复杂环境下深基坑支护设计及施工关键技术应用

聂建国

(山西省建筑科学研究院有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

社会经济和城市建设的快速发展推动了地下空间的开发利用，地下空间的开发利用关键在于基坑特别是深基坑工程的建造，深基坑工程的支护设计和施工又是其中一个非常重要的环节。目前常用的基坑支护形式较多，主要有水泥土搅拌桩、型钢水泥土搅拌桩、钢板桩、土钉墙、钻孔灌注排桩、桩(墙)锚、桩(墙)内支撑等。每种支护形式都有其优缺点和特定的适用条件，需要通过环境地质施工条件、工程主体结构要求、基坑的深宽度条件、深基坑支护技术适用范围、支护设计工程当地的基坑施工规范章程及实际施工过程总结等相关材料依据和经济性等综合确定其适宜的支护选型。深基坑支护设计施工的成败会对深基坑工程安全、工期、经济和环境效益等产生巨大的影响。在复杂地质和环境条件下确定适宜的深基坑支护形式以确保基坑及周边环境安全就显得尤为重要和必要。在此背景下，本文以山西××市地下水位高的粉土粉砂易塌地层和复杂环境下的深基坑工程为例，对基坑支护系统包含的围护结构和内支撑结构设计及施工关键技术进行研究，总结积累技术要点和工程经验，以期为后续类似地质环境条件下深基坑设计施工提供参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

山西××市中医医院门急诊楼项目位于新建路以东，双塔西街以北，市第三人民医院西区(见图1)。地下3层，地上4层，建筑面积4.24万m2。该项目±0.000绝对标高783.330 m。场地拟整平标高为782.500 m。该项目基坑深度18.09 m(局部深达21.29 m)，坑底绝对标高为765.240 m(局部深坑底绝对标高为762.040 m)。项目基坑东侧南侧地下有市政管线，西侧及南侧为城市道路。基坑西侧最近距离红线5 m，距离既有建筑5.1 m；南侧距离红线6.7 m；东侧距离既有建筑18 m；北侧距离红线4.7 m，距离既有建筑8.2 m；其影响范围内的基坑周边环境极为复杂。

1.2 岩土与水文条件

根据《某市中医医院门急诊楼岩土工程勘察报告(详勘)》揭示，场地地貌单元属于河漫滩平原[1]。勘察深度范围内，场地地基土沉积时代及成因类型自上而下依次为：第四系全新统中、早期河流相冲积层，第四系上更新统河流相冲积层。

在勘探深度范围内，场地地基土自上而下可划分为11个大层，分别如下：第①层杂填土、第②层粉土、第③层粉砂、第④层粉土、第⑤层粉砂、第⑤-1层粉质黏土、第⑥层粉土、第⑦层细砂、第⑧层粉土、第⑨层砾砂、第⑩层粉土、第⑩-1层卵石土、第层粉土。第⑥层粉土层底标高为764.590 m～766.550 m，第⑦层细砂层底标高为761.110 m～763.010 m。结合该项目基坑坑底标高为765.240 m，局部深坑坑底标高为762.040 m，可知基坑深度范围内涉及的土层主要为粉土、粉砂地层，基坑坑底位于第⑥层粉土层，局部深坑坑底位于第⑦层细砂层。

本次勘探深度范围内揭露地下水类型上部为潜水，以第②层粉土为主要含水层，主要以大气降水和北面南沙河流侧向径流补给，水位随季节性变化。勘察期间实测稳定水位埋深为现地表下2.30 m～3.85 m，稳定水位标高778.970 m～780.560 m。勘察期间为地下水平水期。地下水位年内变幅0.5 m左右。

该建筑场地类别为Ⅲ类。当抗震设防烈度为8度时，拟建场地属液化场地，地基液化等级为中等，综合判别主要液化土层为第②层粉土(液化深度在6.4 m)及第④层粉土(液化深度在10.0 m)。

本项目基坑场地地下水位高，地质主要为粉土、粉砂易塌地层，周边建筑物密集、管线繁杂、紧邻交通主干道、水土压力大，研究选择一种适宜的支护形式确保基坑及周边环境安全就显得十分必要。

2 支护结构设计

2.1 方案选型

根据项目周边环境保护的要求，锚拉结构构件不得越地界进入既有或规划有建构筑物的下方，现场不具备进行锚索施工的条件，使得该项目基坑支护设计只能在桩(墙)+内支撑中选择或逆作法中选择。又由于本工程属于百院兴医工程，根据该市相关技术规定，本工程采用了结构抗震(隔震)措施，隔震垫设置在1层与地下1层之间隔震层上，局部设置在基础以上，不适用于逆作法施工。因此本项目基坑支护形式只能在桩+内支撑或墙+内支撑中选择。

