复杂地质条件下深基坑工程支护设计与施工的研究

杜梦民

【摘 要】某深基坑位于昆明老城区，开挖深度达10.4m，在基坑支护结构设计时，依据该工程的结构特点，土质条件和周围环境，以土钉墙作为主要基坑支护结构型式，详细介绍了该方案设计思路以及施工步骤。经现场监测，实测基坑边坡侧向最大位移值仅为26mm，一般在5～15mm间，其他监测指标均在设计的控制标准之内，取得了较好的支护效果和经济效益。

【关键词】深基坑；支护设计；土钉墙

Research on Design and Construction for a Deep Foundation Pit Supporting Project in Complicated Geological Conditions

Du Meng-min

（Tianjin University of Science and Technology Tianjin 300457）

【Abstract】A Deep Foundation Pit was located in the old city zone of Kunming， which was dug 10.4m in depth. In the design of the protective structure of excavation， the characteristics of the engineering ambience and the quality of soil were taken into account. The soil-nailing wall was the main type of pit-protection structure， which was introduced aboratively. The displacement monitored in the field could reach 26mm， but was commonly between 5mm and 15mm， Other monitored indexes were all within the standard limit of the design. The Deep Foundation Pit Supporting Project was accomplished with a good protecting and economical effect.

【Key words】Deep pit；Design for protection；Soil-nailing wall

1. 引言

基坑是建筑工程的一部分，其发展与建筑业的发展密切相关，而深基坑是充分利用土地资源的方式之一。由于我国地少人多，人均占有土地还不及全世界人均占有土地的十分之一，为节约土地，向空间要住房，向旧房要面积，许多高层建筑拔地而起。据不完全统计，1980～1989年10年间，我国新建高层建筑1000余幢，1990年～1999年10年间，全国新建的高层建筑超过9000幢。适当发展多层和高层，向空中和地下发展是解决我国土地资源紧张的一条重要出路。随着城镇建设中高层及超高层建筑的大量涌现，深基坑工程越来越多，同时，密集的建筑物、大深度的基坑周围复杂的地下设施，使得放坡开挖基坑这一传统技术不再能满足现代城镇建设的需要，因此，深基坑开挖与支护引起了各方面的广泛重视。尤其是90年代以来，基坑开挖与支护问题已经和正在成为我国建筑工程界的热点问题之一。

2. 深基坑支护方案设计与施工[1]

（1）深基坑支护的目的在于确保坑壁的稳定，施工安全，邻近建筑物和构筑物以及管线的安全，有利于挖土及地下室的建造，而且要保证支护结构施工方便，经济的合理性，所以支护体系的选用原则应该是安全、经济、方便施工，同时选用支护体系也要因地制宜。

（2）安全不仅指支护体系本身安全，保证基坑开挖、地下结构施工顺利，而且要保证邻近建（构）筑物和市政设施的安全和正常使用；经济不仅是指支护体系的工程费用，而且要考虑工期，考虑挖土是否方便，考虑安全储备是否足够，应采用综合分析，确定该方案是否经济合理；方便施工也应是支护体系的选用原则之一，方便施工可以降低挖土费用，而且可以节省工期，提高支护体系的可靠性。一个优秀的支护体系设计，要做到因地制宜，根据基坑工程周围建（构）筑物对支护体系变位的适应能力，选用合理的支护型式，进行支护结构体系设计。相同的地质条件，相同的挖土深度，允许围护结构变位量不同，满足不同变形要求的不同的支护体系的费用相差可能很大。

（3）深基坑支护结构的设计与施工不同于上部结构，除地基土类别的不同外，地下水位的高低，土的物理力学性质指标以及周围环境条件等，都直接与支护结构的选型有关。表1所示为几种常见深基坑支护结构。支护结构型式选择的合理性，关系到安全可靠、施工顺利和工期等等问题，下面就昆明某深基坑探讨该工程支护方案的设计与施工问题。

3. 工程概况

该工程位于昆明市老城区。由地上10～22层住宅楼，3层裙房和地下车库等建筑物构成，平面尺寸约为110m×82m，均设两层地下室，基础埋深均为-10.4m，属于大型深基坑。

由于基础埋深范围内存在上层滞水，为满足基坑土方开挖及地下土建施工期间对边坡稳定性和地下水的要求，必须在基坑四周采取有效的人工降水和护坡措施以确保基坑边坡的安全。

3.1 工程地质概况

3.1.1 工程地层情况。

拟建场区基本平坦，自然地坪标高平均约为42.82m。根据现场钻探与原位测试及室内土工试验成果综合分析，在最大勘探深度范围内（20.0m）的地层，除局部有人防分布外，按沉积年代、成因类型，共划分为2个成因类型4个大层，自上而下分述如下：

