复杂周边环境条件下基坑支护和降水设计分析研究

张闻璟

(1.山东省鲁南地质工程勘察院，山东济宁 272100；2.山东省华鲁工程总公司，山东济宁 272100)

0 引言

随着社会发展和人民生活水平的提高，市场客户需求也不断升级，对房屋的品质、小区设计、物业智能化服务水平等要素提出更高要求[1]，也正因为如此，在一定程度上带动了房地产开发产业的发展。目前，住宅楼盘开发选址主要存在两种模式[2]：一是在城郊或城区内的地理位置优越、交通便利、有发展潜力的荒废用地投资建设新开发区；二是在城区内的老旧小区进行拆旧建新。但不管是哪种模式，都需要配备地下车库才能同时保证足够的车位配置和良好的地面环境，这也导致在住宅建造过程中需要开挖不同深度的基坑。

新开发区设计的住宅楼座位置一般与其周边既有建筑、道路、市政管线等较远，周边环境较为简单，所以基坑开挖支护形式多以放坡或土钉墙为主。而拆旧建新的小区多位于老城区内，存在场区狭小、紧邻周边建筑、周边管线复杂等问题，所以基坑开挖支护形式多以垂直支护为主。在基坑设计过程中需要综合考虑土层分布情况、地下水水位及动态变化、周边建筑和管线情况、施工工艺可行性、施工设备作业空间及其可能带来的环境污染和振动噪声等因素的影响来确定支护形式。由于各方面影响因素繁杂，各项目的情况又不尽相同[3-7]，这就给基坑支护和降水设计方案的确定带来了很大的难度。

本文通过对位于老城区拆旧建新项目的基坑设计过程中诸多影响因素进行探讨，针对本项目实际情况提出了可靠、有效的设计思路和处理方案，意在抛砖引玉，为其他类似项目的基坑设计方案的确定提供参考。

1 工程概况

本项目位于建设东路南侧，东御桥路西侧，紧邻工人文化宫、光通大厦和周边各小区。项目总占地约2×104m2，总建筑面积约4×104m2，拟建7栋住宅楼、7栋商业楼及其地下车库，意在老城区规划汉唐特色商业街、低密度纯洋房住宅双重业态。

1.1 周边环境

项目位置及其周边环境情况见图1。

图1 本项目与其周边环境位置关系图Fig.1 location relationship between the project and its surrounding environment

(1)基坑北侧。拟建地下车库范围线距离用地红线(围挡)约21.0 m，用地红线距离建设东路道路中心线约20.0 m，道路旁含多种类型的管线，由北向南分别为雨水管道、蒸汽管道、通信电缆及供电管道，对基坑边坡距离较远。围挡内侧存在一条热力管线，埋深约1.5 m，现已拆除，红线范围内无其他影响基坑施工的管线。

(2)基坑西侧。拟建地下车库范围线距离围墙最近距离为3.26 m，围墙外为广场小区道路和住宅楼，用地红线距离既有住宅楼最近距离约为9.8 m。围挡原有的电力管线已迁移，热力管线已拆除。

(3)基坑南侧。拟建地下车库范围线距离围墙最近3.48 m，围墙距离南侧住宅楼最近5.23 m。存在多处热力、燃气、电力管线，现已迁移或拆除。

(4)基坑东侧。拟建地下车库范围线距离围墙最近5.40 m，围墙外为广通大厦裙房、工人文化宫等建筑。

对基坑距离近、影响较大的既有建筑的基础形式和埋深情况如下：①光通大厦，8层，桩基础，桩底埋深约-15.00 m；②工人文化宫，4层，桩基础，桩底埋深约-13.20 m；③少陵新村，6层，筏板基础，基底埋深约-3.60 m；④广场小区，5层，条形基础，基底埋深约-2.0 m；⑤华夏商城，5层，条形基础，基底埋深约-2.0 m。

1.2 岩土工程地质条件

1.2.1 地形、地貌

拟建场区现为拆旧新建场地。总体来看整个场区地势平坦，测得场区孔口高程51.02～52.03 m，最大高差1.01 m。场区地貌宏观上属冲洪积平原。

1.2.2 地下水

场区浅层地下水为第四系孔隙水，以大气降水入渗和地下微量侧向径流为主要补给来源，以人工开采、侧向径流为主要排泄途径，主要含水层为④层中细砂、⑦层中砂、⑨层中砂。地下水位随季节及气象周期呈周期性变化，水位年变幅在2～5 m，动态类型为入渗—开采、径流型。场区地下水稳定水位埋深4.87～5.88 m，稳定水位标高约46.15 m。

