、道路、相邻工程施工以及工程工期等限制，在城市商业和办公、生活密集区进行深基坑开挖施工，存在基坑垮塌、道路沉陷、周边建筑物开裂等诸多安全风险，可能危及现场施工人员和行人、居民的生命安全。

为了规避深基坑施工的安全风险，确保施工人员和人民群众的生命安全，国内众多学者和技术人员对建筑工程深基坑支护技术的特点和施工方法进行了研究。

喻韶州、石伟[1-2]对建筑工程中的深基坑支护施工技术进行了研究；潘春雨等[3]以某52层超高层建筑为例，对桩式、重力式支护体系选型和创新设计思路进行了分析；陈海清[4]介绍了深基坑施工中常见的技术类型和高层建筑深基坑支护桩、锚杆支护技术；周凯[15]对护坡桩、土钉支护技术和施工管理进行了分析；钟其何[6]对钢板桩、排列式灌注桩、深层拌和水泥土桩支护施工方法进行了研究；陈慧兰[7]以富兴广场工程为例，对定位钢筋挂铁丝网、喷射C20混凝土和土钉墙支护施工流程进行了阐述；周勇[8]对钢支撑、混凝土支撑、钢与混凝土混合支撑等内支撑的优缺点进行了分析；梁青林[9]介绍了逆作拱墙和锚杆支护施工方法；刘波明[10]对深层搅拌桩等支护技术的操作原理进行了总结；谢金东[11]介绍了深基坑支护结构选型；闫怀瑞等[13-14]对重力式挡土墙和悬臂式支护结构的工艺原理进行了阐述。上述研究均立足于对深基坑支护类型、施工方法和管理手段等的研究，没有针对某一工程深基坑支护设计方案的研究论证和优化变更。

在分析沈阳铁路局调度所改扩建工程原设计深基坑支护方案存在问题的基础上，为确保邻近工程现场的各类建筑物和公共设施结构安全[16]，同时满足工程工期需要，对原设计深基坑支护结构方案进行了优化和变更，采用护坡桩、冠梁、三道锚索综合支护技术和信息化监测方法，保证了工程安全和工期要求。

2 工程概况

沈阳局调度所改扩建工程主要工程内容为：新建调度楼18 000 m2建筑结构为地下2层、地上4层，配套新建客专调度系统设备，迁移既有普速调度系统设备(如图1所示)。建成后，可实现原沈阳铁路局行车、信号、通信、供电、车辆、客服、信息等各类调度系统的统一指挥。新建调度楼地下建筑总面积为14 812.35 m2，其中，调度楼及附属设施5 600.27 m2，地下车库9 212.08 m2，基坑7 370.3 m2(东西长89.7 m，南北宽82.1 m)，最大埋深16.05 m。工程于2015年5月1日正式开工，2015年12月30日完成主体施工，2016年10月30日调度系统投入使用。

图1 新建调度楼与周边建筑效果

3 工程难点

3.1 周围建筑物距基坑较近

(1)东侧紧邻既有调度楼、办公楼和双层地下车库，基坑底部边缘距既有调度楼及双层地下车库(桩基础埋深4.8 m)边缘约5.7 m。

(2)南侧紧邻北五马路，基坑底部边缘距道路边缘约6.7 m。

(3)西侧紧邻昆明北街，基坑底部边缘距道路边缘约8.8 m，距道路一侧某小区七号楼约19.5 m。

(4)北侧紧邻某新建住宅楼(地下3层含2层停车场，地上33层)工程，两工程基坑垂直边缘间距为2 m，地下工程同步施工。

3.2 工程地质条件较差

(1)地质钻探显示，在钻孔深度范围内的岩土由上至下为第四系全新统人工填筑杂填土、素填土，第四系全新统冲积黏性土、砂类土；第四系上更新统冲洪积黏性土、砂类土、圆砾。基坑深度内地下土体密实度较低，结构松散，基坑开挖后边坡容易垮塌。

