房建工程超大深基坑的设计与施工

许兴杰

（中铁二十二局集团电气化工程有限公司，北京 102300）

0 引言

随着城市化进程的加快，城市土地资源日益紧缺，为满足城市交通、商业、停车等功能需求，开发大型的地下空间成为必然趋势。地下轨道、车站、停车库、商业、仓库、民防工事等不断出现，且开发数量和规模也迅速增长，一些一线大城市已经进入城市空间立体开发阶段，地下空间的开发利用成为未来建设发展的重点领域。在此背景下，大批超大深基坑工程也随之而来。这些超大深基坑往往位于大城市的枢纽中心位置，工程项目的周边密布着众多建筑设施、地铁隧道、主副干道、地下管线等等。施工条件复杂，对周边环境的保护要求很高，再加上施工场地有限、施工周期紧张，进一步增大了超大深基坑工程的设计和施工难度。因此，亟需进一步加大对该问题的探讨，不断优化基坑工程的设计方法、施工手段和监测技术。

1 项目背景

在基坑支护开挖设计过程中，我们需对地质、地下水、周边交通、临近建筑物等进行详细的分析测算，方可制定科学合理、工期可控、安全可靠的工作方案。本文重点围绕基坑在设计、施工时遇到相关问题时的应对措施和实施方案进行论述。

本文是依据“中国铁建·明月府邸项目4号地块项目”为背景进行分析和研究；该项目建筑面积136074㎡，地下建筑面积40551㎡。共计13栋住宅楼，其中22#、24#楼为30层，29#、33#楼为32层；23#楼为9层；25#、26#楼为6层；27#、28#、34#楼为4层；30#、31#、32#楼为3层。基坑开挖长约210m，宽约172m，基坑的深度12m。根据地质勘察报告，施工场地范围内25.00m深度内的地层按土的物理力学性质及时代成因划分为5层，土质分别杂填土、黄土和粉质黏土。宗地内的地下水属孔隙潜水。该地区地下水稳定水位深度在16.50m～22.0m。地下水主要来自降雨和地表水渗入补给，排水措施主要是人工导流排水和蒸发为主。由于地下水位位于基础底板以下，本项目不需要采取降水措施。

2 超大深基坑围护方案设计的影响因素

城市中建筑物的基坑支护设计至关重要；设计时需要综合考虑基坑周边建筑物、周边道路交通流量、当地气候条件、地质情况、地下水文、地下管线、施工工期以及优化施工方案，节约成本使项目经济效益最大化。施工前在调研相关数据的同时，对地质条件进行勘探获取参数为首要任务，在进行基坑方案设计和围护施工时，现场的地质情况和水文特征、周边环境对基坑都有不同程度的安全影响，而且不可控因素较多。提取地质勘探参数和地下水文数据工程量大、信息复杂，处理数据较多，而且对业务人员素质要求较高。然而数据的正确率直接影响支护方案设计的可靠性、可行性和经济性。

通过对该项目的周边环境和施工特点进行分析，该项目存在道路结构和建筑物结构，且地下障碍物较多，给维护方案的设计与施工带来了很大影响。首先，周边的建筑物使整个项目地块不能全面同步施工，项目地块内的障碍物较多，给项目的统筹开展增大了难度；再加上附近地铁施工，对整个工程的施工车辆行走路线和施工时间节点造成约束。其次，场地条件较差影响基坑开挖和结构施工运行，本工程基坑较大，周边的便道条件恶劣，增大了基坑场布策划的难度，可用的施工场地十分有限。最后再加上气候影响因素，结合基坑施工影响，都会对超大深基坑围护方案的设计与实施形成较大障碍。

3 超大深基坑围护体系特点和方案设计思路

3.1 基坑工程的特点

基坑围护体系是临时性的结构，与永久性的结构相比，基坑在设计时考虑的安全储备都比较小。因此基坑工程具有较大的风险性，对设计、施工和管理的各个环节都提出了更高的要求；同时基坑工程具有很强的区域性，它对场地工程地质条件和水文地质条件要求均很高，几乎每个基坑工程都有特殊性，它与周边环境条件密切相关，在城区和空旷地围护体系的差别也很大。在基坑设计时不仅涉及到土力学中稳定、变形和渗流三个基本课题，而且基坑围护结构受力复杂，基坑空间形状多变，所以要求设计人员不仅应具有很好的岩土工程分析能力，还应具有很好的结构工程分析能力。另外基坑围护体系的变形和地下水位下降都可能对基坑周围的道路、地下管线和建筑物产生不良影响，严重的可能导致破坏。基坑工程设计和施工一定要在重视环境效应的同时也要加强实时监测并实现智慧工地。

3.2 基坑设计的前置条件

基坑的设计受部分条件的限制，需提前了解和熟悉周边环境和地质地下情况；依据地质勘察报告掌握地块内的地层分布、地下水水位及分布和来源；调研周围交通、建筑物、地下建筑及管线，并结合工期及当地气象条件设计基坑围护方案和降水措施。