1.2.3 主要地层情况

根据勘察报告和基坑边缘地层剖面图以及拟建物基础埋深情况，对基坑开挖有影响的各土层自上而下的揭露顺序如下。

①层杂填土。杂色，松散，成分主要为建筑垃圾及碎砖块。该层填土为旧建筑物拆迁堆积，回填年限小于5年。

②层素填土。灰褐色，可塑，以粉质黏土为主，局部含少量细砂，回填年限大于10年。

③层粉质黏土。黄褐色，可塑，含少量铁锰氧化物，局部粉质重，夹粉土薄层，切面稍有光泽，干强度及韧性中等，无摇振反应。

④中细砂。浅黄色，稍密，湿—饱和，主要矿物成分为长石、石英，局部含少量泥质，分选性一般，磨圆度中等。

⑤黏土。灰黑色、灰褐色，可塑，韧性及干强度高，有光泽反应，无摇振反应。

⑥粉质黏土。褐黄色，可塑，韧性及干强度中等，稍有光泽反应，无摇振反应，含少量细粒姜石。

⑦中砂。浅黄色，中密，饱和，以石英、长石为主，磨圆度一般。该层在场区普遍分布。

依据原状土试样剪切试验结果，按照《岩土工程勘察规范》的有关规定，并根据当地经验，基坑开挖与降水影响到的主要土层抗剪强度指标标准值 (Ck、φk)、土的容重γ等参数取值见表1。

2 基坑设计

2.1 项目重、难点及其分析

根据对本项目基坑设计和施工过程中可能存在的对拟开挖边坡产生不利影响的诸多因素的统计分析，最终筛选出若干主要影响因素，并对其影响原因和程度进行了分析。

表1 各土层主要物理力学指标一览表Table 1 list of main physical and mechanical indexes of each soil layer

2.1.1 周边环境复杂

场区东北为光通大厦，东为工人文化宫，东南为少陵新区，南为公安局家属院，西为广场小区，西北为华夏商城，均与项目用地红线(即围挡范围)距离较近，局部既有建筑紧贴围挡。场区外管线已做架空保护措施。

场区周边既有建筑对拟开挖基坑影响较大，需要同时考虑承载能力极限状态和正常使用极限状态下的支护选型；场区外管线已做架空，但在设计中需要考虑控制其竖向变形。

2.1.2 现场环境复杂

场区面积较小，场区内管线已通过拆除或迁移等方式进行处理。基坑边界呈现为不规格的“X”型，局部突出部位场地狭窄且折角较多，地下车库范围线与围挡最近距离约为4.0 m。

由于场区面积较小，增加了现场总平面布置的难度，需要考虑空间上的利用和平面上的合理布设。边界不规则，会存在较多的阳角和阴角，在设计中应尽量缩减，如果没法缩减应考虑阳角处的不利情况及处理方案；在阴角和局部狭窄处，存在大型机械设备无法靠近、移动等情况，增加了施工的难度，需要在满足施工能力的前提下尽量选择体型较小或是移动、转向能力强的机械设备；地下车库距离围挡较近，由于基底工作面后能放坡空间很小，支护形式应以垂直开挖支护为主，同时可选择适用于项目特殊情况的新型或复合支护形式。

2.1.3 环保管控严格

为遵守相关法律法规和政策要求，项目现场施工特别是在基础施工阶段必须严格控制扬尘、噪声等污染。本项目场区周边多为居民住宅，对噪声控制的要求更为严格，存在被居民投诉，被环保、安监等部门突击检查的情况。若不提前考虑并防范，容易发生整顿甚至停工的情况，耽误施工工期。

在基坑设计阶段，设计人员在考虑支护方案可靠性的同时也需要考虑其施工的可行性。本项目的扬尘、噪声和泥浆污染是首要解决问题，扬尘可通过喷淋、洒水、覆盖防尘网等方法来控制，而噪声和泥浆污染就需要选择合适的施工工艺和施工机械来尽可能减少。

2.1.4 工期要求紧

根据甲方要求，该项目需要在年底完工，留给基坑支护的时间颇短。

项目总工期受到多种因素影响，诸如组织管理、勘察设计、施工工艺、材料设备、自然环境、社会环境之类。

在设计阶段，应通过选取合理的施工工艺，优化支护方案等方法来降低施工难度，进而缩短施工工期。例如，钻孔灌注桩施工工艺需要经过成孔→钢筋笼制安→下放钢筋笼浇筑混凝土这三个主要施工流程，现场除了需要考虑钢筋的堆放区，还需要设置钢筋的加工区和成品钢筋笼堆放区；而型钢水泥土搅拌桩(下称SMW工法桩)施工工艺需要经过水泥土搅拌→下插型钢这两个主要施工流程，现场只需要设置型钢的堆放区和水泥浆搅拌台。较前者而言，后者能节约更多的施工时间，减少对施工现场的用地需求。

2.1.5 降水方案

根据勘察报告所述，地下水稳定水位标高约46.15 m，高出基底标高44.50 m约1.50 m左右。

基坑降水主要采用管井、真空井点、喷射井点等方法，在需要控制地下水位的区域则需增设止水帷幕和回灌井[1]。本项目位于老城区，周边道路、管线和建筑对竖向变形敏感，若采用管井进行大面积降水可能带来土体沉降，导致地面产生裂缝等不利影响；若设置止水帷幕并采用管井降水，需要设置多口降水井且降水周期较长，不利于成本的控制。

