复杂环境下深基坑施工及监测关键技术

聂建国

山西省建筑科学研究院有限公司 山西 太原 030001

城市建设的快速发展推动着地下空间开发利用的高速发展，而深基坑的顺利安全建造是利用开发地下空间的前提和关键。随着地下空间开发利用规模的增长，深基坑开挖的深度和规模亦越来越大。深基坑工程施工动态平衡贯穿整个建造施工过程，土层应力分布、坑底土体的隆起、支护体系与周边建（构）筑物变形等都随施工工况推进而动态变化和平衡。深基坑工程技术风险大，施工工艺复杂，施工工况具有不确定性，加之我国幅员辽阔，不同地区不同土层力学特性差异较大，所引起的基坑变形也有较大差异。基坑工程很大程度上会受地质条件的影响，使基坑工程具有独特的地域性特点。因此，我国深基坑工程技术一直都处于不断发展和完善的过程中。

深基坑施工涉及的施工工序主要有围护、加固、支撑、降水、开挖等。其中，安全风险和对环境影响表现最为突出的阶段则是开挖施工阶段。从某种程度上说，深基坑成功建造的关键即在于深基坑的顺利安全开挖。在地下水位较高的场地进行深基坑开挖施工，施工过程中会采取必要的降排水措施，而降水会不可避免地导致局部水文地质条件发生变化，进而对周边环境造成较大的影响。在地质水文和周边环境复杂的区域，深基坑工程能安全实施的一个关键环节即在于降水和开挖施工的顺利进行。在深基坑施工过程中，通常采取信息化施工的方法来对基坑施工安全风险和环境影响进行预防和控制，而现场监测目前是实现信息化施工的关键手段。基坑施工过程中引发的土体形状、环境、邻近建筑物、地下设施变化的监测也已成为工程建设不可缺少的环节[1-6]。基于此，本文以山西太原某具体工程实践为例，对其深基坑施工过程中的关键环节—降水施工和开挖施工进行研究和探讨，并结合现场监测数据检验其施工效果和环境影响程度，在确保背景工程深基坑对环境低影响和顺利安全实施的同时，还可为类似地质或环境条件下的深基坑施工提供借鉴。

1 工程概况

1.1 工程简介

背景工程为山西省某医院门急诊楼项目，3层地下室，基坑普遍区开挖深度为18.09 m，局部深坑深度为21.29 m。基坑西侧为新建路，南侧为双塔西街（图1），南侧和东侧地下还有多条市政管线，周边影响范围内的环境较为复杂，距离红线最近处为4.7 m，距离既有建筑最近处为5.1 m。

图1 工程位置示意

1.2 岩土与水文条件

背景工程场地地勘显示地貌单元属于河漫滩平原。在勘探深度范围内，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：①杂填土、②粉土、③粉砂、④粉土、⑤粉砂和粉质黏土、⑥粉土、⑦细砂、⑧粉土、⑨砾砂、⑩粉土和卵石土、粉土。其中，⑥粉土层层底埋深介于16.78～18.74 m，⑦细砂层层底埋深介于20.32～22.22 m。背景工程基坑普遍区深度18.09 m，局部深坑深度21.29 m，可知普遍区基坑坑底位于⑥粉土层，局部深坑的坑底则位于⑦细砂层，基坑范围内主要为粉土、粉砂等易塌地层，地质条件较为复杂。

勘察报告显示地下水类型上部为潜水，主要位于第②层粉土中，以基坑北面的河流侧向径流和大气降水补给，水位水量会随季节性有一定变化，地下水位年内变幅在0.5 m左右。在勘察期间，地下水平水期实际测得稳定水位的埋深为现状地表下2.30～3.85 m。

本项目地质和环境条件均较为复杂，根据行业标准JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》和山西省DBJ04/T 306—2014《建筑基坑工程技术规范》相关规定要求，确定本工程基坑安全等级为一级，如何确保基坑安全顺利实施和在基坑实施过程中降低周边环境影响显得尤为重要。

2 施工关键技术

2.1 降水施工

由于本工程地下水位高，基坑开挖施工涉及的地层主要为粉土、粉砂，局部存在淤泥质黏土，加之土方开挖时处于雨季，根据基坑施工进度进行地质降水、排水施工对土方顺利开挖十分必要。在基坑施工前根据所提供的地质水文资料、基坑支护设计方案和周边管线建（构）筑物等环境设计制定降水方案。

本工程围护结构采用地下连续墙，地下连续墙同时起到止水帷幕的作用，坑外地下水被地下连续墙挡在基坑外部。坑内土体中所蕴含的地下水采取疏干降水。基坑中部的疏干井选用大口径管井。基坑开挖过程中，局部区域还可采取明沟排水来确保基坑内不受或少受地下水的影响。

基坑开挖前进行疏干降水，降水范围和时间由基坑面积、土方开挖受影响的深度等综合确定。基坑分层、分块开挖前，坑内水位降至开挖面以下0.5～1.0 m。基坑外部还应设置地表排水系统，以防止基坑外地表水流到基坑内部。地表排水系统主要由集水井和排水沟等组成，排水沟通常与止水帷幕或围护结构的净距在0.5 m以上，排水沟还应设置有防渗措施，以防地层和围护结构位移引起水沟开裂，地表水渗入坑内。基坑内明水通过排水明沟或排水暗沟来疏导，集水井中的水采用抽水设备抽至地面。

降水井井管采用φ273 mm钢管，壁厚4 mm，滤管孔隙率不小于15%，滤水管采用桥式包网滤水管。主楼降水深度17.59 m，井深27 m，降水井60口。附属楼降水井东侧为3口，井深为13 m；西侧为3口，井深为19 m。观测井井管为φ110 mm的PVC管，井深22 m，19口；回灌井井深20 m，16口。