3.3 基坑支护体系选型

深基坑围护的方法包括板桩式围护、深层搅拌桩、钢板桩、内支撑和地下连续墙等等。目前深基坑的围护应用较多的是排桩、地下连续墙、水泥土重力式围护墙、土钉墙等，同时支护结构上部的支撑也多种多样，目前应用较广的包括钢筋混凝土内支撑、型钢混凝土内支撑、型钢内支撑及锚拉等。

3.4 基坑的降排水设计思路

地下工程在施工过程中，控制地下水，防止地表水是基坑设计的重点工作之一。在基础施工时必须将水位降低至基底地面0.5m以下的高度，在施工时我们只能选择集水明排、截水、人工降水。地表及基坑明排都较为简单，但地下水排除方案需根据基坑的实际情况、周边环境、地质条件进行设计，设计不妥容易导致周边建筑物及围护体系发生变形，而目前常用的排水方式主要有轻型井点、多级轻型井点、喷射井点、电渗井点、真空降水管井、截水、井点回灌技术。各种技术所对应的排水深度及地质条件各有不同。

3.5 基坑的监测及智能化应用

3.5.1 基坑监测的必要性

在施工过程中无法避免对周边土体、环境、建筑物及地下设施的扰动，然而过程监测已经成为必不可少的重要环节。在一些复杂的围护体系中，因涉及的方面和考虑的问题较多，在综合分析时无法从理论的角度测算出定量分析数据，只能依赖现场实时监测。通过传统监测方式和现代预埋电子感应设备进行数据统计和分析，为基坑围护结构险情提前预警。

3.5.2 基坑监测的目标

在基坑开挖和施工过程中，必须要安排经验丰富的工程师进行巡视观察，主要是对支护结构顶部、邻近建筑物及邻近地面可能出现的裂缝、塌陷和支护结构工作失常、流土、流沙、渗漏或局部管涌等不良现象的发生和发展进行记录、检查和综合分析，发现问题，及时通报。当监测数据出现以下情况时要加强监测，提高监测频率，进行数据分析：

（1）监测数据达到报警值；

（2）监测数据变化量较大或者速率加快；

（3）存在勘察中未发现的不良地质条件；

（4）超深、超长开挖或未及时加撑等未按设计施工；

（5）基坑及周边大量积水、长时间连续降雨、市政管道出现泄漏；

（6）基坑附近地面荷载突然增大或超过设计限值；

（7）支护结构出现开裂；

（8）周边地面出现突然较大沉降或严重开裂。

3.5.3 基坑监测的手段

在基坑监测过程中，对一些常规的建筑物或临时构筑物在水平和垂直方向的监测主要采用全站仪和水准仪。为实现智能化，在一些关键监测方面我们需依靠斜侧管、安装钢筋计、锚杆轴力计、土压力盒、孔隙水压力计，运用传感器进行全自动采集，通过采集和无线传输系统实现远程监控，形成智能化工地。

3.5.4 智能化应用

目前基坑支护单元计算设计软件及基坑数字化远程监控软件较多：如理正、同济曙光等，运用计算机软件计算，不仅可以从基坑支护结构的平面布置、内支撑设置，到支护结构的空间分析、配筋计算、构件归并、计算书及施工图的生成，全过程实现了计算机化。计算理论先进、有效解决工程难题、降低工程造价。同时它可以实现基坑数字化远程监控。在基坑施工监测的基础上，对基坑关键部位的受力、变形采用全自动监测，并可以建立数字化的施工安全监控系统，实现监测数据的网络化、可视化及安全预警。项目监测智慧化实现了基坑变形和受力关键部位全自动实时监测，可以通过Internet能随时随地访问监测数据，实现监测数据可视化，并能完成监测数据的自动安全预警。

4 基坑围护结构常见问题的分析和应对策略

基坑围护结构作业面大、范围广，在监测和勘察时总会有考虑不周的地方，所以它的不确定性较多。同时地层下面的东西我们无法通过肉眼能观测和全面判断，从而再万全的围护方案也隐埋着不同的危险源。在施工过程中因风险源引起最多的问题主要有支撑失稳、基底隆起及突涌、围护结构渗漏水、基坑边坡坍塌、周边建筑物变形及裂缝。

4.1 支撑失稳

4.1.1 原因分析

造成支撑失稳的原因主要有3个方面：（1）支撑轴力超过设计轴力，导致支撑失稳；（2）支撑与围护结构接触不密实、牢固，导致支撑受力偏心滑移失稳；（3）支撑受到外力撞击失稳。

4.1.2 应对策略

支撑失稳危险性比较大，会导致支撑滑落伤人和危及基坑安全，甚至造成大的安全事故。为了防止支撑失稳，基坑开挖前组织一定的钢支撑备用，一旦出现支撑轴力过大现象，超过了轴力预警值，迅速增加支撑数量，分散支撑轴力；防止吊装物品和挖掘机碰撞钢支撑。严格控制开挖顺序，合理安排、协调施工，掌握好“分层、分段、分块、对称、限时”五个要点，并遵循“竖向分层、水平分区分段、开挖支撑、先撑后挖、严禁超挖、基坑底垫层要求随挖随浇”的原则进行施工。土方开挖过程中，机械设备行走路线安排专人指挥，严禁碰撞支撑系统；夜间施工设置足够照明灯具，保证工作面无阴暗死角；钢立柱四棱边涂刷夜光警示漆进行标识。

