复杂施工条件下建筑基坑支护结构设计与施工
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摘要：在城市中心区进行建筑基坑施工，由于周边施工条件限制且城市管线众多，会给施工带来较大的困难。本文结合工程实例，详细阐述了复杂施工条件下建筑基坑支护方案分析比较过程，并对本基坑采用水泥搅拌桩止水+内撑式排桩围护结构设计、施工与监测要点进行了深入探讨和总结。
关键词：建筑基坑基坑支护；位移控制；止水帷幕
内支撑；监测
中图分类号：TU94+2
文献标识码：B
文章编号：1008-0422(2011)08-0144-02
1 工程概况
湖南某住宅小区项目由多幢多层和小高层组成，其中小高层设有1层地下室。基础采用直径分别为φ400和φ500的预应力混凝土管桩。地下室底板底标高为-5.550m，承台底标高为-6.200m，基坑边地梁底标高为-5.950m。综合考虑承台、地梁和电梯井的平面位置和间距，取设计基坑底标高为-5.950m，设计基坑开挖深度为4.900m。
该基坑东侧距离用地红线约1.30m(与基坑上坎线距离，下同)，用地红线以东为城市道路，地下管线比较密集(含雨污水、电力、通信等管线)。基坑南侧紧邻待建的5#楼2层裙房；基坑西侧与待建的3#楼、4#楼的距离分别为7.00m和6.70m，3#楼和4#楼均为11层小高层建筑物；基坑北侧紧邻待建的5#楼4层裙房。基坑周边的环境条件见图1。
根据提供的勘察报告，基坑开挖深度影响范围内各土层主要物理力学性质指标见表1。
综合场地地理位置、土质条件、基坑开挖深度和周围环境条件，本基坑工程具有如下特点：
1)基坑开挖面积较大，南北向长度约90m，东西向宽度约为40m；
2)基坑平面形状比较规则，呈长方形，适合设置内支撑；
3)场地地基土质变化较大。基坑东侧塘泥厚度较大；但在地基浅部存在有渗透系数相对较大的砂质粉土层。因此地下水位的控制是本基坑工程设计、施工的关键点之一；
4)本基坑周围环境条件比较复杂：基坑东侧临近道路，西侧、南侧和北侧都有相邻建筑物。一旦基坑出现险情，造成社会影响和经济损失较大。根据本基坑工程的开挖深度、环境条件和地质条件，可以考虑的围护结构方案包括：1)水泥搅拌桩重力式挡墙围护结构；2)单排桩悬臂式围护结构；3)土钉墙围护结构；4)内撑式围护结构。
根据“安全、经济、方便施工”的原则，确定本基坑采用水泥搅拌桩止水帷幕+内撑式排桩围护结构，内撑式排桩墙围护结构可有效地控制围护结构的弯矩和变形，并具有较好的可靠性。因地基浅部存在有渗透系数相对较大的粉土层，因此采用水泥搅拌桩形成基坑外侧的止水帷幕，同时在基坑内部采用轻型井点降水，为基坑开挖和地下室施工创造干燥的施工环境。
2 内撑式排桩支护体系方案设计与计算分析
根据上述分析，基坑围护体系具体做法如下
排桩墙采用φ600钻孔灌注桩，中心距分别为800mm、900mm和1000mm，混凝土-强度等级C25。
内支撑平面体系采用角撑与对撑相结合的平面支撑系统。该形式的支撑杆件受力合理，同时在基坑中部形成三个较大的空间，大型机械可直接进入坑内挖土并设置挖土的临时通道，可大大加快挖土和出土速度。在支撑的竖向布置上，共设置一层钢筋混凝土内支撑，支撑顶标高在综合考虑周围环境条件和围护结构的内力及变形后确定为-2.050m，主支撑截面为500mm(b)×550mm(h)，压顶梁截面为700mm(b)×550mm(h)。支撑及压顶梁的混凝土强度等级均为C30，围护结构典型剖面见图2。
竖向立柱采用井字型钢构架，截面尺寸为400mm×400mm，下部采用新增700钻孔灌注桩(预应力管桩无法利用)。钢构架上部伸入支撑300mm，下部插入钻孔灌注桩内2000mm。
采用φ500mm水泥搅拌桩形成封闭的止水帷幕，水泥搅拌桩中心距分别为350mm和300mm。
在基坑内部采用轻型井点降水，以保证坑内地下水位降至开挖面以下0.50-1.00m。轻型井点管间距不大于1.00m，长度为6.00m，其中滤管长1.00m。
在内撑式排桩墙围护结构设计计算中，结合基坑开挖步骤，考虑下述三种工况：
工况一：土方开挖至-2.600m，施工压顶梁和支撑；
工况二：在压顶梁和支撑达到设计强度的80％后，土方开挖至基坑底，施工地下室承台、底板，并设置底板传力带；
工况三：在地下室底板和传力带达到设计强度的80％后，拆除支撑。
各工况下典型剖面围护结构内力与变形包络图见图3。
3 施工过程中遇到问题时分析及处理措施
3.1施工顺序及过程
