杜 魁，余小國，岳麗娜，李 超

(武漢地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程有限公司，湖北武漢430072)

0 引言

在用地愈發(fā)緊張的城市中心，結(jié)合城市發(fā)展和建設(shè)，開發(fā)大型地下空間已成為一種必然。地下空間開發(fā)規(guī)模越來越大，越來越深，這些深大基坑通常都位于各種建筑密集的城市中心，緊鄰建筑物、地鐵隧道、交通干道及種種地下管線等，用地緊張、施工條件復(fù)雜、工期緊迫。所有這些因素導(dǎo)致基坑工程的設(shè)計和施工的難度越來越大，重大惡性基坑事故不斷發(fā)生，工程建設(shè)的安全生產(chǎn)形勢越來越嚴峻。

基坑在早期一直作為一種地下工程施工措施而存在，它是施工單位為了便于地下工程開挖施工而采用的臨時性的施工措施。基坑工程最簡單的方法是大放坡開挖，但在城市中心經(jīng)常由于場地局限性，在紅線以外沒有足夠的空間放坡，人們不得不采用附加結(jié)構(gòu)體系的開挖支護系統(tǒng)，即在基坑四周設(shè)置一定的擋土結(jié)構(gòu)。

為了給地下工程敞開開挖創(chuàng)造條件，基坑圍護結(jié)構(gòu)體系必須滿足以下幾個方面的要求。

(1)適度的施工空間。圍護結(jié)構(gòu)能起到擋土的作用，為地下工程的施工提供足夠的作業(yè)場地。

(2)干燥的施工環(huán)境。采用降水、排水、隔水等各種措施，保證基坑內(nèi)施工的作業(yè)面在地下水位面以上，方便基坑內(nèi)施工作業(yè)。

(3)安全。地下工程施工期間，應(yīng)確?；颖倔w的安全和周邊環(huán)境的安全。

(4)最大限度縮短工期和減少工程造價。

近幾年來，為了節(jié)省費用，經(jīng)常將圍護結(jié)構(gòu)做成地下室的外墻的一部分，改變了圍護結(jié)構(gòu)的臨時性的特點，這樣圍護結(jié)構(gòu)就必須滿足主體結(jié)構(gòu)作為永久性結(jié)構(gòu)的要求，要按永久性結(jié)構(gòu)的要求處理，在強度、變形、防滲、耐久性等方面的要求均要提高，最終導(dǎo)致深基坑的設(shè)計方案選型更加重要，需要在設(shè)計方案選型上更加精確，更加謹慎。

1 工程概況

鈺龍金融廣場位于武漢市建設(shè)大道745號，其周邊環(huán)境如圖1所示。東側(cè)為24層高的中信銀行大廈;南側(cè)為建設(shè)大道，地鐵7號線正在建設(shè)大道下施工;西側(cè)為一棟30層高的中國人民銀行銀監(jiān)大樓;北側(cè)為另一正在施工的工地，其基坑開挖深度為12 m，另有一條高壓線從北側(cè)兩工地之間穿過。該項目由1棟38～55層主樓及5層商業(yè)裙房(帶4層地下室)組成，基坑開挖裙樓及地下室開挖深度為19.1 m，主樓區(qū)域普挖21.1 m，電梯井區(qū)域最大開挖深度達26.1 m，屬超大型深基坑，基坑保護等級為一級。裙樓區(qū)域與主樓普挖處高差達2 m，采用放坡掛網(wǎng)噴錨處理。采用中深井降水處理承壓水。

圖1 基坑周圍環(huán)境圖

2 基坑設(shè)計方案選型

2．1 基坑總體設(shè)計方案選定

類似特點和規(guī)模的基坑工程基于不同經(jīng)濟和工期等因素的要求，可選擇的總體方案有“順作法”、“逆作法”、“順逆結(jié)合”等。

(1)采用逆作法相比于常規(guī)順作法時的臨時支撐要多很多，因此必須考慮加大立柱承載力;逆作法設(shè)計與主體結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)度較大，受主體結(jié)構(gòu)設(shè)計進度的制約，本工程因基坑設(shè)計單位與主體設(shè)計單位不是同一單位，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計相對滯后;而且采用逆作法需在支撐板下挖土，作業(yè)環(huán)境較差，結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量易受影響等諸多原因，該基坑放棄逆作法。

