市政工程施工中深基坑施工技术研究

孟晓

（湖北省工业建筑集团有限公司，湖北 武汉 430076）

1 市政工程深基坑施工分析

随着我国经济的快速发展，城市建设速度不能满足人们的社会需求，很多城市建筑开始向地下空中发展。市政基坑工程大规模发展带来周边环境安全问题，市政工程深基坑大多处于建筑物道路等密集区，基坑开挖要保证稳定注意周边环境的保护，避免对邻近建筑物带来不利影响[1]。目前通过基坑工程设计可以计算支护结构变形受力，基坑施工中受工程地质条件限制难以形成通用理论，基坑实际变形与理论计算值出现较大偏差，亟需加强对市政工程深基坑施工技术的研究。

1.1 市政工程深基坑施工的影响

市政工程基坑开挖中要控制变形，严格控制支护结构变形减小周边地表沉降，土体自重应力释放改变基底地层的应力状态[2]。基坑开挖后支护结构在内外侧土压力差下产生侧移，支护结构竖向位移往往被忽视，导致支护结构体产生竖直向上的位移，对周边环境带来很大的危害。基坑开挖变形类型包括基底隆起与支护结构变形，基底隆起是引起基坑周围变形的重要原因。基坑变形受到土质与开挖深度等因素影响。图1 为基坑坑底弹性隆起。

图1 基坑坑底弹性隆起

市政基坑工程支护结构变形包括竖向与水平位移部分，基底隆起是上部土体突然卸荷使基底土体原始应力状态改变反应，分为弹性与塑性隆起，基坑开挖到一定深度发生塑性变形，基坑内外土体压力差增加引起基底周边地面沉降。基底隆起量估算包括分层总和法，经验法与数值分析法[3]。基坑开挖导致周边土体产生竖向与水平位移，不同位置建筑物产生变形，附加应力增加到一定程度建筑物产生裂缝。地表变形引起建筑物损坏包括均匀与不均匀沉降损坏，基坑开挖中建筑物受多种地表变形的影响，应对地表土体变形监控。建筑物允许变形指在自重作用下沉降控制标准。目前基坑工程发展成为集勘察设计施工监测于一体的综合学科，必须以工程地质等资料为依据进行基坑设计施工，市政深基坑工程大多位于城市道路管线密集区，对基坑变形提出严格的要求。

1.2 市政工程深基坑支护施工技术

我国城市地下工程建设起步较晚，随着城市轨道交通工程等大量建设，地铁轻轨等公共交通迅速发展促进建筑科技的进步，建筑深度大对基坑工程要求高，为建筑施工带来很大的困难。市政工程深基坑施工包括岩土工程勘察，基坑开挖与地层位移预测等，工程调查主要是确定岩土参数与地下水参数，支护结构包括挡土墙围护结构及土体加固等，支护结构设计要考虑地下水状况，提供施工设施场地等。基坑开挖支护施工包括土方降水与施工组织设计等。

市政深基坑工程支护方法主要包括明暗挖法，钻井法与注浆法等。明挖法施工简单经济安全，一些基坑可直接开挖，基坑深度大通常采用支护，城市地下工程发展初期主要采用钢板桩加井点降水满足基坑施工安全[4]。随着基坑深度的加大，支护技术出现挡土挡水与支承系统，常见深基坑支护类型包括直接开挖，挡水土支护系统与支承支护系统。挡水土支护系统包括深层搅拌支护，混凝土灌注桩与地下连续墙支护技术等；支撑支护主要是混凝土钢结构与锚杆支护技术。暗挖法适用于城市中不能采用明挖法地方，施工原则是管超前短开挖快封闭，用钢管超前棚顶导管注入水泥浆增强围岩自稳能力，先进行环状开挖预喷5cm 混凝土后喷30cm 形成初期支护。岩石中进行暗挖施工通常采用钻爆法。

目前基坑工程向大深度大面积方向发展，逆作法施工受桩承载力限制很大，如何降低沉降加快进度成为今后研究方向。目前有支护深基坑工程中大多以人工挖土为主，土钉支护方案实施充分运用喷射混凝土技术，湿式喷射混凝土逐步取代干式喷射混凝土。通过施加预应力法控制变形逐步推广，采用深层搅拌技术对土体加固成为控制变形的有效手段[5]。为保护地下水资源采用帷幕式支护，采用旋喷桩等工法构成止水帷幕。为避免软土地基底部隆起，可采用深层搅拌装对基底部土地加固提高强度。基坑工程发展是新支护形式出现带动分析方法产生。

