深基坑支护及土方开挖施工关键技术分析——以某商业广场为例

郗建朋，魏鹏浩，彭 斌，李旭亮，马少雄，田 庆

（1.中铁一局集团建筑安装工程有限公司，西安 710054；2.陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714099）

近年来，随着我国社会经济的快速发展，城市建筑物在不断向高空发展的同时，地下空间开发利用也成为一个重要方向，如地下商场、地下停车场及地下车库等[1]。因此，在进行大规模地下工程开挖时，将会涉及大量的深基坑质量安全问题。据有关统计资料显示，目前我国深基坑工程事故的发生率达21.4%，有些地区甚至高达30%，因此深基坑安全施工逐渐得到重视[2]。胡园园等[3]针对深基坑安全监管的现实需求，设计了一种融合BIM 与知识图谱的深基坑施工安全风险识别框架，辅助实现基坑施工安全风险的智能识别；何燕等[4]考虑时间对事故发生概率的影响，找出工程施工安全薄弱点，并提出施工现场管理建议；刘毅等[5]基于TOPSIS 理论对各风险因素进行重要度排序，确定基坑施工过程中最为关键的风险因素；宋博[6]为明确地铁车站深基坑施工安全等级，考虑评价指标的非线性关系和复杂动态性，基于数据包络法（DEA）-反向传播（BP）神经网络，提出一种地铁车站深基坑施工安全评价方法。

通过对比分析，现有的研究多从理论视角出发，缺乏考虑工程施工的实际情况，不利于深基坑施工安全事故的有效预防与控制。基于此，本研究在理论研究的基础上，聚焦工程施工的实际现状。为保障施工安全，预防坍塌事故，在深基坑支护及土方开挖的过程中要确保地下结构、基坑周围环境的安全得到充分保障，进而提高建筑整体质量与安全。

1 工程概况

1.1 工程项目概况

拟建某广场项目总建筑面积约为15 万m2，其中，地下50 244.76 m2，地上100 577.02 m2。该项目的设计定位为商业服务项目。根据勘察报告，场地内地面标高介于390.81～393.06 m 之间。基底标高为377.10 m，现场地整平后标高为391.70 m，基坑开挖深度为14.60 m。

1.2 工程施工特点

本工程规划地下3 层，开挖深度约14.6 m，属深基坑作业。基础施工阶段，安全风险较大，基坑周边的防护和监测尤为重要。同时，土方开挖阶段可能会给周边居民楼及学校带来噪声污染。

由于土方开挖场地及土方量较大，基坑受土方外运、治污减霾及分层锚索施工等因素的限制，土方开挖进度缓慢；施工坡道采用外坡道出土方式进行出土外运，基坑土方作业时间长，土方开挖过程中基坑变形监测为施工重点控制项目；从安全、经济、工期和文明工地建设等方面综合考虑，本工程支护形式采用土钉+支护桩+旋喷锚索相结合的支护体系进行基坑周边支护。

1.3 基坑支护设计概况

根据基坑支护设计图纸，基坑外坡道采用支护桩+旋喷锚索的支护形式，根据坡道的放坡比例，进行支护桩高程的控制。

1）土钉设计。基坑支护0.0～2.0 m 采用挂网素喷，坡比1∶0.3，面层均采用双向φ6.5@200 钢筋网片固定后喷射80 mm 厚等C20 混凝土。

2）支护桩设计。设计支护桩长20.6 m，有效桩长20.00 m。桩径均为800 mm，桩中心距均为1 600 mm，共计368 根，混凝土强度等级为C30。

3）冠梁设计。冠梁设置与支护桩顶部，规格为800 mm×600 mm，延基坑四周通长交圈设计，与支护自成一体。

4）旋喷锚索设计。旋喷锚索设计分为2 种：①普通锚索。轴向拉力标准值为250 kN，预应力锁定值为200 kN，孔径150 mm，孔深24.0 m（自由段5.50 m，锚固段18.50 m），入射角20°。②轴向拉力标准值300 kN，预应力锁定标准值240 kN，为1×7 标准型3s15.2 钢绞线，孔径400 mm，孔深18 m，自由端6 m，锚固段10 m，入射角20°。采用PO.42.5 普通硅酸盐水泥浆进行注（喷）浆，水灰比0.5，浆体强度为M20。