3.1.2 人工堆积层。

该层分布于场地表层，包括粉质粘土、粘质粉土填土层及房渣土层，局部有炉灰位于第二层，厚度一般为2.0m～4.0m，局部达4.40m～5.10m。

3.1.3 第四纪沉积层。

①砂质粉土、粘质粉土层：位于标高37.76m～40.81m以下，具中低压缩性；

②砂质粉土、粘质粉土层：位于标高36.22m～37.58m以下，具低压缩性；

③粉砂、细砂层：位于标高33.98m～35.12m以下；

④卵石、圆砾层：位于标高29.82m～31.50m 以下。

4. 支护方案的选择[3]

4.1 基坑支护方案的选择原则及要求

（1）满足深基坑护坡的稳定性要求；

（2）确保土方开挖及基础土建施工期间边坡的安全；

（3）优化护坡方案，尽量降低护坡成本；

（4）施工工序简单有效，尽量缩短施工工期。

4.2 本项目基坑护坡的技术难点分析。

基坑支护方案的选择受多种条件的制约，如：基坑平面尺寸大小、基坑开挖深度、地下水位情况、工程地质情况、周边建筑物及场区内的地下管线布置等因素。从本工程的边界条件和地层条件来看，其基坑护坡存在以下技术难点：

4.2.1 基坑大、土质差。

由于该工程属大型深基坑。而上部2.5m～4.0m内均为杂填土，土质属中软地层，这样无论是土钉护坡还是护坡桩护坡都有一定的施工难度。

4.2.2 地下障碍物的存在。

由于本工程位于老城区内，地下各种废弃管和人防等地下障碍物的位置、埋深、走向、数量不详，造成地下水的渗漏位置、水量不清。

4.2.3 地下水的存在。

由于本场区槽深内存在大量上层滞水，尽管采用了深井井点降水措施，但因该滞水主要来自废弃的各种地下管线，其位置、深度、走向及水量不清，势必造成护坡面存在局部渗水，这要求本工程护坡时必须采用封堵和导排措施相结合方可确保边坡的安全。

4.2.4 服务期限长。

由于该建筑物地下结构面积大、工序多，且属于边施工边设计，护坡的服务期相对较长。同时本工程支护体系要面临雨季考验，这就要求其护坡体系绝对安全可靠。

4.3 基坑技术方案的确定。

从上述分析可以看出，本工程护坡区的周边条件的差异要求本基坑护坡方式和支护体系强度不同，在选择各侧护坡方法时，应在充分利用原状土自稳的条件下实现基坑各侧的支护体系与周边条件相统一。通过受力分析表明，采用一般土钉护坡或悬臂护坡桩护坡均无法满足边坡的整体稳定性要求。为此，在详细分析本基坑的地质条件和周边环境的基础上，通过理论分析并参考同类工程的经验，经技术、经济的对比，提出本基坑的护坡方案。

4.3.1 采用加强型土钉墙支护方案（0～-4.0m）。

由于基坑上部0～-4.0m内土质以杂填土为主，且废弃地下管线也多存在于该深度内，为此，在该区段内采用加强型土钉墙护坡来增加支护结构的强度和刚度，改善边坡的受力状况确保其边坡稳定。

4.3.2 采用加长土钉支护方案（-4.0m ～-10.4m）。

为了提高边坡的抗滑力和增加支护结构的整体抗倾覆弯距，将在该区段内采用加长土钉来增加土钉的土固力，提高护坡的安全系数。

5. 基坑土钉墙支护设计

5.1 土方开挖要求。

采用分步岛式开挖，挖土施工按要求分步进行，每步沿护坡边线施工并由人工修坡，在开挖前放挖边线。及时进行支护施工，平行作业，每步挖土待喷砼面层和注浆砼达一定强度后，方可继续开挖下一步。

5.2 挖土深度的确定及分步开挖方案。

挖土深度必须满足边坡稳定的要求，并和土钉支护的排距及施工方便相匹配。

按照边坡稳定分析（库尔曼法），保持稳定的土钉临界高度hcr为：

hcr=4cT[sinβcosφ1-cos（β-φ）]

β——边坡倾角（与水平线的夹角）；φ——土的内摩擦角；c——土的粘聚力，KPa；γ——土的容重，KN/m3 。在考虑安全系数后，取：

hcr=2.67cT[sinβcosφ1-cos（β-φ）]

由地质勘察资料，取C平均为20.0 KPa，γ为21.0 KN/m ，φ为20°； 按直立开挖计算即β取为90°，计算结果为3.6米。土钉支护排距为1.5米。综合考虑成孔为人工洛阳铲成孔，必须有不低于1米的作业空间，最后确定开挖步骤如下：