2.2 施工工艺

综合考虑上述的多方面因素，借鉴钻孔灌注桩[10]和SMW工法桩[8,12]的工艺特点以及降水需求，本项目基坑支护和降水设计拟采用三轴搅拌桩后插H型钢施工工艺，同时进行支护桩和止水帷幕施工。从实际施工效果上看，大大节约了施工时间和造价，减少了泥浆、扬尘、噪声等环境污染，有效利用施工设备的机动性克服了基坑边界不规则和场区狭窄等问题。

2.3 支护设计方案

设计自然地坪整平标高为51.00 m，基坑拟开挖深度约为6.50 m。支护单元安全等级为二级，基坑使用期限为十二个月。

水泥土搅拌桩建议采用三轴搅拌桩设备施工，套打一桩，桩径650 mm，桩间距900 mm，桩长12.0 m，桩底深入第⑦层中砂层底，搅拌桩水泥选用42.5级普通硅酸盐水泥，水泥掺入量取土的天然质量的15%，建议水灰比为1∶0.8，应做现场实验确定后方可施工。

搅拌桩内每隔900 mm设置一根H型钢，规格HM 200 mm×150 mm，长12.0 m。因现场场地受限，不考虑后期回收。

锚索采用2sφ15.2钢绞线，二桩一锚，间距为1.80 m。锚索总长12.0 m，锚固段长6.0 m，注浆材料为42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比为0.45～0.50，强度不低于20 MPa。自由段用隔浆管隔离水泥浆。

构造面层挂网筋规格为Φ4.0(200×200)mm钢板网，C20混凝土喷面，细骨料选用中粗砂，含泥量应小于3%；粗骨料选用粒径不大于20 mm的级配砾石；水泥与砂石的重量比取1∶4.0～1∶4.5，砂率取45%～55%，水灰比取0.40～0.45。

支护单元剖面图详图如图2所示。

图2 最不利工况下基坑支护设计剖面图Fig.2 profile of foundation pit support design under the most unfavorable condition

2.4 降水设计方案

止水帷幕宽650 mm，长12.0 m，帷幕底深入第⑦层中砂层底，阻断了基坑内外的水力联系，利用坑底天然防渗层(图2中第⑤层、第⑥层)进一步隔离坑底和其下水体的交换。

在基底周圈和中间适当位置设置横纵向连通的排水沟(规格为300 mm×300 mm)，相隔一定间距设置集水井(规格为700 mm×700 mm×1500 mm)作为坑内排水措施。这种降水方案利用人工设置的竖向止水帷幕和坑底天然的水平防渗层形成了一种“盆式结构”，隔绝基坑内外的地下水，将盆内的水抽出后，仅需要排出来自大气的降水，而且降水措施施工起来简单易行，降水成本低廉，避免了大面积降水可能带来的风险。

3 基坑监测

为了保证基坑边坡和周边建筑、管线等建(构)筑物安全，设计方案中设置了坡顶水平和竖向位移、周边建筑物变形、周边管线变形、地下水位等监测点。从69个监测点的实测监测数据上看，自基坑开挖起3个月各监测点的累计变化量最大值为0.3 mm，基坑外地下水水位变幅符合自然变化规律，基坑内降深后的稳定水位标高低于基底0.5 m，这些数据都说明了本项目的基坑支护和降水设计方案还是比较成功的。

4 结论

在周边环境复杂、场区狭窄以及其他不利条件下，基坑设计应根据实际情况改变思路、灵活应对。本项目吸取了SMW工法桩施工工艺的优点并进行改进，缩小了型钢的规格，优化了搅拌桩施工方法和水泥浆液配比，利用排桩模型计算的安全稳定性符合规范要求，大大缩短了施工工期，并在实际施工中达到了很好的变形控制效果。

随着“绿水青山就是金山银山”的思想不断深入人心，相关减排、环保等政策的出台，基坑支护施工过程中对泥浆、扬尘、噪声等污染控制更为严格，除了从源头、传播途径、受体三个部位采取相应的防控措施以外，选用合适的施工工艺和无泥浆、振动小、噪声小等优点的机械设备可以降低起始的污染程度，在施工过程中也能有效控制，降低了可能存在的风险和施工成本。

基坑降水多采用管井降水方法，这种方法适用于多种地层，降水井成井工艺成熟，降水效果和稳定性较好。但是，也存在一定问题，如：若未设置止水帷幕会造成大面积的地下水水位下降；降排水量较大，给排放带来一定的困难；降水周期长，降水费用较高。本项目基坑降水设计利用人工设置的竖向止水帷幕和坑底天然的水平防渗层形成了一种“盆式结构”，隔绝了基坑内外的水力联系，大大减少了基坑内地下水的降排水量，降低了降水井施工成本和后期的降水费用。