鐘安德 谷雪冰

(1.中國鐵路沈陽局集團有限公司，遼寧沈陽 110001； 2.國鐵建設管理有限公司，北京 100048)

1 概述

受工程地質條件、地下構筑物及管線、周圍各類建筑物、道路、相鄰工程施工以及工程工期等限制，在城市商業(yè)和辦公、生活密集區(qū)進行深基坑開挖施工，存在基坑垮塌、道路沉陷、周邊建筑物開裂等諸多安全風險，可能危及現場施工人員和行人、居民的生命安全。

為了規(guī)避深基坑施工的安全風險，確保施工人員和人民群眾的生命安全，國內眾多學者和技術人員對建筑工程深基坑支護技術的特點和施工方法進行了研究。

喻韶州、石偉[1-2]對建筑工程中的深基坑支護施工技術進行了研究；潘春雨等[3]以某52層超高層建筑為例，對樁式、重力式支護體系選型和創(chuàng)新設計思路進行了分析；陳海清[4]介紹了深基坑施工中常見的技術類型和高層建筑深基坑支護樁、錨桿支護技術；周凱[15]對護坡樁、土釘支護技術和施工管理進行了分析；鐘其何[6]對鋼板樁、排列式灌注樁、深層拌和水泥土樁支護施工方法進行了研究；陳慧蘭[7]以富興廣場工程為例，對定位鋼筋掛鐵絲網、噴射C20混凝土和土釘墻支護施工流程進行了闡述；周勇[8]對鋼支撐、混凝土支撐、鋼與混凝土混合支撐等內支撐的優(yōu)缺點進行了分析；梁青林[9]介紹了逆作拱墻和錨桿支護施工方法；劉波明[10]對深層攪拌樁等支護技術的操作原理進行了總結；謝金東[11]介紹了深基坑支護結構選型；閆懷瑞等[13-14]對重力式擋土墻和懸臂式支護結構的工藝原理進行了闡述。上述研究均立足于對深基坑支護類型、施工方法和管理手段等的研究，沒有針對某一工程深基坑支護設計方案的研究論證和優(yōu)化變更。

在分析沈陽鐵路局調度所改擴建工程原設計深基坑支護方案存在問題的基礎上，為確保鄰近工程現場的各類建筑物和公共設施結構安全[16]，同時滿足工程工期需要，對原設計深基坑支護結構方案進行了優(yōu)化和變更，采用護坡樁、冠梁、三道錨索綜合支護技術和信息化監(jiān)測方法，保證了工程安全和工期要求。

2 工程概況

沈陽局調度所改擴建工程主要工程內容為：新建調度樓18 000 m2建筑結構為地下2層、地上4層，配套新建客專調度系統(tǒng)設備，遷移既有普速調度系統(tǒng)設備(如圖1所示)。建成后，可實現原沈陽鐵路局行車、信號、通信、供電、車輛、客服、信息等各類調度系統(tǒng)的統(tǒng)一指揮。新建調度樓地下建筑總面積為14 812.35 m2，其中，調度樓及附屬設施5 600.27 m2，地下車庫9 212.08 m2，基坑7 370.3 m2(東西長89.7 m，南北寬82.1 m)，最大埋深16.05 m。工程于2015年5月1日正式開工，2015年12月30日完成主體施工，2016年10月30日調度系統(tǒng)投入使用。

圖1 新建調度樓與周邊建筑效果

3 工程難點

3.1 周圍建筑物距基坑較近

(1)東側緊鄰既有調度樓、辦公樓和雙層地下車庫，基坑底部邊緣距既有調度樓及雙層地下車庫(樁基礎埋深4.8 m)邊緣約5.7 m。

(2)南側緊鄰北五馬路，基坑底部邊緣距道路邊緣約6.7 m。

(3)西側緊鄰昆明北街，基坑底部邊緣距道路邊緣約8.8 m，距道路一側某小區(qū)七號樓約19.5 m。

(4)北側緊鄰某新建住宅樓(地下3層含2層停車場，地上33層)工程，兩工程基坑垂直邊緣間距為2 m，地下工程同步施工。

3.2 工程地質條件較差

(1)地質鉆探顯示，在鉆孔深度范圍內的巖土由上至下為第四系全新統(tǒng)人工填筑雜填土、素填土，第四系全新統(tǒng)沖積黏性土、砂類土；第四系上更新統(tǒng)沖洪積黏性土、砂類土、圓礫?；由疃葍鹊叵峦馏w密實度較低，結構松散，基坑開挖后邊坡容易垮塌。