5.3 挖土方法及要求。

挖土应分四步进行。第一步土方挖深为2.3m～2.4m，第一、二排土钉施工；第二步挖深为2.0m，第三排土钉施工；第三步挖深为2.5m，第四、五排土钉施工；第四步挖至-10.2m，停止机械挖土，改用人工清土至设计槽底标高-10.4m，以防超挖和地基土的机械扰动。须在上一步土钉护坡完成并待护坡砼达到一定强度后，方可进行下一步土方开挖。

这样做优点在于：

（1）采用岛式开挖，能有效的控制基坑边坡的变形（位移），减少了基坑的无支护的暴露面积和暴露时间，土钉支护及时，根据基坑开挖时空效应原理，能有效的利用土体自身控制地层变形（位移）的潜力；当基坑中间土挖除时，先期施工土钉支护注浆砼和喷砼面层已达一定强度，可有效的控制基坑的变形。

（2）土钉支护工作条件好，不需支架施工，施工速度快，能保证土钉支护及时。

6. 加强型土钉墙支护质量保证措施

6.1 边坡修整。

每层土方开挖后，人工及时按照设计的坡度（上部为1：0.25，下部为1：0.15）进行边坡修整，要做到削平、削到位。修整坡面时，每隔5.0m左右设置控制点，使修整的坡面坡度达到设计要求。

6.2 定位。

根据土杆设计间距在边坡上定出每个土杆的位置，并作出标记，孔位误差不大于100mm。

6.3 成孔及土杆安装。

（1）成孔直径不小于设计直径（100～130mm）；

（2）角度应控制在50～100之间；

（3）成孔应做好记录，并在检查合格后方可进行下一道工序。

6.4 注浆。

水泥浆的水灰比为0.5到0.55，特殊地层可适当调整，压力不小于0.3MPa。水泥浆注入饱满，补浆次数不小于2次，并使孔内水泥浆充足饱满为止。

6.5 编网。

按设计要求的间距和保护层进行编网、绑扎，搭接长度要符合规范要求，网片与土杆钢筋外上端的弯钩焊接成一个整体。

6.6 喷射混凝土。

喷射砼分两次进行，喷射砼强度等级为C20，配合比为水泥：砂：石=1：2：2，并根据地层情况和天气情况可适量加入速凝剂，混合料应搅拌均匀。

空压机风量≥9m3/mn，气压取0.2～0.5MPa，喷头水压≥0.1MPa，喷射距离为1.0左右。喷射厚度不小于设计要求。

6.7 施工监测。

基坑采用土钉墙护坡后，其支护体系最大的水平位移和垂直沉降一般均发生在基坑边壁的顶部1.0m内。为了能及时准确地了解土方开挖期间及护坡完成后边坡的稳定状况，在基坑护坡期间沿基坑边壁的顶部0.4m～1.0m处，每隔30m设置一个基坑位移观测点。在基坑护坡期间，每天观测l～2次；在完成基坑开挖、变形趋于稳定后，每3～5天观测一次，施工监测的内容如下：

（1）支护体位移的量测；

（2）地表开裂状态（位置、裂宽）的观察；

（3）附近建筑物及重要管线设施的变形和裂缝观察；

（4）基坑渗、漏水和基坑内外地下水的水位变化。

根据本工程的特点，基坑水平位移的警界值为≤3‰H（H为槽深）。

7. 取得成果

本工程自2005年4月25日进场，5月20日正式开工，7月5日启动降水，至8月18日完工，历时115天，取得成果如下：

7.1 支护结构稳定性方面：在土方开挖后，自2005年7月1日至10月1日共92天，对基坑边坡侧向位移进行了全面观测，最大位移值仅为26mm，一般在5～15mm间，符合规范要求，也达到了设计要求。

7.2 降水方面：采用周围管井封闭降水，坑内减压水井快速疏干和降低承压水头，局部引渗明排相结合的方法，达到了地下结构干槽作业的目的。

7.3 土方开挖方面：基底土无扰动，平面尺寸、槽底标高均符合设计要求。

7.4 竣工验收：设计与施工控制规范、科学、合理，技术组织措施落实到位，保障有力，隐蔽验收资料齐全，工程优良。

8. 结语

8.1 深基坑工程支护方案设计，应综合考虑基坑特点，土质条件、周围建筑物以及构筑物环境、工程造价等因素。本工程基坑开挖深度达10.4m，基坑支护结构设计主要采用加强型土钉墙和加长土钉护坡支护等支护方案，并成功解决了基坑支护、土方中多项施工技术难点。

8.2 施工过程以及完工以后，均加强了监测力度，为保证工程的有效顺利进行，防止突发工程事故提供了有效的保障。监测资料表明支护方案合理，支护结构稳妥可靠，取得了良好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1] JGJ120-99 建筑基坑支护技术规程[S].

[2] 李钟.深基坑支护技术现状及发展趋势[J].岩土工程界，2001，（2）：45～47.

[3] 屠毓敏，阮长青等.温州大剧院深基坑支护技术[J].岩土工程学报，2006，（1）：59～62.