由于建设场地地貌单元为河漫滩平原，勘察深度范围内主要为人工填土、粉土、粉砂、砾砂等。稳定水位为地面下2.30 m～3.85 m。其中粉砂、细砂层水具承压性，基坑深度范围内含有多层深厚透水砂层，基于场地附近类似基坑设计施工经验以及在建地铁2号线降水的情况，结合先期专家论证的建议，该基坑应做落底式止水帷幕。经对该市市场三轴水泥土搅拌桩和TRD工法桩调研，彼时尚不具备高质量完成37 m深止水帷幕的施工机械和工艺。经综合比选，最终确定采用地下连续墙(兼做止水帷幕)与内支撑组合支护的基坑支护设计方案选型。

根据《建筑基坑支护技术规程》及《建筑基坑工程技术规范》相关规定要求，结合本项目基坑的深度、周边环境条件、支护结构的重要性，综合确定基坑的安全等级为一级。

2.2 围护设计

围护结构采用地下连续墙。地下连续墙的厚度、深度根据成槽机的规格、墙体的抗渗要求、墙体的受力和变形计算等综合确定。本项目地下连续墙墙体厚度为800 mm，墙深度为40 m。墙体混凝土设计强度C35，抗渗等级P8级。地下连续墙槽段之间的接头采用锁口管接头，地下连续墙兼做止水帷幕。

本工程地下连续墙顶部设置封闭的钢筋混凝土冠梁将其连成整体，冠梁按与地下连续墙在迎土侧平齐的原则布置。冠梁的高度和宽度由计算确定，且宽度不小于地下连续墙的厚度，高度不小于地下连续墙厚度的0.6倍，经计算冠梁高800 mm，冠梁宽1 200 mm。地下连续墙嵌入冠梁的深度不小于50 mm[2-4]。

地下连续墙单元槽段的平面形状和槽段长度根据墙段的结构受力特性、槽壁稳定性、环境条件和施工条件等因素综合确定。单元槽段的平面形状有一字形、L形、Z形等。一字型槽段长度不大于6 m，L形、T形等槽段长度总和不大于6 m，对基坑边界土层条件复杂或相邻建(构)筑物条件复杂的施工场地，槽段长度适度缩短。

本工程地下连续墙主筋保护层厚度在基坑内侧不小于50 mm，基坑外侧不小于70 mm[5]。地下连续墙钢筋笼接头钢筋形状与施工接头相匹配，封头钢筋与水平钢筋采用焊接。钢筋笼两侧的端部与接头管(箱)或相邻墙段混凝土接头面之间留有不小于150 mm的间隙，钢筋笼下端500 mm长度范围内按1∶10收成闭合状，且与槽底之间宜留有不大于500 mm的间隙。

2.3 内支撑设计

内支撑系统分为水平支撑结构和竖向支撑结构。内支撑的数量应本着安全、经济、可行、环保的原则经研究计算确定。本工程经研究计算水平支撑结构采用三道钢筋混凝土支撑与地下连续墙共同支护的形式(见图2)，支撑位于基坑四周及中部，上下共分为三道，架设在竖向支承格构柱上。为方便施工及土方开挖，在基坑的第一道钢筋混凝土支撑梁上设有场地板。由于受到场地限制，回填土、拆换撑施工与主体结构施工进度不协调，本工程采用内支撑在主体施工阶段不拆撑，让主体墙、柱钢筋打眼穿过内支撑梁，并在适当部位设置换撑体系和加强板带来确保主体结构顺利施工。

本工程设计立柱与立柱桩均为坑内内支撑兼做主体结构竖向支承构件[6]。立柱插入立柱桩的深度根据现行国家标准现行《混凝土结构设计规范》计算确定，本工程取2 m；立柱在穿越底板位置采取可靠的止水措施。钢筋混凝土水平支撑、栈桥架设在格构柱上，立柱桩的基础为钢筋混凝土灌注桩，共97根。格构柱尺寸为500 mm×500 mm，格构柱长度为21.09 m，格构柱作为内支撑的承力结构，作为重要的内支撑节点联系，其垂直度、方向、角度指标的控制直接关系到内支撑的受力平衡和整体支护的稳定性、安全性。立柱桩采用钢筋混凝土灌注桩，施工桩径850 mm，有效桩长20 m，立柱桩身混凝土强度为C35。