(2)本工程基坑面積相對較小，若采用“順逆結(jié)合”需考慮分區(qū)，施工工作面需更細分，將嚴重制約工期。

綜合考慮本基坑的面積、開挖深度、工期、施工難度等原因，采用順作法施工是比較合理的。

2．2 基坑圍護體選定及設(shè)計

2．2．1 基坑圍護體選定

本基坑屬于超深基坑，對周邊環(huán)境保護的要求極高，為了最大限度控制基坑開挖階段對周邊環(huán)境產(chǎn)生的不利影響，根據(jù)以往大量基坑的成功經(jīng)驗，基坑擬采用板式圍護體系，類似基坑可采用的圍護體有TRD工法、SMW工法、鉆孔灌注樁結(jié)合三軸攪拌樁、地下連續(xù)墻結(jié)合高壓旋噴樁等。

(1)TRD工法。即等厚度水泥土地下連續(xù)墻工法內(nèi)插入型鋼，是一種先進工法，技術(shù)難度較高，且設(shè)備造價較高，暫不考慮該方案。

(2)SMW工法。即型鋼水泥土攪拌墻，三軸攪拌樁施工深度＞26 m時施工質(zhì)量無法保障，該方案樁抗側(cè)剛度有限，基坑開挖深度＞13 m的深基坑工程中，采用該工法時基坑的變形難以控制。而該基坑開挖深度達21.1 m，經(jīng)初步估算，即使采用剛度最大的850@415三軸攪拌樁，內(nèi)插滿H600×250×20型鋼，計算出來基坑變形仍然偏大，不能滿足規(guī)范的要求。且型鋼的起拔難度較高，租賃時間較長，故不考慮該方案。

(3)鉆孔灌注樁結(jié)合三軸攪拌樁。該方案作為一種成熟且經(jīng)濟的方案，其施工工藝簡單，質(zhì)量易控制，尤其在順作法中大量應(yīng)用。但排樁一般設(shè)置于地下室外墻外距地下室外墻800 mm的位置，僅在基坑開挖階段用作臨時結(jié)構(gòu)，后期效應(yīng)難以發(fā)揮，浪費了大量土地。而且排樁接縫較大，滲漏點較多。故也不考慮該方案。

(4)地下連續(xù)墻結(jié)合高壓旋噴樁。地下連續(xù)墻施工工藝成熟，施工對環(huán)境影響較小，水平抗側(cè)剛度大，水平變形小，可有效地保護周圍環(huán)境，已大量應(yīng)用于武漢的深基坑工程中，有著成熟和豐富的設(shè)計和施工經(jīng)驗。同時考慮經(jīng)濟性等因素，地下連續(xù)墻采用“兩墻合一”的設(shè)計思路，即地下連續(xù)墻作為圍護結(jié)構(gòu)的同時又作為地下室外墻，基坑工程施工階段地下連續(xù)墻作為擋土結(jié)構(gòu)和止水帷幕，同時地下連續(xù)墻在結(jié)構(gòu)永久使用階段作為主體地下室結(jié)構(gòu)外墻，通過與主體地下結(jié)構(gòu)內(nèi)部水平梁板構(gòu)件的有效連接，不需再另外設(shè)置地下結(jié)構(gòu)外墻部，可大大節(jié)省成本及空間。故本基坑采用地下連續(xù)墻結(jié)合高壓旋噴樁作為基坑圍護體。