(2)地下水赋存于第四系的中、粗、砾砂层中，属孔隙潜水。现场钻孔量测显示，地下水水位埋深为13.20～13.50 m，稳定水位高程为31.14～31.90 m，地下水水位季节性变幅为2.0～4.0 m，中、粗、砾砂层等含水层渗透性强。基坑降水持续时间长，坑内降水对施工工期及周围建筑物的安全影响较大。

3.3 施工条件较差

(1)施工现场场地狭窄，施工机械难以摆放，无建筑材料堆放及钢筋加工场地；基坑深16.05 m，无放坡开挖条件；开挖土方量约13×104m3。

(2)本工程地处沈阳市核心区繁华闹市，东临沈阳铁路局办公楼，南侧和西侧紧邻市政道路，西侧、南侧均为居民楼，西侧地下结构外皮距居民楼19.5 m。施工过程中的噪声、光污染、扬尘、混凝土浇筑等因素影响附近居民的生活和休息。

综上所述，必须采取切实可行又经济合理的支护方案，减少对工期和环境的影响。

4 基坑支护设计方案与安全监测

4.1 原设计方案概述

(1)原基坑支护主要技术方案

原基坑支护方案为“钻孔灌注桩+2道混凝土内支撑”支护体系。如图2所示。

图2 原设计两道钢筋混凝土内支撑模型

①在基坑四周设置钻孔灌注桩，桩径为0.8 m、1.0 m两种，间距为1.0 m、1.2 m两种。

②在地面以下2.0 m及9 m各设置1道钢筋混凝土支撑，在地面以下10.5 m设置钢管斜倒撑，在地下一层斜坡道位置设置钢倒撑。

③在冠梁以上设置厚0.3 m、高2.0 m的混凝土挡墙。

④在钻孔灌注桩外侧设置三轴水泥搅拌桩止水帷幕。

⑤在围护桩及桩间土体土石面网喷C20混凝土。

(2)存在问题及不足

①在基坑内两个不同高度处施作两道钢筋混凝土内支撑支护体系，施工工艺复杂，与调度楼桩基、基础和地下结构施工相互交叉干扰，且基坑内无钻机和起重机占位条件，基坑开挖工期近6个月，主体工程工期至少顺延3个月。

②调度楼基坑施工期间，现场外在条件发生了变化，北侧住宅楼工程已经先于调度楼工程进行基坑开挖，基坑北侧边缘围护桩与内支撑结构已无法实施，调度楼基坑已由原设计的“口”字形结构变成“门”字形结构。如图3所示。

图3 “门”字形基坑支护结构模型

③两道混凝土内支撑和两道钢倒撑的支护体系保险系数过大，基坑支护造价在调度楼主体工程造价中占比过高，造成没有必要的投资浪费。

4.2 基坑支护结构选型

为满足工程工期和周围既有建筑物及道路的安全要求，同时降低基坑支护工程造价，工程实际开工后，铁路局开展了工程现场实地挖验和基坑支护设计方案优化，并组织专家进行论证，确定将原设计的“支护桩+两道混凝土内支撑”支护体系，优化为“支护桩+预应力锚索”支护系统，设置预应力锚杆及钢腰梁，形成桩锚结合的结构形式；为保证既有调度指挥楼和既有地下车库安全，在基坑东侧增设双排桩设计，取消“在基坑内施作两道混凝土内支撑支护体系”的原设计。

(1)基坑护坡设计参数

①地面超载按q=20 kPa考虑，行车指挥楼超载按q=50 kPa，地下车库超载按q=20 kPa考虑。

②基坑变形：基坑桩锚支护部位按Ⅰ级基坑控制变形，基坑安全等级为Ⅰ级；北侧放坡体按Ⅲ级基坑控制变形，基坑安全等级为Ⅲ级。

(2)基坑各剖面支护结构选型

根据规程中支护结构选型和地层现状、基坑深度、场地周边建筑物等情况，对基坑支护方案进行细化，分为5个剖面：1-1(基坑西南侧及南侧)、2-2(基坑东侧)、3-3(基坑东侧北端)、5-5(基坑西北侧，剖面采用“双排桩+370 mm砖挡墙+锚索”支护体系)、4-4(基坑北侧，剖面自然放坡)。新建调度楼基坑平面及剖面位置如图4所示；基坑剖面及支护位置现场实景如图5所示。