3 施工关键工艺

3.1 围护结构施工

围护结构采用地下连续墙，地下连续墙施工严格控制槽段的划分、现场标记，标准槽段6 m长，异形槽段根据设计结合现场实际情况排布。成槽机械根据土质、水位、垂直度、深度、场地情况选择，本工程选择金泰SG50液压抓斗成槽机施工(见图3)。锁口接头管根据地下连续墙宽度、深度、承受混凝土的压力情况选择。混凝土接头刷壁效果满足规范要求，不得夹渣。

1)抓斗成槽机成槽时，要保证槽壁垂直度满足要求，抓斗两侧斗齿要确保抓进土中或都落于空洞中，以使得抓斗两侧斗齿在抓土时受力均衡。

2)锁口管起槽段定位、增长渗流路径长度、现浇混凝土模板的作用，首开幅为双雌槽段，两侧均有锁口管；标准幅为一雄一雌槽段，即有土的一侧用锁口管，已成墙一侧收口槽段无锁口管。在混凝土浇灌达到初凝时，由带液压千斤顶的专用支架顶板器配合吊车提拔，分段拆卸。

3)防止槽段接头夹渣造成渗漏水，需要在槽段与混凝土接槎部位采用刷壁器进行刷壁。通过在刷壁器内布设斜撑板，刷壁器在槽段中下放时斜撑板向两侧撑开确保刷子能紧贴接头，保证刷壁效果，刷到接头槽壁无附着物为止。

4)起吊异形钢筋笼时为防止笼体起吊过程中和吊放就位时变形，须增加钢筋笼整体强度、刚度，采取笼体加强措施：a.增加一榀纵向桁架；b.水平筋每隔3 m增加一道规格同主筋的加强筋；c.钢筋笼下部14.5 m范围内，横向桁架加密由4 m一道改为2 m一道；d.混凝土灌注腔加设C型桁架；e.每隔3 m增加一道直径25 mm加强拉筋等来保证异形槽段钢筋笼一次整体起吊不变形、提高安装的成功性和安全性。

3.2 内支撑结构施工

施工混凝土内支撑时，先将基坑土体开挖至某道内支撑梁设计底标高以上10 cm位置，然后采用人工方法清除支撑梁范围内的土体至支撑梁底标高以下2 cm处。此时人工整平梁底部区域再行支撑底模板和侧模板，底模板和侧模板均采用1.5 cm厚的竹胶板，侧模需要再采用钢管斜撑和对拉螺栓进行加固处理。在标高放样时，还需要进行起拱预抛高，这是因为混凝土梁在自重作用下会产生下沉，起拱预抛高形成类似预应力的状态抵消拆模后的下沉，增强其稳定性。围檩与内支撑、地下连续墙可靠连接，采用吊筋将围檩与地下连续墙连接，内支撑在格构柱节点处进行加腋，格构柱在梁底增加承托板，保证支撑梁受力均衡。

为了提高施工精度，保证立柱桩桩位正确和格构柱中心安装精度，在常规施工的基础上特意加工制作了格构柱安装定位辅助底架(见图4)，定位辅助底架采用10号槽钢制作，并在定位底架四边中心刻有“十字”线记号，用于对准护筒中心，用于对准X与Y支撑轴线，定位底架固定在地面上。定位底架四角处焊有钢板并各留一个φ28 mm螺孔，可与地面固定。

采用一台起吊能力不小于25 t的吊车来吊放格构柱，在格构柱上部位置布设吊点。格构柱缀板及角钢与钢筋笼主筋固定焊接。格构柱中心线应与桩基中心线重合，其误差不能超过5 mm，垂直度偏差小于1/300。焊接过程中，吊车始终吊住格构柱，避免其受力。下放时立柱各边与支撑轴线垂直或平行，到位后需准确调整格构柱的方向和标高，使其满足规范及设计要求[7]。

4 结语

深基坑工程的支护设计和施工是深基坑工程能否顺利建造的关键性环节，从某种程度上来说深基坑支护设计施工的成败会对深基坑工程安全、工期、经济和环境效益等产生巨大的影响。在复杂地质和环境条件下选择确定适宜的深基坑支护形式以确保基坑及周边环境安全更是显得尤为重要和必要。基于此，本文以××地下水位高的粉土粉砂易塌地层和复杂环境下的深基坑工程为例，对基坑支护系统包含的围护结构和内支撑结构设计及施工关键技术进行了较为详尽的研究和阐述。目前本文背景工程已顺利实施完成，据监测检测数据显示地下连续成槽、立柱桩成孔和立柱垂直度都满足设计要求，开挖后显示地下连续墙成墙质量优良，开挖过程对周边环境影响亦较小，说明本文背景工程深基坑实施效果良好。本文所总结积累的复杂地质和环境条件下深基坑支护设计施工关键技术及相关工程经验，可为后续类似地质环境条件下深基坑设计施工提供参考。