复杂环境及地质条件下深基坑开挖及支护施工工艺研究

2024-04-04郑永振中铁十四局集团有限公司山东济南250000

中国房地产业 2024年9期

文／郑永振中铁十四局集团有限公司山东济南 250000

引言：

随着城市化进程的加速推进，深基坑施工深受越来越多的专业人士喜爱，成为工程建设中的重要组成部分。然而，由于城市地质条件的多样性以及基坑深度的增加，深基坑的施工面临着日益严峻的挑战。不同地质条件对基坑工程的影响，使得传统的开挖和支护工艺在复杂环境中显得力不从心。因此，有必要深入研究超深基坑施工工艺，以应对复杂环境和地质条件带来的技术难题。以下为中铁十四局旗康苑项目的工程基本概况：

拟建场地位于东莞市长安镇兴隆街新溢眼镜制造厂附近，拟住宅楼4 栋，幼儿园1 栋及1 层商业都，地下室2层，西北角处为局部负一层地下室。计划采用框架结构作为结构型式，而在基础设计上打算采用灌注桩基础。基坑占地面积约14185 m2，周长约515m。建筑±0.000 标高为4.5m,负二层底板面绝对标高为-4.45m，底板厚度为600mm，底板垫层底标高以绝对标高控制为-5.15m，根据地形设计整平后考虑到底板垫层底标高开挖深度7.65～9.25m。

1.深基坑开挖及支护的重要性

随着城市化进程的加快，高层建筑、地下交通、市政基础设施等项目的建设需求不断增加，这些项目往往需要开挖深度较大的基坑以满足空间需求。然而，深基坑开挖过程中，土体稳定性、地下水控制、周边建筑物及地下管线保护等问题日益突出，对施工安全和环境保护提出了更高的要求。因此，为了确保基坑工程的安全、稳定和环保，基坑开挖的形式选择以及支护技术的应用对于提高工程质量、降低施工风险等都具有重要的意义。同时，还能够确保人民群众的生命和财产安全。

2.深基坑开挖及支护施工工艺

2.1 地质勘察

深基坑开挖及支护施工工艺中的地质勘察是一个关键环节，其目标是为即将进行的工程提供可靠的地质基础和设计参数，以支持基础的设计和施工。在详细勘察阶段，需要查明以下内容：

（1）场地地形、地貌：了解场地的地形起伏情况，包括地势高低、山脉分布等，以便确定基坑开挖的范围和深度。

（2）不良地质作用的类型、成因、分布范围、发展趋势和危害程度，及整治措施：查明可能存在的地质灾害，如滑坡、泥石流等，评估其对基坑开挖和支护的影响，并提出相应的整治措施。

（3）岩土层的结构、性质、分布特征及其物理力学参数：通过取样测试和现场观察，了解地层的结构和性质，同时分析其分布规律，进而计算出岩土层的承载力、压缩模量等，为基坑开挖和支护的设计提供依据[1]。

（4）埋藏的河道、沟浜、墓穴、防空洞、孤石等对工程不利的埋藏物：查明可能存在的埋藏物，评估其对基坑开挖和支护的影响，并采取相应的处理措施。

（5）地下水埋藏条件、地下水水质及其对建筑材料的腐蚀性：了解地下水的埋藏条件和水质情况，评估其对建筑材料的腐蚀性，为基坑开挖和支护的设计提供参考。

通过地质勘察，可以对场地地层的稳定程度、地下水的情况进行评价。同时，还可以评估基坑开挖和支护对场地稳定性的影响。

地质勘察还需要提供基础设计及施工所需的岩土力学参数，包括承载力、压缩模量等，以及基坑设计和施工所需的岩土力学参数。根据地质勘察结果，可以提出经济合理的设计方案建议，包括选择合适的基础类型和支护方式。