2 深基坑支护施工方案

2.1 土钉支护施工方案

2.1.1 施工准备

在工程每一道工序开工前，需进行技术交底，使所有人员掌握设计意图和技术要求，以便合理地按工序、工艺要求科学地组织施工。根据施工图纸及现场情况部好土钉孔位，按照规范程序进行技术交底，技术交底均有书面记录及图表和签字，技术负责人向专业工长交底要结合关健部位的质量要求及注意事项等进行，要求细致、全面。钉墙施工工艺流程如图1 所示。

图1 钉墙施工工艺流程

2.1.2 土钉施工步骤

1）施工程序。施工前，对原材料进行检查，确保所采购的材料符合设计和规范要求，并附有产品合格证。基坑分层开挖深度不超过土钉所在位置以下50 cm，每次允许在距周边6 m 的基坑中自由开挖，在坡面分层进行喷、锚网作业，多余的土方倒入自由开挖坑中。采用分层成孔、注浆、挂网喷射混凝土，易塌土层每1 排孔喷1 次混凝土。

2）土方及刷坡。土钉墙必须有平顺的刷坡面，因此为保证坡面准确平顺，必须加强测量工作，以坑底边线及高程为基准，按设计坡率以3 m 一个断面测求地面边坡开口点，然后连成开口线，刷坡时根据开口线，先刷标准坡槽，再横向刷坡，并随时校验，确保深基坑的边坡准确平顺。

3）成孔。根据设计要求和土层条件，对定出的孔位作好标记，铲杆水平方向孔距误差不应大于50 mm，垂直方向孔距误差不应大于100 mm，孔底部的偏斜尺寸不应大于土钉长度的3%。土钉孔深不应小于设计长度，也不宜大于设计长度的1%。成孔结束后进行清孔检查，整理钻孔记录，经监理工程师验收合格后方可进行下道工序。

4）土钉的制作、安放。钻孔完毕后应立即安插土钉以防塌孔，组装前钢筋应平直、除油、除锈。钢筋的接头应采用焊接的搭接接头，焊接长度不得小于500 mm或30 d。沿杆体轴线方向每隔2.0 m 应沿杆体120°设置3 个对中支架，保证土钉居中。

5）土钉注浆。注浆前应将孔内残留或松动的杂土清除干净，检查注浆管有无破裂和堵塞，接口处要牢固，同时要用水引路、润湿输浆管道。注浆材料宜选用水泥浆，水灰比宜为0.38～0.45，一次拌合的水泥浆应随拌随用，在初凝前用完。注浆时注浆管应插至距孔底250～500 mm 处，孔口部位宜设置止浆塞及排气管。当孔口溢出浆液时，可停止注浆。

2.1.3 成品防护

土钉作业后进行土方开挖，挖土设备不得碰撞土钉，以免土钉应力损失。注浆后自然养护不少于7 d，待强度达到设计等级的75%以上时方可进行下层土方开挖，浆体硬化前，不能承受外力或由外力引起的土钉位移。喷射混凝土终凝2 h 后，应进行养护，养护时间不少于7 d。养护视当地环境采用喷水、覆盖浇水或喷涂养护剂等方法。

2.2 护坡桩施工方案

护坡桩施工按照桩位测放、机械钻进成孔、清除孔底沉渣、钢筋笼制作与吊安、混凝土灌注及破除桩头的工序开展。

1）桩位测放。根据城市坐标系统用全站仪引测场地控制坐标点及高程控制点，施放的各桩位点用长300 mm 的Φ20 钢钎贯入成孔，孔内灌入石灰、插入Φ8 钢筋作为标志。