2．2．2 基坑圍護體設(shè)計

地下連續(xù)墻厚度綜合基坑擋土止水、周圍環(huán)境條件以及主體結(jié)構(gòu)使用要求等因素進行計算確定為800 mm。地下連續(xù)墻既作為承受側(cè)向水土壓力的受力結(jié)構(gòu)，同時又兼有隔水的作用，因此地下連續(xù)墻的入土深度需要考慮擋土和隔水兩方面的要求。作為擋土結(jié)構(gòu)，地下連續(xù)墻入土深度需滿足各項穩(wěn)定性和強度要求;作為隔水帷幕，地下連續(xù)墻入土深度需要根據(jù)地下水控制要求確定。

2．2．2．1 根據(jù)穩(wěn)定性確定入土深度

作為擋土受力的圍護體，地下連續(xù)墻底部需要插入基底以下足夠深度并進入較好的土(巖)層，以滿足嵌固深度和基坑各項穩(wěn)定性要求，該基坑最終確定墻底進入強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖≮1 m。在軟土地層中，地下連續(xù)墻在基底以下的嵌固深度一般接近或大于開挖深度方能滿足穩(wěn)定性要求，基坑開挖深度為21.1 m，在地下連續(xù)墻進入強風(fēng)化巖后，其埋入基底深度一般達到30 m左右。

2．2．2．2 考慮隔水作用確定入土深度

當(dāng)基坑開挖深度內(nèi)存在飽和軟土層和含水層及坑底以下存在承壓水層時，地下連續(xù)墻作為止水帷幕，為避免產(chǎn)生流砂、管涌、坑底突涌，防止坑壁土體坍塌，保證施工安全和減少基坑開挖對周圍環(huán)境的影響，需要選擇合適的方法進行基坑降排水。本場區(qū)分布有上層滯水及孔隙承壓水2種類型地下水，上層滯水嵌在于地表雜填土層中，水位埋深穩(wěn)定在0.9～1.8 m，孔隙承壓水主要嵌在于8～45 m之間的砂類土中，與長江水具有水力聯(lián)系，其上覆粘性土層及下伏基巖為相對隔水層。

地下連續(xù)墻設(shè)計時根據(jù)地下水控制要求需要隔斷地下水或增加地下水繞流路徑時，地下連續(xù)墻底部需穿過隔水層隔斷坑內(nèi)外潛水及承壓水的水力聯(lián)系，或插入基底以下足夠深度以確保形成可靠的隔水邊界。根據(jù)隔水要求確定的地下連續(xù)墻入土深度大于根據(jù)受力和穩(wěn)定性要求確定的入土深度時，為減少經(jīng)濟投入，地下連續(xù)墻為滿足隔水要求而加深的部分可采用減少配筋或者素混凝土澆筑。本止水帷幕最終確定墻底進入強風(fēng)化巖層1 m以切斷內(nèi)外水系聯(lián)系，并在基底3 m以深開始主筋數(shù)量減少3/4以上。

2．2．2．3 內(nèi)力和變形計算以及承載力驗算

墻體內(nèi)力和變形計算應(yīng)按照主體工程地下結(jié)構(gòu)的梁板布置以及施工條件等因素，合理確定支撐標高和基坑分層開挖深度，同時也應(yīng)該考慮土方開挖、換撐拆撐等工況在時間上的先后順序和空間上的不同位置，進行各種工況下的連續(xù)完整的設(shè)計計算。

根據(jù)以上分析，鈺龍金融廣場深基坑采用了入強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的地下連續(xù)墻作為圍護結(jié)構(gòu)，接頭位置是地下連續(xù)墻的薄弱位置，接頭采用工字鋼剛性接頭，在接頭外側(cè)施工3800 mm深度為28 m高壓旋噴樁用以處理接頭，同時為最大限度減少地下連續(xù)墻開挖對周圍建筑物的影響，在施工地下連續(xù)墻前先行在基坑周圍有建筑物的區(qū)域施工了650 mm三軸攪拌樁用于槽壁加固，其加固深度為22 m，施工區(qū)域如圖2所示。