2.2 基坑土方开挖施工

2.2.1 土方开挖

在进行基坑土方开挖时，应注重区域划分，采用分层、分段的开挖形式，过程中注意对称。均衡和实时原则。基坑整体可以被分成两个主要部分，就像一个“外圈”和一个“中心”区域一样。“周边区”是指支护工作区，其范围约为支护底边线向坑内延伸10m。在这个区域内，需要进行支护工作，以确保基坑的稳定性和安全性。“中心区”则是相对自由开挖的区域。在这个区域内，土方开挖单位可以自主进行开挖工作。在开挖过程中，需要按照一定的顺序进行退挖。首先，从“外圈”向“中心”方向进行退挖。出土通道应留在东北角，并通过预留的出土口进行出土。最后，再对出土口进行开挖和支护工作。通过这样的方式，可以确保基坑的开挖过程安全有序，并且能够最大程度地减少对周围环境的影响。

图1 土方开挖出土

为确保基坑施工的安全性和有序进行，在挖基坑的外围区域，土方开挖应严格按照施工要求进行施工，并绝对不得超挖。采用直立开挖形式的基坑，为了确保基坑各个部分受力均衡，需要按照直立支护段的要求，在基坑周边区进行分层、对称的开挖。对于带有支护桩等支护体的基坑，开挖一层就进行一层支护，且每层应分段开挖，可以每次挖10m 到15m 长的一小段，也可以选择跳着挖。但是要注意，每次挖完一小段后，下一段的开挖要与上一段之间保持至少5 米的间隔。在整个施工过程中，绝不允许超挖，并需有专人进行规划和指挥，确保施工有序进行[2]。

每个开挖平台布置挖掘机进行转运土石方至地面，基坑开挖顶边线2m 以内不得有堆载；出土口超载按40kPa 考虑；其余各侧坑顶2m 以内不得堆载，2m 以外超载不得超过15KPa。

基坑开挖自上而下进行，施工步骤如下：

（1）基坑土方施工

基坑上部土体在开挖至边坡顶标高时，按要求开挖，每段长度不超过20m，同时做好地表面和放坡面的四周排水。在挖至出土口部位时，两边各离车道5m 左右进行放坡，以保证出土口的稳定。

（2）基坑周边区土方施工

基坑分层开挖，第一层可不分段外，对应基坑周边区下部土方必须分层、分段开挖，开挖高度为锚索标高以下0.3m 且每次开挖深度不能超过2m，每开挖一层支护一层。开挖时，离基坑周边20cm 内的土体由人工清理修坡。分段长度10～15m，一次开挖多段时，各段之间间隔5m 以上，以便减少基坑边壁变形。

（3）开挖过程中对工程桩的保护措施

大挖机在地面上进行大面积开挖，小型挖机在第二层位置开挖基坑底土方，小型挖机行走路线原则，一是管桩间距足够大时，在管桩中间行走；二是管桩间距较密区域，则需压在管桩上行走，行走前需确保挖机下方土层覆盖厚度足够支撑挖机载荷为准。三，若是挖机行走开挖区域淤泥较厚无法支撑挖机作业或可能会影响管桩时，对该区域用道碴进行换填处理以确保管桩不受影响，换填厚度约1米，根据现场情况需要加厚，以保护管桩安全为前提。

（4）基坑开挖的其它事项：

①上层支护完成后，方可开挖下层土方。

②支护前，松动土体必须清除。

③开挖时应做好基底排水，及时抽排坑内积水，保持基底强度及完整性不受破坏。

④当一段基坑开挖至基底后，及时浇筑混凝土垫层，防止基坑底被水浸泡。

⑤基坑开挖过程中，做好不同土层面的记录，绘制地质素描图。当基底土层与设计不符合时，应及时通知设计、监理处理。

⑥严格按设计要求限制坑顶堆土。

⑦挖掘土方并运送的出入口必须设有冲洗池，当装载车辆携带土方离开时，保证经过严格冲洗，符合上路标准。

2.2.2 土方开挖注意事项

在进行基坑开挖前，必须确保支护结构各个部分都得到足够的时间进行养护，以保证它们达到足够的强度，然后才能进行下一层土方的挖掘。在开挖过程中，对于距离基坑周边20cm 内的土体，采用人工清理修坡的方式，以防止破坏工程桩。对于超过基坑底以下的超深开挖情况，务必在开挖前通知设计人员进行复核，并在必要时提出专门的支护方案[3]。对于基坑底以下为软土的情况，一般要求采用有支护的开挖方式，以控制变形。这些措施旨在确保基坑施工的安全性和稳定性。