图4 新建调度楼基坑平面及剖面位置

图5 新建调度楼基坑剖面及支护位置现场实景示意

4.3 基坑支护设计方案

(1)以1-1剖面设计为例，“桩锚+370 mm砖挡墙”支护设计方案如图6。

图6 基坑1-1剖面三道锚索示意(单位：mm)

①本剖面位于基坑西南侧及南侧，从自然地面算起，基坑深约16.00 m，采用“桩锚+370 mm砖挡墙”支护体系，上部1.65 m施作370 mm砖挡墙，预留肥槽(宽1.2 m)，地面超载为20 kPa。

②护坡桩采用A型钻孔灌注桩，桩长23.5 m，其中嵌固段长9.65 m，桩间距1.0 m，桩径800 mm，桩身强度为C30，混凝土塌落度为180～220 mm。

③冠梁尺寸为800 mm×500 mm，强度为C30，两侧各配3C20HRB400级热轧螺纹钢筋，中间加配2C18HRB400级热轧螺纹钢筋，箍筋为C8@150。

④三道锚索分别位于冠梁顶下3.35 m、7.35 m、11.35 m处，水平间距为1.5 m(三桩两锚)，锚索孔径为150 mm，下倾角为15°。锚索成孔后，放入4～5φ15 mm(7φ5 mm)低松弛型钢绞线，每2 m设1对中支架。二次压浆灌注P.S.A32.5 MPa矿渣纯水泥浆，水灰比为0.50，强度为20 MPa。锚索钢绞线下入过程中，增加1根塑料压浆管，沿着该塑料管注浆和二次压浆(塑料压浆管不取出)。锚索锁在2根I28b型钢上。1-1剖面3道锚索参数如表1所示。

表1 1-1剖面三道锚索参数

⑤桩间土体挂φ6.5@200×200 mm钢筋网，使用C16 U形钢筋勾将钢筋网片与护坡桩固定，加强筋的纵向间距为1.0 m。然后喷射细石混凝土，强度为C20，面墙厚度约为100 mm。

⑥采用信息法施工，根据现场实际情况做适当调整。

(2)以2-2剖面为例，“双排桩+370 mm砖墙挡墙+锚索支护”设计方案如下。

①本剖面位于基坑东侧，邻近既有行车指挥中心，护坡桩内皮距指挥中心约5.7 m，行车指挥中心基础埋深4.8 m，采用桩基础。从自然地面算起，坑深约16.00 m，采用“双排桩+锚索+370 mm砖挡墙”支护体系，上部1.65 m施作370 mm砖挡墙，预留肥槽(宽1.2 m)，地面超载为20 kPa。

②B型钻孔灌注桩护坡桩长24.5 m，其中嵌固段长10.65 m，前排桩间为距1.2 m，后排桩间距为2.4 m，排距为2.0 m，桩径为1 000 mm，桩身强度为C30，混凝土塌落度为180～220 mm。

③冠梁尺寸为1 000 mm×500 mm，强度为C30，两侧各配3C20HRB400级热轧螺纹钢筋，中间加配4C20HRB400级热轧螺纹钢筋，箍筋为C8@150。

④连梁、锚索、桩间土体挂钢筋网的做法同1-1剖面。

⑤采用信息法施工，根据现场实际情况做适当调整。

(3)注意事项

①距坑边3.0 m范围内严禁堆放钢筋等杂物或行驶重型卡车。

DBT对非致密型腺体的检查敏感性、特异性、阳性/阴性预测值与FFDM相比，差异不显著（P＞0.05）；对于致密型腺体良恶性的判断，DBT特异性较FFDM高，比较差异显著（P＜0.05），但敏感性、阳性/阴性预测值相比，两者差异均不显著（P＞0.05）。见表3。