(2)地下水賦存于第四系的中、粗、礫砂層中，屬孔隙潛水?，F場鉆孔量測顯示，地下水水位埋深為13.20～13.50 m，穩(wěn)定水位高程為31.14～31.90 m，地下水水位季節(jié)性變幅為2.0～4.0 m，中、粗、礫砂層等含水層滲透性強?；咏邓掷m(xù)時間長，坑內降水對施工工期及周圍建筑物的安全影響較大。

3.3 施工條件較差

(1)施工現場場地狹窄，施工機械難以擺放，無建筑材料堆放及鋼筋加工場地；基坑深16.05 m，無放坡開挖條件；開挖土方量約13×104m3。

(2)本工程地處沈陽市核心區(qū)繁華鬧市，東臨沈陽鐵路局辦公樓，南側和西側緊鄰市政道路，西側、南側均為居民樓，西側地下結構外皮距居民樓19.5 m。施工過程中的噪聲、光污染、揚塵、混凝土澆筑等因素影響附近居民的生活和休息。

綜上所述，必須采取切實可行又經濟合理的支護方案，減少對工期和環(huán)境的影響。

4 基坑支護設計方案與安全監(jiān)測

4.1 原設計方案概述

(1)原基坑支護主要技術方案

原基坑支護方案為“鉆孔灌注樁+2道混凝土內支撐”支護體系。如圖2所示。

圖2 原設計兩道鋼筋混凝土內支撐模型

①在基坑四周設置鉆孔灌注樁，樁徑為0.8 m、1.0 m兩種，間距為1.0 m、1.2 m兩種。

②在地面以下2.0 m及9 m各設置1道鋼筋混凝土支撐，在地面以下10.5 m設置鋼管斜倒撐，在地下一層斜坡道位置設置鋼倒撐。

③在冠梁以上設置厚0.3 m、高2.0 m的混凝土擋墻。

④在鉆孔灌注樁外側設置三軸水泥攪拌樁止水帷幕。

⑤在圍護樁及樁間土體土石面網噴C20混凝土。

(2)存在問題及不足

①在基坑內兩個不同高度處施作兩道鋼筋混凝土內支撐支護體系，施工工藝復雜，與調度樓樁基、基礎和地下結構施工相互交叉干擾，且基坑內無鉆機和起重機占位條件，基坑開挖工期近6個月，主體工程工期至少順延3個月。

②調度樓基坑施工期間，現場外在條件發(fā)生了變化，北側住宅樓工程已經先于調度樓工程進行基坑開挖，基坑北側邊緣圍護樁與內支撐結構已無法實施，調度樓基坑已由原設計的“口”字形結構變成“門”字形結構。如圖3所示。

圖3 “門”字形基坑支護結構模型

③兩道混凝土內支撐和兩道鋼倒撐的支護體系保險系數過大，基坑支護造價在調度樓主體工程造價中占比過高，造成沒有必要的投資浪費。

4.2 基坑支護結構選型

為滿足工程工期和周圍既有建筑物及道路的安全要求，同時降低基坑支護工程造價，工程實際開工后，鐵路局開展了工程現場實地挖驗和基坑支護設計方案優(yōu)化，并組織專家進行論證，確定將原設計的“支護樁+兩道混凝土內支撐”支護體系，優(yōu)化為“支護樁+預應力錨索”支護系統(tǒng)，設置預應力錨桿及鋼腰梁，形成樁錨結合的結構形式；為保證既有調度指揮樓和既有地下車庫安全，在基坑東側增設雙排樁設計，取消“在基坑內施作兩道混凝土內支撐支護體系”的原設計。

(1)基坑護坡設計參數

①地面超載按q=20 kPa考慮，行車指揮樓超載按q=50 kPa，地下車庫超載按q=20 kPa考慮。

②基坑變形：基坑樁錨支護部位按Ⅰ級基坑控制變形，基坑安全等級為Ⅰ級；北側放坡體按Ⅲ級基坑控制變形，基坑安全等級為Ⅲ級。

(2)基坑各剖面支護結構選型

根據規(guī)程中支護結構選型和地層現狀、基坑深度、場地周邊建筑物等情況，對基坑支護方案進行細化，分為5個剖面：1-1(基坑西南側及南側)、2-2(基坑東側)、3-3(基坑東側北端)、5-5(基坑西北側，剖面采用“雙排樁+370 mm磚擋墻+錨索”支護體系)、4-4(基坑北側，剖面自然放坡)。新建調度樓基坑平面及剖面位置如圖4所示；基坑剖面及支護位置現場實景如圖5所示。