2.2.3 土方分层、分段开挖要求

（1）每层分段开挖，并且随挖随支，每段10m～15m，允许多段同时开挖，允许跳挖，各段间隔5m 以上，设专人规划和指挥。

（2）土方开挖每层开挖深度不能超过2m，不可随意超挖。

（3）分层开挖的坡度，根据土质实际情况和图纸的要求进行放坡开挖。

2.2.4 出土口收口施工

出土坡道坡率为1:5，对于最后出土口收口，在基坑土方开挖完成后进行，采用长臂挖掘机挖除基坑内出土口处土方，采用后退法开挖，在最后收口时，长臂挖掘机离基坑边5m 以上,其中部分采用人工清理。

2.2.5 土方开挖技术要求

（1）土方开挖要与各施工阶段紧密协调，同时分段进行流水作业。

（2）挖掘要从上到下进行，每次挖10m 到15m 的一小段，可以一次挖多段，但各段之间至少要有5m 以上的距离。绝对不允许挖得太多。还要有专门的人员进行规划和指挥，挖完后要及时进行支护。

（3）分层开挖的坡度，根据土质实际情况和图纸的要求进行放坡开挖。

（4）开挖出来的土方除保留一小部分较好的土作回填或应急以外，其他土方随挖随运走，土方严禁堆积在基坑顶周边上。

2.3 深基坑内支撑技术施工要点

2.3.1 护壁施工的有关问题

在建造支撑结构时，需要考虑支撑点的位置。如果支撑点在支撑结构的顶部，需要在顶部的冠梁上增加一些额外的钢筋，以备将来浇筑支撑结构的顶部冠梁时使用。如果支撑点在支撑结构的某个高度上，通常需要在那个位置的支撑内部提前埋入一些钢筋。在挖掘土方后，清理高度位置的混凝土，将预埋的钢筋拉出并拉直，用于固定在支撑结构内。同样的方法也适用于保留和埋入钢筋混凝土支撑桩。这些步骤的目的是确保支撑结构的坚固和稳定。

2.3.2 支撑梁的施工

在进行钢筋混凝土支撑梁和围檩梁的底模施工时，可以选择填平夯实并覆盖尼龙薄膜，或者铺设模板、浇筑一层素混凝土垫层，然后铺上油毛毡。连接檩梁和支护结构时，可以通过将预埋的钢筋焊接在支护壁上来实现。侧模使用拉杆螺丝进行固定，支撑梁需要按照设计要求提前拱起。混凝土浇筑时要同时进行，以确保整体性。在拆除支撑梁时，要预留爆破孔，并预埋铁件用于焊接栏杆。为了缩短工期，可以添加早强剂并加强养护，等达到足够的强度后再进行土方开挖。混凝土的浇筑、拆模和养护都要按照规范要求进行，以确保后期强度的增长。

2.3.3 土方开挖

在施工中，土方开挖应按照支撑范围和深度分层进行。每层开挖前需等待混凝土强度满足要求。若遇到支撑梁，应用土覆盖保护，厚度不小于50cm，以供运土车辆通行。随着挖深，护壁和立柱的支撑点也要凿毛。

2.4 地下水处理与控制

首先，要在基坑顶部采取措施阻止地表水进入基坑，比如拦截和封堵。同时，要检查并修复可能断裂的污水和给水管线，以防止水渗入基坑边坡。其次，在基坑底部需要用泵抽水，并设置排水设施，保持基坑底部干燥，防止土体泡水软化。另外，行降水试验，再正式施工，并根据试验结果考虑对井点的加减布置[4]。同时，要严格控制降水水位，降水深度不宜过深，基坑土方开挖前坑内降水深度应控制在开挖面以下0.5m。