圖2 基坑圍護體平面布置圖

2．3 支撐體系選定

2．3．1 水平傳力體系選定

深基坑支護體系中常用的水平傳力體系有水平內(nèi)支撐和錨桿2種形式，結(jié)合本工程基坑開挖深度范圍內(nèi)分布有較厚的高壓縮性的軟弱淤泥質(zhì)粘土，該土層中難以提供錨桿足夠的錨固力;而且四周緊鄰區(qū)域建筑物地下結(jié)構(gòu)特殊，采用錨桿很難滿足對周邊環(huán)境保護的要求;此外本工程地下室外墻與用地紅線距離較小，也不具備錨桿的空間。綜合以上3方面的因素，本方案選用水平內(nèi)支撐作為基坑開挖階段的水平傳力體系。

2．3．1．1 支撐材料選擇

水平支撐主要有鋼筋混凝土支撐和鋼支撐2種形式。

由于本基坑工程面積大、開挖深度深，采用鋼支撐體系主要有4個方面的不利因素;(1)鋼支撐剛度相對小，需增加鋼支撐數(shù)量，挖土空間較小，在一定程度上會降低挖土效率;(2)單個方向鋼支撐過長，拼接點較多易積累形成較大的施工偏差，傳力可靠性無法保障;(3)基坑太大，鋼支撐剛度相對較小，不利于控制基坑變形和對周邊環(huán)境的保護;(4)需設(shè)置施工棧橋作為挖土平臺和材料堆場，如果用鋼支撐必須設(shè)置大面積的鋼平臺，會大大增加工程造價。

鋼筋混凝土內(nèi)支撐具有剛度大、變形小的特點，對減少圍護體的水平位移和保證圍護體穩(wěn)定具有重要作用。同時混凝土支撐施工適應(yīng)性強，可適用于各種復(fù)雜形狀和基坑面積超大的基坑工程。采用鋼筋混凝土支撐體系，第一道支撐桿件在適當(dāng)加強后又可作為土方開挖過程中的挖、運土用的施工棧橋和材料的堆放平臺，可以解決施工場地狹小的問題，同時又方便施工，加快了出土效率，大大減少了工程造價。故本工程選擇鋼筋混凝土支撐材料。

2．3．1．2 支撐平面布置分析

鋼筋混凝土支撐體系可采用圓環(huán)布置形式以及對撐角撐布置形式，兩種支撐體系布置形式各有特點，從技術(shù)角度上都能滿足基坑的工程要求。但對比可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)形整體性較強，需要先施工完環(huán)形支撐后再進行土方開挖。而采用對撐角撐可先將基坑分為若干區(qū)域進行土方開挖，基坑各區(qū)域分別開挖影響較小。對于該特大基坑來說，盡量減少基坑暴露時間非常重要，同時業(yè)主對工期要求較嚴。經(jīng)過多方面考慮，本基坑決定采用對撐角撐體系。

2．3．2 豎向支承的設(shè)計

基坑豎向支承系統(tǒng)最常用的辦法是鋼立柱插入立柱樁的形式，鋼立柱一般由角鋼+綴板拼接而成，立柱樁常采用鉆孔灌注樁，可以利用工程樁，在無法利用工程樁時可施工臨時立柱樁?；庸こ痰牧⒅c主體結(jié)構(gòu)的豎向鋼構(gòu)件最大不同在于，立柱需在基坑開挖前先行施工，并在土方開挖過程中逐層與水平支撐構(gòu)件完成連接，其截面尺寸要受到限制。由于鋼立柱主要承受豎向壓力，應(yīng)按照軸心受壓桿件進行計算，同時應(yīng)考慮立柱與水平支撐的連接及與底板連接位置的止水構(gòu)造要求。一般其垂直度≯1/200。