2 市政工程深基坑施工支护技术设计应用

市政工程基坑变形分为围护结构与坑外地表沉降，基坑开挖后土体卸载导致产生水平与竖向变形，围护结构向坑内变形促使坑外土体向坑内移动，坑底隆起土体与坑外土体形成塑性联通区，坑外地表沉降与基底降水引起附加应力有关，基坑降水处理不当会引发流土管涌等渗透破坏，渗透力在坑内方向上，坑外土体向坑内移动导致地表沉降。市政深基坑工程支护施工技术包括悬臂式结构，土层锚杆支护，土钉墙与重力式结构等，需要根据工程实际合理设计选择支护施工方案。

2.1 市政工程深基坑支护施工方法

市政工程深基坑支护结构作用是承受水土水平压力，依靠支护结构进入土层部分水平阻力及拉锚支撑保护支护土壁稳定，保证基坑和基础结构施工安全进行。市政深基坑工程支护施工方法包括重力式支护，土层锚杆与悬臂式支护等。悬臂式支护结构选材包括钢筋混凝土板桩支护等，地下锚固部分结构可视为刚性悬臂静定结构，支护结构顶部无水平拉杆，支护结构在主动土压力推动下向左转动。深基坑支护土压力理论未正式提出，土压力计算与支护结构刚度等有关。

锚拉式支护结构选材与悬臂式支护相同，在顶部加设抗拉结构形成支护体系节约材料，拉结锚固结构应设在稳定区域内。土锚杆是在地下水墙面开挖土层钻孔扩大端部形成球状，灌入水泥浆与土层结合成为抗拉力强的锚杆。土层锚杆应用较多的为压浆式，土层锚杆由锚头拉杆与锚固体组成，锚杆材料包括钢筋钢管与钢绞线，钢拉杆单杆多用直径26mm 螺纹钢筋，锚固体多由水泥浆在压力灌注下成型。锚杆埋深应保证不使引起地面隆起与地基剪切破坏，水平间距1.0～4.5m，锚杆倾角不宜小于12.5°。单杆锚杆承载力通过抗拔试验确定，由锚固体与土体间的极限抗拔力确定。

2.2 市政工程深基坑支护选型结构设计

市政基坑支护方案设计要根据现场实际土质选择适合的支护类型，项目基坑支护选型关系到工期成本与安全。选用围护体系原则是安全可靠经济合理保证工期。合理选择基坑支护形式要结合实际土质情况决定，随着深基坑工程的大量出现，工程采用支护方法包括放坡开挖，钢板桩等类型。基坑支护是系统性强的工程，要充分认识支护结构的优缺点，支护结构设计要求保证安全下保证邻近市政管道沉降在规范要求内，全方位综合考虑才能合理选型。

基坑支护设计要充分考虑土体在开挖动态下应力重分布情况，预测失稳前兆制定相应的措施，承载极限力要控制模拟基坑位移变形量，通过相应的支护理论计算模拟分析安全稳定性。基坑选型设计包括结合土质性能选择支护体系，验算基坑支护体系涉及的稳定性等方面要求。不同地区工程场地应用土质差异大，土压力难以确定，土方开挖土体发生应力重分布，准确确定土压力对基坑设计计算非常重要。土压力大小是挡土墙设计的依据，按挡土墙位移将土压力分为主被动与静止土压力。目前土压力计算主要采用库伦理论，通过假设条件成立可以简化问题。深基坑支护种类较多，根据计算方法分为常规设计法及有限元法。

基坑支护结构悬臂式排桩内力计算静力平衡法根据土压力随着支护结构进入土体深度发生变化求出桩进入土体深度。计算板桩最大弯矩点为结构断面剪力为零点，布鲁姆计算法是将原来桩脚出现被动土压力被集中力E 代替的方式。基床系数法是将桩作为弹性地基的量，解法包括直接用数学法弹性挠曲微分方程求解及有限元求解。单支点排桩计算与顶端自由排桩简化模型计算方法不同，支点选择方式取决于桩的埋深。目前普遍应用弹性地基梁法将桩作为弹性地基梁，等值梁法是图解分析法的简化。平衡法前提是围护结构可视为简支梁通过力矩平衡求解法。单点排桩支护不能满足深基坑现场需要，为减少支撑桩的弯矩可设置多层支撑，要考虑设置多道锚杆固定，具体设置支撑层数根据现场土的类型，周边环境等因素确定。