圖4 新建調度樓基坑平面及剖面位置

圖5 新建調度樓基坑剖面及支護位置現場實景示意

4.3 基坑支護設計方案

(1)以1-1剖面設計為例，“樁錨+370 mm磚擋墻”支護設計方案如圖6。

圖6 基坑1-1剖面三道錨索示意(單位：mm)

①本剖面位于基坑西南側及南側，從自然地面算起，基坑深約16.00 m，采用“樁錨+370 mm磚擋墻”支護體系，上部1.65 m施作370 mm磚擋墻，預留肥槽(寬1.2 m)，地面超載為20 kPa。

②護坡樁采用A型鉆孔灌注樁，樁長23.5 m，其中嵌固段長9.65 m，樁間距1.0 m，樁徑800 mm，樁身強度為C30，混凝土塌落度為180～220 mm。

③冠梁尺寸為800 mm×500 mm，強度為C30，兩側各配3C20HRB400級熱軋螺紋鋼筋，中間加配2C18HRB400級熱軋螺紋鋼筋，箍筋為C8@150。

④三道錨索分別位于冠梁頂下3.35 m、7.35 m、11.35 m處，水平間距為1.5 m(三樁兩錨)，錨索孔徑為150 mm，下傾角為15°。錨索成孔后，放入4～5φ15 mm(7φ5 mm)低松弛型鋼絞線，每2 m設1對中支架。二次壓漿灌注P.S.A32.5 MPa礦渣純水泥漿，水灰比為0.50，強度為20 MPa。錨索鋼絞線下入過程中，增加1根塑料壓漿管，沿著該塑料管注漿和二次壓漿(塑料壓漿管不取出)。錨索鎖在2根I28b型鋼上。1-1剖面3道錨索參數如表1所示。

表1 1-1剖面三道錨索參數

⑤樁間土體掛φ6.5@200×200 mm鋼筋網，使用C16 U形鋼筋勾將鋼筋網片與護坡樁固定，加強筋的縱向間距為1.0 m。然后噴射細石混凝土，強度為C20，面墻厚度約為100 mm。

⑥采用信息法施工，根據現場實際情況做適當調整。

(2)以2-2剖面為例，“雙排樁+370 mm磚墻擋墻+錨索支護”設計方案如下。

①本剖面位于基坑東側，鄰近既有行車指揮中心，護坡樁內皮距指揮中心約5.7 m，行車指揮中心基礎埋深4.8 m，采用樁基礎。從自然地面算起，坑深約16.00 m，采用“雙排樁+錨索+370 mm磚擋墻”支護體系，上部1.65 m施作370 mm磚擋墻，預留肥槽(寬1.2 m)，地面超載為20 kPa。

②B型鉆孔灌注樁護坡樁長24.5 m，其中嵌固段長10.65 m，前排樁間為距1.2 m，后排樁間距為2.4 m，排距為2.0 m，樁徑為1 000 mm，樁身強度為C30，混凝土塌落度為180～220 mm。

③冠梁尺寸為1 000 mm×500 mm，強度為C30，兩側各配3C20HRB400級熱軋螺紋鋼筋，中間加配4C20HRB400級熱軋螺紋鋼筋，箍筋為C8@150。

④連梁、錨索、樁間土體掛鋼筋網的做法同1-1剖面。

⑤采用信息法施工，根據現場實際情況做適當調整。

(3)注意事項

①距坑邊3.0 m范圍內嚴禁堆放鋼筋等雜物或行駛重型卡車。

DBT對非致密型腺體的檢查敏感性、特異性、陽性/陰性預測值與FFDM相比，差異不顯著（P＞0.05）；對于致密型腺體良惡性的判斷，DBT特異性較FFDM高，比較差異顯著（P＜0.05），但敏感性、陽性/陰性預測值相比，兩者差異均不顯著（P＞0.05）。見表3。