基坑設(shè)置3道鋼筋混凝土支撐，呈桁架加對撐角撐布置，該支撐布置形式受力明確，可加快土方開挖、出土速度。同時第一道支撐又可作為施工中挖、運土用的棧橋，方便了施工，降低了施工技術(shù)措施費?；娱_挖到坑底后再由下向上順作地下室結(jié)構(gòu)，并相應(yīng)拆除支撐體系。地下連續(xù)墻頂部設(shè)置壓頂圈梁兼作第一道支撐的圍檁。圖3為支撐結(jié)構(gòu)平面圖。

2．4 基坑降水方案選定

目前基坑降排水的主要方法有集水明排、輕型井點降水、電滲井點、管井降水等，按照其適用降水深度，該基坑采用管井降水。

圖3 基坑內(nèi)支撐平面布置圖

止水帷幕穿過承壓水含水層，并進入承壓含水層底板以下的弱透水層中，止水帷幕已切斷降水漏斗曲線的外側(cè)延伸部分，阻斷了基坑內(nèi)外承壓含水層之間的聯(lián)系。這樣既不妨礙開挖施工，又可大大減輕對周圍環(huán)境的影響。

根據(jù)降水的目的、含水層位置、厚度、止水帷幕的深度、周圍環(huán)境對工程降水的限制條件、施工方法、圍護結(jié)構(gòu)的特點、基坑面積、開挖深度、場地施工條件等一系列因素綜合考慮，該基坑共設(shè)置了25口深度為38 m、孔徑為600 mm、管徑為273 mm的降水井;另在基坑外設(shè)置4口觀測井，井深26～29 m，管徑為91 mm。

抽水原則:按照按需抽水、分層抽水，抽水量最小化的原則，以保證在滿足建設(shè)工程基本要求的前提下，達到節(jié)約、保護地下水資源的目的。

2．5 土方開挖方案選擇

本項目挖土方量約20萬m3，原設(shè)計考慮在基坑中心無支撐區(qū)域設(shè)計環(huán)形棧橋作為挖土、運土平臺。由于該基坑較深，面積相對較小，放坡后坡道及環(huán)形弧度均較大，渣土車在坑內(nèi)運轉(zhuǎn)困難，且棧橋及內(nèi)支撐底下桿件復(fù)雜，取土困難。后經(jīng)過仔細考察和比較，根據(jù)基坑實際情況、征求多方意見，從施工工期、造價、安全文明施工等多方面考慮，決定采用－10.2 m以淺放坡道挖機、渣土車直接下到坑底取土運土，－10.2 m以深采用垂直運輸方案挖土。

該方案可最大限度利用放坡道下基坑挖土取土的優(yōu)勢，同時也可避免施工弧形棧橋而造成施工困難。同時為保證垂直取土，第一層支撐間隙處采用鋼筋混凝土澆筑成板(如圖4所示)，作為垂直土方開挖時土方堆放平臺。

整個土方開挖分4層進行，第一層土方放坡開挖至－2.0 m后，開始邊坡噴錨支護并施工第一層支撐和堆土板(詳見圖4)，堆土板作為后續(xù)垂直取土?xí)r的堆土場地。

圖4 基坑堆土板設(shè)計及基坑內(nèi)轉(zhuǎn)土方向

第二層土方開挖時采用放坡坡道并鋪設(shè)磚渣至－7.6 m，利用坡道進行土方外運。先開挖基坑四周(即島式開挖)，留出支撐施工作業(yè)面，然后開挖中間部分，中間部分土方采用坡道外運，修整后及時進行第二道支撐施工。

第三層土方開挖至－12.4 m，開挖順序與第二層相似，－10.2 m以淺采用放坡鋪設(shè)磚渣路進行土方開挖外運，－10.2 m以深采用垂直運輸至堆土板上外運。支撐梁以下角落部位用小型挖機在支撐梁下掏挖進行翻挖作業(yè)，大挖機轉(zhuǎn)運至中間采用垂直運輸至地面堆土板后外運。