2）机械钻进成孔。护坡桩成孔采用旋挖钻机工艺。在基坑内的4 个抽水井旁侧开挖6 m×4 m×1.5 m 的泥浆池，按照1∶3.3 比例进行开挖和放坡，土方开挖不得高堆于泥浆池四周，泥浆池开挖后立即进行安全防护。

3）清除孔底沉渣。旋挖钻机成孔达到设计孔底标高以上1.0 m 时，停止成孔，静置30 min，待孔内砂砾沉淀后再清理沉渣到预定深度。

4）钢筋笼制作与吊安。基坑内设置2 个钢筋笼加工场地，面积为45 m×30 m，用豆石敷面硬化。钢筋笼通长制作，主筋采用单面搭接焊，采用炮车单体运输，或用吊车四点吊、卸，采用20 t 汽车吊三点水平起吊，龙门架垂直吊装。

5）混凝土灌注。灌注的混凝土为商品混凝土，强度等级为C30，塌落度18～22 cm。灌注采用水下导管灌注法，导管直径225 mm，导管采用丝扣连接，每节长度2.5 m，导管顶部料斗容量大于等于1.0 m3。

6）破除桩头。混凝土终凝后，人工破除设计桩顶标高以上混凝土，并用松散砂石料保护桩头。

2.3 冠梁施工方案

凿除桩顶劣质混凝土至设计桩顶标高，然后将混凝土支撑底标高以上土体全部挖除，再进行混凝土冠梁的制作，工艺流程如图2 所示。

图2 混凝土支撑施工工艺流程图

1）测量放样。根据设计坐标计算钢筋混凝土冠梁中线交点坐标，计算成果经复核无误后进行测放，并报监理进行复核。在钢筋混凝土冠梁混凝土浇注前，将其顶面标高放样于模板面上，以控制钢筋混凝土冠梁顶面标高。待钢筋混凝土冠梁模板拆除后，检查钢筋混凝土冠梁的中心线和平整度、垂直度是否符合设计及规范要求。

2）钢筋混凝土冠梁钢筋绑扎。钢筋绑扎前应清点数量、类型、型号和直径，清理干净冠梁空间的杂物并对其位置进行测放后方可进行绑扎。钢筋的交叉点必须绑扎牢固，不得出现变形和松脱现象；钢筋接头采用机械连接方式，接头面积百分率不得超过50%。

3）模板支立。冠梁模板采用竹胶模板，模板支立前应清理干净并涂刷隔离剂，每次混凝土浇筑之前确保模板清洁光滑。模板安装必须正确控制轴线位置及截面尺寸。当拼缝大于等于10 mm 时要用老粉批嵌或用白铁皮封钉。为保证模板接缝宽度符合要求，应加强对模板的使用、维修、管理，模板支撑安装必须平整、牢固、接缝严密不漏浆。

4）混凝土浇筑。冠梁混凝土采用C30 混凝土，使用汽车输送泵分段分批浇筑，接头处新老混凝土接合面按施工缝要求凿毛处理，并将浇筑完预留钢筋上的残留混凝土及时清理干净，且其接头位置留在冠梁上。

5）拆模、养护。在浇筑完毕后的12 h 以内对混凝土加以覆盖并保湿养护。混凝土强度达到1.2 N/mm2前不得在其上踩踏或安装模板及支架。混凝土达到规定强度后，方可进行模板拆除，拆除模板时，需按程序进行，禁止用大锤敲击。

2.4 锚索、腰梁施工方案

锚索、腰梁按照锚索定位、机械就位、锚索施工、腰梁施工与安放的顺序进行施工。

1）锚索定位。采用水准仪分别在坑壁-3.50、-7.20、-10.7 m 标高确定多个点，用0.5 m 长Φ14 钢筋标定，并用线绳连接各点作为同层锚索标线。从任意2 桩中间确定锚孔位置后，再按1.60 m 间距延标线确定其他锚孔位置并用30 mm 长Φ6.0 钢筋定位。