②土方開挖要與護坡相協調，嚴禁超挖。

③錨索張拉鎖定前，坑邊嚴禁行駛車輛，避免因動荷載引起鋼絞線與水泥漿之間出現松動現象。

4.4 基坑開挖安全監(jiān)測與施工

深基坑的安全與穩(wěn)定直接關系到基坑本身及鄰近建筑物、基坑周邊道路和鄰近地下管線的安全。根據深基坑支護有關規(guī)范要求，在結構主體地下部分施工階段，必須對基坑支護系統(tǒng)和周邊環(huán)境進行監(jiān)測。由于巖土工程的復雜性，深基坑支護系統(tǒng)受到許多難以確定因素的影響，因此，應加強監(jiān)測，及時掌握支護系統(tǒng)及周圍環(huán)境的動態(tài)變化，確保支護系統(tǒng)和周圍環(huán)境的安全。

(1)支護坡體水平及垂直位移監(jiān)測

① 監(jiān)測項目

支護坡體水平、垂直位移，基坑周邊道路、管線及地面沉降觀測，錨索內力監(jiān)測，基坑深部位移變形監(jiān)測，既有建筑物沉降觀測，地下水水位觀測，支護結構內力監(jiān)測。

②監(jiān)控預警值和報警值

根據《建筑基坑工程監(jiān)測技術規(guī)范》(GB50497—2009)，本次基坑東側(調度樓一側) 2-2剖面、3-3剖面的基坑變形控制：水平安全預警值為h×1.0‰×70%，報警值為h×1‰；垂直變形安全預警值為h×1.0‰×70%，報警值為h×1‰。基坑1-1剖面、5-5剖面變形控制：水平安全預警值為h×2.0‰×70%，報警值為h×2‰；垂直變形安全預警值為h×2.0‰×70%，報警值為h×2‰。基坑4-4剖面變形控制：水平安全預警值為h×5.0‰×70%，報警值為h×5‰；垂直變形安全預警值為h×6.0‰×70%，報警值為h×6‰。樁錨支護連續(xù)3 d內變形速率不得超過2 mm/d；4-4剖面連續(xù)3 d內變形速率不得超過5 mm/d；周邊管線連續(xù)3 d變形速率不得超過2 mm/d?；又ёo變形觀測預、報警數值與實測數據對照如表2所示。

表2 基坑支護變形觀測預、報警數值與實測數據對照 mm

錨索的內力監(jiān)測宜采用專用測力計、鋼筋應力計或應變計，量程宜為對應設計值的2倍，量測精度不宜低于0.5%F·S，分辨率不宜低于0.2%F·S。

(3)護坡樁變形監(jiān)測

通過測斜儀觀測各深度處的水平位移。測斜儀系統(tǒng)精度不宜低于0.25 mm/m，分辨率不宜低于0.02 mm/500 mm。

4.5 基坑開挖施工要點

(1)按“分層開挖、嚴禁超挖”的施工原則，嚴防基坑邊坡超挖。按支護方案施工工藝與支護步數逐層分段開挖，待支護達到允許強度后再進行下部開挖。

(2)當土方開挖至冠梁底面高程后進行冠梁施工；冠梁施工完成后，分層開挖至錨索高程下500 mm，逐層進行錨索施工，直至挖至基底以上300 mm。

(3)基坑開挖到距距離坑底300 mm時，必須采用人工挖除，基坑開挖到最終坑底面后應及時施作墊層。

(4)基坑開挖施工時，圍護結構周圍的地面超載不能大于設計規(guī)定的超載極限值，基坑3.0 m范圍內嚴禁堆載。

(5)土方開挖時，挖斗嚴禁碰撞護坡樁、錨頭、腰梁等支護結構。

5 安全、經濟和社會效益分析

通過優(yōu)化護坡樁、冠梁、錨索、掛網噴漿、擋水墻和基坑支護變形監(jiān)測等安全防護技術方案，保證了基坑四周既有建筑物和道路、管線等的設施安全，保證了施工、辦公、道路通行人員和居民安全，縮短基坑支護工期3個月，節(jié)約投資230萬元，確保了2015年末調度樓主體結構、屋面和全部砌體按期完成(見圖7)。

圖7 建成后調度樓實景

2016年12月28日，新建調度大廳125個調度臺和普速、客專調度系統(tǒng)全部按期開通使用，通信、信號、信息、供電、客服等各專業(yè)調度系統(tǒng)設備的可靠性和安全性得到極大改善和提高，尤其是保證了133個既有調度信息系統(tǒng)搬遷施工的按期完成，實現了調度信息系統(tǒng)設備質量、使用功能、運行速度和可靠性等方面質的飛躍，使得鐵路局調度所對全局客專和普速鐵路行車的調度指揮更加順暢，為鐵路局運輸提質增效做出了貢獻，取得了較好的安全、經濟和社會效益。