第四層土方開挖至裙樓及地下室筏基－19.1 m，主樓筏基開挖至－21.1 m，開挖時采用垂直運輸至地面堆土板上。

具體步驟如圖5所示。

圖5 土方開挖流程圖

此方案進行土方開挖，棧橋處－10.2 m以深直接采用垂直運輸進行土方外運，減少了棧橋施工及養(yǎng)護時間，可以大幅度的縮短基坑開挖時間，減少基坑暴露時間。

2．6 換撐

本工程利用地下三層樓板換撐，待分層換撐樓板施工完畢混凝土強度達到80%后方可進行相應(yīng)支撐拆除，拆除采用人工破除。拆撐順序應(yīng)遵循先拆輔撐，后拆主撐;先拆長撐，后拆短撐;先斷兩端，后破中間的原則，結(jié)合基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)，合理組織拆撐施工。拆撐時應(yīng)對稱拆除支撐，保證基坑支護體系受力變化的均衡性。立柱樁樁頂標高與地下室底板標高相同，故不需破除混凝土，只需待支撐梁破除后割除立柱樁鋼架即可。

拆撐過程中及拆撐后，應(yīng)加強對基坑支護體系的監(jiān)測頻率，保證24 h對基坑進行實時監(jiān)測，能夠及時反映基坑支護體系的變化情況，便于指導(dǎo)拆撐施工，出現(xiàn)異常情況及時采取應(yīng)急措施。

2．7 設(shè)計方案選定

基于以上分析，本工程從安全、技術(shù)、工期、經(jīng)濟等方面考慮，最終選擇了地下連續(xù)墻結(jié)合高壓旋噴樁(局部三軸攪拌樁加固)+3道鋼筋混凝土對撐角撐+立柱樁豎向支撐+管井降水作為基坑圍護設(shè)計方案，土方開挖方案采用坡道放坡+垂直運輸取土2種方案相結(jié)合的方法。

3 基坑監(jiān)測

為了確保基坑的安全，不影響周邊建筑及環(huán)境，要求隨時掌握開挖及支護施工整個過程中基坑的動態(tài)變化，因此必須在施工過程實施信息法施工。施工監(jiān)測包括對周邊環(huán)境影響的監(jiān)測和對基坑本體的監(jiān)測，及時預(yù)報施工過中出現(xiàn)的問題，驗證基坑開挖方案的合理性，預(yù)測基坑及臨近建筑物的變形發(fā)展趨勢，及時對其安全性做出評估，并把獲得的信息及時反饋到施工工作中去指導(dǎo)施工。同時綜合各種信息進行預(yù)警和報警，使有關(guān)各方及時做出反應(yīng)，防止事故的發(fā)生。

監(jiān)測數(shù)據(jù)超過報警值僅僅代表結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不安全的苗頭或趨勢，并不代表結(jié)構(gòu)不安全，需采取相應(yīng)的工程措施。為了明確結(jié)構(gòu)是否安全，分析造成不安全趨勢的原因，擬定保證工程安全的施工措施，需對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行進一步分析，預(yù)測結(jié)構(gòu)下一個施工階段的變形與內(nèi)力變化情況，判斷結(jié)構(gòu)是否安全，對改變施工工藝與流程后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行反饋。

4 方案實施效果

截至本論文截稿，該項目基坑仍然未施工完工，已經(jīng)開挖至－16 m，基坑未見明顯變形，周圍建筑物及管線變形正常。墻面平整度達到規(guī)范要求的100 mm，垂直度均能達到1/300，如圖6，基坑開挖后效果良好。

圖6 地連墻墻壁開挖效果圖

根據(jù)本工程特點對工程進行了監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1。

表1 基坑監(jiān)測項目及其報警值

5 結(jié)語

根據(jù)武漢鈺龍金融廣場超深基坑工程的實際情況，結(jié)合筆者自己的觀點，對超深基坑工程設(shè)計選型在多方面進行探討研究，提出設(shè)計方案選型，使其在經(jīng)濟、安全、適用及工期合理等方面更具優(yōu)越性。以期對類似超深基坑工程設(shè)計方案選型提供借鑒。

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