疏干井井管口高出地面0.3 m并加井盖。疏干井内安装扬程满足要求的潜水泵，用钢丝绳悬吊潜水泵于井内，采用塑料胶管进行连接，抽取地下水到周边排水沟内，当现场抽水量大的时候，适当加大潜水泵的流量，将抽出来的地下水通过排水沟排走，并避免发生水污染。疏干井要保持连续集水，不能出现水位忽起忽落的情况。坑内疏干井井管随着施工中的基坑开挖进度逐步拆除。

为防止地表水流入基坑，冲刷边坡，基坑周边沿支护结构顶部砌筑高30 cm的挡水墙，挡水墙使用混凝土浇筑。基坑上口线均1 m翻边，翻边做法同边坡，翻边向外做2%泛水。开挖至基坑坑底后，在基底肥槽内设置下口宽度为300 mm、上口宽度为400 mm的明排排水沟，排水沟与疏干井相连，并向疏干井方向做成0.5%的坡度，同时配置25 m以上扬程的潜水泵来进行抽排水。

2.2 开挖施工

本工程地质以粉土和粉砂易塌地层为主，基坑开挖深度较大，其地下水位也较高，相应的开挖施工过程中释放的水土压力也较大；紧邻交通主干道，周边建筑物密集，施工场地受限，无法进行放坡开挖施工，在基坑内设置内支撑，基坑开挖施工需要和内支撑施工交替进行。

本工程基坑开挖施工的工序如下：场地平整→降水→土方开挖→内支撑施工→内支撑支护闭合体系完成→支撑强度达设计要求的80%后开挖下部土方→内支撑施工→水平倒运配合垂直抓铲出土→基底平整、验槽→基础施工。

本工程设计支护结构为采用地下连续墙与3道钢筋混凝土内支撑形式，土方开挖按设计要求以形成闭合体系为原则施工。如图2所示，按施工、设计实际情况将支撑5、支撑4划分为第1个闭合段，支撑4、支撑3划分为第2个闭合段，支撑3、支撑1、支撑2划分为第3个闭合段。

图2 开挖分块示意

土方开挖方式为第1步大开挖后做第1道支撑。先将基坑土体开挖至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，在梁底部人工整平后支撑架设模板施工内支撑梁。待内支撑梁闭合体系强度达到设计强度的80%后开始掏挖下部土方，支撑、土方交替作业，降水工作持续进行，第2—第4步土分平台分段分层均衡对称由北往南按闭合支撑体系退台开挖，不同规格挖机、装载机、抓铲（最后土方外运）、自卸汽车配合施工。

3 监测关键技术

本工程基坑深度大、周边环境复杂、建筑物密集、管线多、紧邻交通主干道、土体位移动态变化、内支撑受力等影响复杂，必须采取信息化实时监测来保证基坑及周边环境安全。根据现场实施监测的数据进行分析，得出支护体系和周边环境的变形规律，再结合某些控制性指标来判断基坑施工过程是否稳定和安全。将监测数据实时动态反馈到施工的各个环节，当出现安全或环境风险时，及时采取针对性的技术措施，确保基坑信息化施工能落到实处。

为了满足实时监测的需求，提高基坑施工变形监测工作的信息化程度，对监测数据进行及时、充分的利用，过程中做好基坑支护、土方开挖、拆换撑、主体结构、回填土等施工阶段监测记录，尤其需要对地下连续墙顶水平位移、围护墙侧向最大位移、坑外地面沉降、邻近建筑物位移、围护墙顶沉降、地下管线位移、支撑内力监测、地下水位、立柱隆沉等项目进行监测，保证土方开挖、拆换撑阶段内支撑应力变化正常，防止基坑变形影响周边环境。监测记录数据反映，在各个施工阶段数据变化均在可控范围内，变化速率趋于稳定，从监测变化情况也反映出整体支护合理、可行。

鉴于论文篇幅所限，监测数据众多，无法一一罗列分析，监测过程亦不再赘述。根据安全等级为一级的基坑监测要求，本文节选基坑监测中最为重要的2个指标—支护结构的水平位移和影响范围内邻近建筑物的沉降监测数据来检验基坑实施效果。根据山西省地方建筑规范DBJ04/T 306—2014《建筑基坑工程技术规范》和设计要求，支护结构的水平位移监测报警值为2～3 mm/d、累计值为20 mm，基坑开挖影响范围内邻近建筑物的沉降监测报警值为1～3 mm/d、累计值为30 mm。

实测数据表明，支护结构最大水平位移为9 mm，邻近建筑物最大沉降为27 mm，水平位移和沉降最大变形速率都小于1 mm/d，累计变形值和变形速率均在规范和设计要求的报警控制值之内，说明本工程复杂环境下深基坑在安全顺利实施的同时，对周边环境的影响也较小。

4 结语

深基坑施工安全风险和对环境影响最大的阶段是开挖施工阶段，在地下水位较高的水文地质条件复杂地区，深基坑降水和开挖施工成为影响工程顺利实施的关键环节。为确保深基坑施工过程安全顺利，需运用现场实时监测手段对施工过程中引发的土体形状、环境、邻近建筑物和地下设施变化等进行预防和控制。基于此，本文以山西太原某具体工程实践为例，对其深基坑施工过程中的降水、开挖施工进行研究，并结合现场监测数据检验其施工效果和环境影响程度。目前工程已成功建造完毕，现场监测结果表明，在工程基坑实施过程中，支护结构水平位移、邻近建筑物沉降累计变形值和变形速率均在规范和设计要求的报警控制值内，说明本工程复杂环境下的深基坑在安全顺利实施的同时，对周边环境的影响也较小。