4.2 基底隆起及突涌

4.2.1 原因分析

隆起是由于上部土体被挖掉，导致基底上部土压力荷载消失，基底以下土体的原有压力释放，使土体向上鼓动。突涌是基底下承压水冲破其上部土体，发生水及砂子涌向基底表面。

4.2.2 应对策略

为了防止发生突涌和减少基底隆起，基坑开挖前做好基坑排水，加强对微承压水位的观测，提前计算承压水顶部土体的重量，根据承压水头压力核算抗浮安全性。当挖到基底以后，及时组织垫层施工，将基底进行封压，减少基底反弹。发生基底突涌时立即停止开挖，撤出施工人员和机械，严禁重型机械靠近。在突涌处先用草袋、砂袋分层交替进行压堵，减少透水量，防止砂子流失，然后对突涌处注双液浆进行封闭加固。在突涌发生后，组织在基底处挖简易排水沟，在沟内铺设塑料布，将涌水引到旁边，用水泵及时抽走，防止基坑内出现大量积水。

4.3 围护结构渗漏水

4.3.1 原因分析

围护结构局部没有实现完全封闭，存在透水通道和薄弱环节，当基坑内土方挖掉后，在基坑内外压力差的作用下，坑外地下水冲破阻力渗入或涌入基坑。止水帷幕设计深度不够，与土层接头不密实，开挖后地下水渗入或涌入基坑。

4.3.2 应对策略

（1）严格控制止水帷幕施工质量，确保止水范围、深度及效果达到设计预期效果；（2）基坑先撑后挖，开挖时对称、均衡，逐步释放土体应力，使支撑体系均匀受力，防止因支撑内力不均衡导致围护结构开裂渗水；（3）土体分层开挖，开挖过程中加强现场巡视，一旦发现侧壁存在渗漏现象，立即停止该处开挖施工（水量大时，堆砂袋加压），依据“截、堵、疏”原则，对渗漏部位进行处理，完毕后再进行开挖施工；（4）止水帷幕以下开挖一层，挂网喷锚一层，及时对侧壁进行封闭；（5）设反滤层及泄水孔，按照设计要求布置孔位，确保泄水孔不堵塞。

4.4 基坑边坡坍塌

4.4.1 原因分析

边坡坍塌主要原因：（1）边坡放坡不合理；（2）在进行边坡混凝土封面时未设置泄水孔或泄水孔数量不足及堵塞；（3）基坑上面周边范围内未进行混凝土硬化封闭，周边的截排水措施做得不到位。

4.4.2 应对策略

基坑开挖时严格按照设计放坡要求开挖，同时在基坑上方周边范围内做好相应的硬化和截水及排水措施；在进行边坡表面喷射混凝土时按照设计要求做好泄水孔的设置并确保不能堵塞。

4.5 建筑物变形及裂缝

4.5.1 原因分析

周边建筑物变形及出现裂缝的原因：（1）在基坑支护或者是桩基施工时，因工艺要求，所产生的震动使周边土体发生变化；同时有可能因场区地下水潜水对混凝土结构具弱腐蚀性，对混凝土结构中钢筋在长期浸水和干湿交替作用条件下均具弱腐蚀性，场区地下水承压水对混凝土结构具微腐蚀性。在施工中受震动作用，结构发生变化。（2）因土方开挖后，支护体系对土体的作用力不足，导致土层发生变化，建筑物下部结构受力不均，产生了裂缝。（3）在进行降水时，降水措施不到位，致使周边建筑物下部的土体塌陷。

4.5.2 应对策略

在桩基础施工时，合理地选用钻进方式，避免选用震动较大的施工工艺；对于结构体系，在有位移时做好内撑或者进行钻孔锚拉；针对因降水措施导致的地下水位降低，地层下陷的情况，合理地做好井点回灌。对已产生地层裂缝时，及时地停止作业，进行水泥灌注。

5 结束语

随着地下空间的开发进程加快，基坑的设计及施工的重要性日益凸显。基坑施工是建筑工程项目的龙头，俗话说基础不牢，山动地摇。而且基础及地下施工在项目的造价中也占据了一大部分，一个好的基坑围护方案不仅节约成本，还消除了工程中最大的安全隐患。积极地运用软件设计不仅避免了人工测算的错误及考虑不周，同时实时监测系统的应用也提高了监测水平和监测效率，并能提前对无法人工量化的预测提前警报。同时智慧化工地的建设已成为下一阶段建筑业发展的主流方向。智慧化工地的推广已迫在眉睫，它是建筑业向现代化、科技化发展的必要手段之一。