②土方开挖要与护坡相协调，严禁超挖。

③锚索张拉锁定前，坑边严禁行驶车辆，避免因动荷载引起钢绞线与水泥浆之间出现松动现象。

4.4 基坑开挖安全监测与施工

深基坑的安全与稳定直接关系到基坑本身及邻近建筑物、基坑周边道路和邻近地下管线的安全。根据深基坑支护有关规范要求，在结构主体地下部分施工阶段，必须对基坑支护系统和周边环境进行监测。由于岩土工程的复杂性，深基坑支护系统受到许多难以确定因素的影响，因此，应加强监测，及时掌握支护系统及周围环境的动态变化，确保支护系统和周围环境的安全。

(1)支护坡体水平及垂直位移监测

① 监测项目

支护坡体水平、垂直位移，基坑周边道路、管线及地面沉降观测，锚索内力监测，基坑深部位移变形监测，既有建筑物沉降观测，地下水水位观测，支护结构内力监测。

②监控预警值和报警值

根据《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497—2009)，本次基坑东侧(调度楼一侧) 2-2剖面、3-3剖面的基坑变形控制：水平安全预警值为h×1.0‰×70%，报警值为h×1‰；垂直变形安全预警值为h×1.0‰×70%，报警值为h×1‰。基坑1-1剖面、5-5剖面变形控制：水平安全预警值为h×2.0‰×70%，报警值为h×2‰；垂直变形安全预警值为h×2.0‰×70%，报警值为h×2‰。基坑4-4剖面变形控制：水平安全预警值为h×5.0‰×70%，报警值为h×5‰；垂直变形安全预警值为h×6.0‰×70%，报警值为h×6‰。桩锚支护连续3 d内变形速率不得超过2 mm/d；4-4剖面连续3 d内变形速率不得超过5 mm/d；周边管线连续3 d变形速率不得超过2 mm/d。基坑支护变形观测预、报警数值与实测数据对照如表2所示。

表2 基坑支护变形观测预、报警数值与实测数据对照 mm

锚索的内力监测宜采用专用测力计、钢筋应力计或应变计，量程宜为对应设计值的2倍，量测精度不宜低于0.5%F·S，分辨率不宜低于0.2%F·S。

(3)护坡桩变形监测

通过测斜仪观测各深度处的水平位移。测斜仪系统精度不宜低于0.25 mm/m，分辨率不宜低于0.02 mm/500 mm。

4.5 基坑开挖施工要点

(1)按“分层开挖、严禁超挖”的施工原则，严防基坑边坡超挖。按支护方案施工工艺与支护步数逐层分段开挖，待支护达到允许强度后再进行下部开挖。

(2)当土方开挖至冠梁底面高程后进行冠梁施工；冠梁施工完成后，分层开挖至锚索高程下500 mm，逐层进行锚索施工，直至挖至基底以上300 mm。

(3)基坑开挖到距距离坑底300 mm时，必须采用人工挖除，基坑开挖到最终坑底面后应及时施作垫层。

(4)基坑开挖施工时，围护结构周围的地面超载不能大于设计规定的超载极限值，基坑3.0 m范围内严禁堆载。

(5)土方开挖时，挖斗严禁碰撞护坡桩、锚头、腰梁等支护结构。

5 安全、经济和社会效益分析

通过优化护坡桩、冠梁、锚索、挂网喷浆、挡水墙和基坑支护变形监测等安全防护技术方案，保证了基坑四周既有建筑物和道路、管线等的设施安全，保证了施工、办公、道路通行人员和居民安全，缩短基坑支护工期3个月，节约投资230万元，确保了2015年末调度楼主体结构、屋面和全部砌体按期完成(见图7)。

图7 建成后调度楼实景

2016年12月28日，新建调度大厅125个调度台和普速、客专调度系统全部按期开通使用，通信、信号、信息、供电、客服等各专业调度系统设备的可靠性和安全性得到极大改善和提高，尤其是保证了133个既有调度信息系统搬迁施工的按期完成，实现了调度信息系统设备质量、使用功能、运行速度和可靠性等方面质的飞跃，使得铁路局调度所对全局客专和普速铁路行车的调度指挥更加顺畅，为铁路局运输提质增效做出了贡献，取得了较好的安全、经济和社会效益。