在整个基坑开挖过程中，要确保地面、边坡顶和基坑内的水能够顺利排出，避免污水进入基坑。开始降水后，还要随时监测基坑周围土体的沉降情况以及对建筑物或管道的影响。在基坑开挖之前，要准备好地面和边坡顶的排水系统，并在挖掘过程中保持系统的完好，不让水流入基坑。为了保证支护工作的进行，还需要设置临时排水设施，及时将基坑内的渗水排到地面排水系统中。最后，当基坑挖到设计深度后，要处理好护脚和基坑底面的排水沟、集水井。集水井里的水要及时抽走。排水沟和集水井离坑壁要有0.3m 以上的距离，沟道的宽度和高度都是300mm。为了防止水渗入土体影响坑壁的稳定性，沟内壁要用30mm 厚的水泥砂浆抹面。每隔30m 到40m 左右在基坑四周设置一个集水井（根据设计要求），井底要比排水沟底低0.5m 以上，基坑底不能有积水洼地。基坑顶部四周要做硬化处理，护面要倾斜朝向排水沟。收集起来的雨水和施工废水应该能够顺畅地排入附近的城市排水管网中。

2.5 明挖基坑开挖及施工中可能遇到的暴雨的应对措施

（1）露天使用电闸箱、电气设备时，要有可靠的防雨和防漏电措施。

（2）大雨台风期间应停止各种吊装钢筋笼和桩等作业。

（3）关心天气变化和天气预报，台风来临前，认真采取防护措施，所有工作面停止工作，对各种机具、设备、材料、半成品进行检查，加固覆盖。设备的电气开关要断开。能行走的设备停放于安全位置。

（4）风大时高处边缘操作人员应暂停操作或改做它事,衣着要紧身。暴雨、台风警报期间，在台风到来前，对较高独立的机械、临时加固稳定。大雨、台风过后，要立即各种机械设备、电源线路进行全面检查、核对，经项目经理同意后方可继续施工，遇七级以上大风应停止作业，六级以上大风停止机械垂直起吊运输。

（5）土方开挖过程中如遇暴雨造成塌方，现场应有足够的沙包和木桩以便加固周边的土体。

2.6 基坑开挖、支护范围内管线保护

（1）工程前期准备：在工程开工前，根据物探报告详细了解周边管线和设施的分布情况。在存在地下管线的区域，铺设2 厘米厚的钢板进行覆盖以提供额外防护。同时，检测仪器采用管线探测仪，实施施工监检测，确保施工过程中及时发现并避免潜在的安全隐患。这些措施旨在保障工程的顺利进行，确保周边管线和设施免受不必要的损害。

（2）开挖施工：在进行基坑土方开挖前，首先用管线探测仪检查施工地点，确认安全后再进行基坑施工。如果发现有未知管线通过施工区域，要立即报告，并与业主、设计单位以及管线管理部门一起研究处理方案，尽量减少对施工进度的影响。这些措施旨在确保在基坑开挖过程中能够及时处理可能存在的管线问题，保障施工的顺利进行。

（3）挖掘施工：在地下管线附近，不能使用大型机械进行挖土工作。为了避免损坏地下管线，可以选择采用人工挖土、凿石或小型工具如风钻进行施工。这样的做法有助于保护地下管线的完整性，降低潜在的风险。

（4）加固措施：对于开挖区域以外、受到开挖影响的管道，会采取加固措施来进行保护，以确保其安全和稳定。

（5）组织措施：为了确保周围管线的安全，派专职管线保护人员监护。施工队和各班组的成员也会兼职担任管线保护工作，组织建立周边管线监护体系。这些措施旨在有效地实施管线保护，确保工程顺利进行。

（6）降水控制：在进行开挖前的降水施工时，要合理安排，避免过度降水引起周围建筑物和管线沉降问题。为了确保施工不会对周围的管道造成影响，在附近设置一些测量点，定期检查管道是否发生沉降。然后，及时将这些监测点的位置图和沉降数据提供给建设公司和相关的管道管理单位，以确保周围的建筑和管道保持稳定。