3 市政工程深基坑施工控制技术

80 年代我国建造高层建筑基坑深度多为1～2 层，随着我国经济的快速发展，高层建筑地下室部分发展到3～5 层，无法满足支护结构的稳定安全要求，由于缺乏设计施工经验软基坑支护失效每年达1/4 左右。基坑失效模式包括坑底隆起，地基承载力失稳等。深基坑市政工程施工要加强动态监测，结合实际合理选择设计支护方案，加强对周边环境扰动施工的控制。

3.1 市政工程深基坑施工工艺方案

某广场规划用地面积9.33 万m2，建筑地上39.00m2，项目包括商业综合体，7 栋32 层住宅及底商。工程基坑分为大商业区与住宅楼区独立基坑，住宅楼区基坑面积3.2 万m2，工程基坑开挖深度以至承台底为准。根据场地工程水文地质等条件采用旋喷桩等支护形式。住宅基坑间窄长形土条部分采用两侧PHC 管桩。大商业区东西侧深基坑采用灌注桩+预应力锚索支护方式。基坑侧壁安全等级为1 级，道路及堆场荷载为20kPa。

市政广场基坑由商业区与住宅区独立基坑组成，大商业区基坑开挖深度介于9～18m，场地地下水初见水位埋深为2.3～4.4m。选取模型进行分析模拟，选取宽度170m 深30m 的土体为模型研究，假设竖直方向允许发生变形。图2 为支护结构模型图。基坑计算理论基础上假设用板单元代替挡土墙模拟分析。基坑土方开挖首先进行灌注桩与旋喷桩施工，然后设置锚杆与腰梁。分析土体有效应力随土方开挖过程发生变化，初始荷载加载影响下基坑内侧土体有效应力伴随基坑开挖深度增加。基坑土方开挖中土体相互作用力再平衡，模拟发现沉降区在基坑上部5～7m 的位置，后期土体稳定沉降值较小。

图2 支护结构模型

3.2 市政工程深基坑施工控制

市政深基坑工程通常处于建筑物道路等密集区，深基坑施工中土体应力场改变，基坑周边地表沉降影响基坑周边环境。计算机技术不断发展得到广泛应用，计算机强大功能推动深基坑工程的快速发展。深基坑开挖中周边环境安全与支护结构密切相关，支护结构位移与周边环境安全性存在关系，可利用控制支护结构变形法减小对周边土体的变形。在锚索与土体作用下，基坑变形与支护结构刚度等因素有关，合理确定锚索倾斜角等支护结构设计参数对减小基坑变形非常重要。

根据工程实际情况综合选用旋挖灌注桩，预应力锚杆等施工工艺。深基坑工程旋挖灌注桩桩径为0.8～1.0m，混凝土等级为水下C30。成孔设备就位后确保施工中不发生倾斜移动，采取措施控制机械钻孔深度。灌注桩混凝土浇筑关键部位是水位下部分，为提高混凝土浇筑质量要结合实际情况，考虑在水下混凝土配置时加入高效减水剂。工程基坑止水帷幕采用双重管高压旋喷桩长为10～16m，采用P.C 32.5 普通硅酸盐水泥为泥浆护壁，高压旋喷桩采用双重管施工法，空压机压力为0.7MPa。工程支护桩采用灌注桩，端部位移大为基坑支护带来不利影响，通过预应力锚杆固段埋置稳定地层限制围护结构位移。

4 结语

本文总结深基坑施工支护技术类型，对不同支护方案类比分析，确定安全可靠的支护方式。基坑开挖引起周边地表的沉降，基坑开挖深最大沉降点与基坑距离近，探讨相关因素影响下基坑周边地表变化规律；利用有限元软件建立基坑开挖数值模拟计算模型，发现桩体侧向变形存在明显空间效应。通过施工工程范例阐明深基坑支护技术适用范围，积极推广应用新工艺促进深基坑工程施工的发展。