2）机械就位。平整钻机就位场地，钻机距坡面1.0 m，调整钻机钻杆与坡面水平线垂直，用罗盘调整钻杆倾角达到12°和15°。

3）锚索施工。根据场地地层特点，土层中锚索孔采用螺旋钻成孔，卵石层中因套管回转钻进成孔较困难、速度慢，锚索孔采用旋喷锚索或螺旋锚杆冲击成孔、注浆方法。

4）腰梁施工与安放。腰梁采用250 mm×20 mm 钢板带，安装时应保证钢板带与护坡桩紧密结合。采用吊装设备对达到安装要求的施工段进行腰梁安置，定位前必须使用水准仪进行测量定位。安装到位，并对每段梁进行3 个点施加20%预张拉力后，方可去除吊装设备，然后及时进行其余锚具的安装和预张拉。

3 深基坑土方开挖施工方案

结合本项目基坑支护及降水施工蓝图，确定下口开挖边线及上口开挖边线，下口开挖边线为支护桩的内皮边线，上口开挖边线为垂直2 m 距离按照1∶0.3 的坡比进行放坡的水平距离。

3.1 施工工艺

考虑工期紧、任务重，根据现场场坪高程391.7 m（标高-0.2 m）下挖2 m 后进行围护桩施工，从上向下按照逐层开挖，严禁超挖的原则进行土方开挖。基坑开挖深度约14.6 m，每层开挖深度不得大于围护桩的腰梁位置3.5 m。按照测放开挖边线、测放场外坡道、首层土方开挖（2 m）、围护桩冠梁施工、第2 层土方开挖（1.5 m）、第一道腰梁及旋喷锚索施工、第3 层土方开挖（3.5 m）、第二道腰梁及旋喷锚索施工、第4 层土方开挖（3.5 m）、第三道腰梁及旋喷锚索、第5 层土方（4.1 m）及检查验收的顺序进行施工。

3.2 施工方法

1）标高控制。根据提供的水准点结合施工图纸的要求，在施工场地内较稳定的地方，设立2 个水准基点，用二等水准仪闭合与水准点联测，得出水准点的高程，作为本测区的水准基准点，根据2 个水准点，测设每层挖土标高。场区的高程控制网布设成闭合环线，对重点平面控制点及高程控制点使用砌砖及混凝土加固保护，并交好底，提醒车辆及行人注意。

2）开挖放线。依据提供的基坑开挖图坐标，结合桩锚支护体系方案，定出基坑上口开挖边线及下口开挖边线，用白灰线进行测放。

3）基坑排水。根据地质报告可知，场地地下水在13～15 m 位置，基坑开挖必须考虑基坑降水，在基坑四周及基坑底部设置降水井，同时在基坑顶部修筑300 mm 宽的排水沟，坡比2%，排水沟汇入集水坑中，由集水坑排入现场排水网，沟内壁用20 mm 厚1∶3 水泥砂浆抹面硬化。

4）基坑防护与开挖。由于基坑较深，土方开挖首先将基坑四周场地清理整平，严格遵循从上向下逐层开挖，严禁进行土方超挖作业。土方开挖应避开雨季，开挖过程中做好坑内滞水及大气降水的疏导工作，确保坑内不积水，开挖结束后应立即施工，使基坑暴露的时间尽可能短。土方开挖后应尽快进行桩基施工及地下工程施工。

3.3 土方开挖操作要求及检查要求

1）基坑的基土土质必须符合设计要求，并严禁扰动。

2）开挖时注意保护测量控制定位桩、轴线桩、水准基桩，防止被挖土和运土机械设备碰撞、行使破坏。

3）基坑（槽）挖到设计标高并钎探后，及时通知质检站、建设单位、监理、设计和勘察单位会同有关部门验槽，在监理签署验收文件并发布下一道工序开工令后，立即进行施工。

4 结束语

综上所述，在建筑基础工程中，深基坑属于工程施工的重点和难点，其不但影响工程质量与工期，还会影响周围环境与施工安全。对此，施工人员应严格遵循设计规定、事先充分做好应急处理预案、狠抓事故隐患防范排查工作、高效应用施工安全技术和完善安全管理制度等方式，使深基坑施工安全得到切实保障。