本基坑围护结构工程在工程桩完工后10d开始施工。先施工止水――水泥搅拌桩(立柱桩同时施工)；紧接着施工支护钻孔灌注桩和坑中坑加固水泥搅拌桩；在清理完地面泥浆后开始施工第一道水平支撑；开挖第一道支撑以下土方；随后施工第二道水平支撑；支撑拆除采用控爆拆除。
3.2施工特点和难处
由于本工程基坑深度较深，具体有以下难点
1)坑底深度多变，共有3种不同的基底标高，且相互间高差较大；
2)基坑东面、南面为住宅楼，西面、北面为道路，基坑四周还有通信光缆、污水管、煤气管等管线，施工时周边环境对施工影响较大。
3)施工场地狭小，土方工程量大，施工周期长，施工期间正处于本地的雨水季节。
4)基坑围护结构中有两道水平支撑和圈梁(围檩)，造成大量工作无法采用机械挖掘，人工开挖土方量大。
3.3解决施工难点的措施及方法
由于基坑中底部为大面积的淤泥土质，对坑中坑水泥搅拌桩的施工有更高的要求，具体针对不同情况采取下列措施：
1)为了减少开挖阶段不同开挖深度之间的放坡土方开挖量、减少基坑的开挖变形，在基坑内沿高低坑边界处进行水泥搅拌桩加固。
2)尽可能充分利用了原工程桩作立柱，以降低成本。
3)由于基坑开挖中大面积的土方卸载势必引起土体的位移场变化，因此基坑土方开挖时针对软土的流变特性应用“时空效应”理论，严格实行限时开挖及支撑要求，以控制基坑变形、保护周围环境，基坑工程施工实施动态信息化施工。
4)土方开挖过程中随挖随撑，严格控制挖土量，严禁超挖。
5)针对基坑内的土层含水量高，渗透性差，因此在基坑外，沿围护桩顶圈梁后侧砌筑排水沟，不让雨水或地面水流入坑内或渗入墙后；在基坑内设置了集水井。
6)在止水水泥搅拌桩施工过程中，当桩与桩的搭接间歇时间过长时，采用了在接买处补2根桩的处理措施；当遇到地下障碍物而产生桩偏位或倾斜时，采用在错缝处背后补1根桩的处理措施。
7)在支护钻孔灌注桩的施工过程中为防止
串孔，采取了跳打的方式进行施工，以加强护壁作用。
3.4应急措施
基坑开挖前应在现场准备一定数量的应急用钢管、型钢、麻袋等，发现异常后可采取卸土、回填、设置临时支撑等应急措施。
若发现土方开挖后围护结构水平位移超过警戒值，或支撑局部出现险情，应立即采取增加临时钢支撑，条件许可的情况下可采取坑外卸土，必要时采取坑内回填砂包的反压措施。
若止水帷幕出现渗漏，则应及时进行补漏处理，现场应配备注浆设备和材料，采用压力灌浆、化学灌浆等手段进行补漏处理。
如基坑降水困难，可采用增设轻型井点或深井等方法处理。
4 现场监测及成果分析
本基坑围护工程地基土质较差，周围环境条件比较复杂，因此除进行安全可靠的围护结构体系设计、施工外，尚应进行现场监测，做到信息化施工。通过监测及时了解围护结构体系的受力状况，对设计参数进行反分析，以调整施工参数，指导下步施工，遇异情可及时采取措施。应该说，基坑开挖监测是保证基坑安全的一个重要措施。
本基坑监测内容如下：
1)基坑开挖过程中周边深层土体的水平位移监测，共布置测斜管8根，深度为18m。深层土体水平位移预警值为40mm，位移发展速率不得连续3d超过3mm／d。
2)地下水位监测，共布置水位管8根，深度为10m。警戒值为水位变化幅度超过0.8m／d。
3)钢筋混凝土支撑内力监测，共布置8个测点，每点2个钢筋应力计，共计16个钢筋应力计，支撑轴力预警值为2500kN。
4)基坑周边建筑物、道路及地下管线沉降观测。
监测成果表明：
1)随着基坑开挖深度的增加，土体的侧向位移逐步增大，随着垫层浇筑完毕，侧向位移变形逐步稳定，底板浇筑完毕后侧向变形基本稳定，并趋于收敛。基坑周边深层土体的最大位移在10.50-15.20mm之间，均小于预普值。
2)基坑周边地下水位的最大降深在3m左右，变化幅度均小于0.8m／d。轻型井点的出水效果较好。
3)基坑周边建筑物、道路和地下管线无异常情况。
上述监测数据表明：本基坑的设计与施工是成功的。
5 结语
综上所述，水泥搅拌桩止水帷幕+内撑式排桩围护结构相对于其他基坑支护形式，可靠性相对较高，能够有效控制基坑围护结构的位移和弯矩，特别适用于城市中心复杂环境下的基坑工程。通过规范的设计，正确的施工，及时地监测，可以把基坑开挖对周围环境的影响降到最低，确保周边建筑物、道路及管线的安全使用。
参考文献：
[1]建筑基坑支护技术规程.JGJl20-99[S].北京，中国建筑工业出版社，1999.
[2]建筑地基处理技术规范.JGJ79-2002[S].北京，中国建筑工业出版社，2002.
[3]长沙市挡土墙及基坑支护工程设计.施工与验收规程.DB43／009-1999.