复杂条件下紧邻既有建筑深基坑关键技术研究

郑 憧

(上海市基础工程集团有限公司，上海 200433)

1 概述

随着城市迅速发展，超大型深基坑的施工伴随产生一系列的问题，如：基坑开挖深度大、周边保护建筑物多、施工场地狭小等。为保证项目工程施工的安全，以及周边建筑物的稳定性，对基坑工程的要求也越来越高，随之出现的问题也越来越多，这给特别是紧邻既有建筑或保护建筑的基坑施工带来了很大的困难。目前为充分利用土地资源，地下室一般用足红线，在这种情况下，若地下室深基坑仍采用明挖顺作支撑方案施工，由于整体面积较大且施工场地狭小，就减缓了塔楼的施工进度。导致施工周期长，而且对周边环境影响大，经济性也差。针对目前超大深基坑的特点，为加快深基坑施工进度，同时做好坑边既有建筑的保护工作，解决施工场地狭小的难题，同时使业主合理安排资金投入，当前超大型深基坑采用逆作法设计与施工的优势也日益凸显，也积累了一定的经验[1]。复杂条件下紧邻既有建筑深基坑关键技术研究的推广、应用及发展是势在必行的。

2 背景工程概况

2.1 工程概况

背景工程位于昆明市五华区，建设内容为商业建筑及公园，整个地块设置三层地下室。基坑总面积为15 000 m2，普遍区挖深16.5 m，工程平面布置图见图1。

2.2 周边环境概况

本工程周边道路下埋藏有较多市政管线。工程北侧毗邻市文物保护单位。

2.3 地质概况

开挖范围内主要涉及③1层黏土层、④1层强风化岩和④2中等风化灰岩。

基地内土层分布如表1所示。

在勘探深度范围内，均揭露稳定地下水的分布，据现场实测成果，工程场地孔内稳定混合地下水位受场地地形标高变化影响，为现有地表下0.5 m～4.0 m。根据本次勘察成果，场区内地下水类型以上层滞水、第四系孔隙潜水和基岩裂隙、岩溶水为主。

表1 土层物理性质参数

3 基坑难特点及方案选型分析

3.1 基坑难特点

1)本工程上部人工填土层及冲湖沉积层，强度较低，对基坑侧壁稳定性不利。底部残坡积层和下伏灰岩受基岩起伏影响，厚度变化较大，岩层节理裂隙发育，分布不均，且层间多分布溶洞(或宽大裂隙)，受地质构造、岩溶作用等综合因素影响，对本工程基坑围护结构的选型及止水性能提出了较高要求。

2)场地内存在岩溶不良地质。本场地岩溶分布规律性较差，总体形态表现上以垂向溶洞、石芽等为主，场地岩溶发育程度总体为中等发育。加大了本项目基坑支护进行有效止、截水的难度。

3)本工程场地内地下水水系发达，深层基岩裂隙、岩溶水主要为场地下伏二叠系碳酸盐岩形成的裂隙和岩溶水，考虑到拟建项目周边广泛分布市政道路、管网和已建成住宅小区等情况，同时考虑到拟建项目场地地下水位相对较高、水量较为丰富，因此拟建项目基坑的地下水控制不宜采取直接大规模抽排降水的方式，应该主要采取止、截水的方式。

4)拟建项目场地位于昆明城市核心地带，人口较为密集，且历史文物保护建筑紧邻基坑，与本项目地下室边界线距离一般约为6 m～10 m，其岩层起伏幅度较大，③层黏土层较厚，压缩模量相较岩层相差较大，故需要采用刚度较大的支护体系。

3.2 基坑方案选型

根据本工程的特点，“逆作法”施工利用结构楼板作为基坑内部的水平支撑构件，对基坑位移变形控制较强，且可节省大量临时支撑构件的工程造价，一柱一桩的使用又加大了临时立柱桩作为结构工程桩的利用率[2]。“逆作法”对于本工程具有以下优点：1)提供大量施工空间，可更好周转场地用于临时弃土。2)整体刚度大，大量堆载不影响基坑安全。3)逆作时可同时进行东侧景观的施工，加快与周边环境的和谐统一。同时对顺作法、逆作法造价进行了对比，本工程逆作法对比顺作法可节省造价约-4.41%[3]。

工程从围护实施的可靠性、造价、工期方面综合比较，逆作法的形式对于本基坑更有优势，故对本基坑推荐采用逆作法进行施工。基于以上对本工程特点、支护选型、支撑选型等的分析，本基坑工程采用咬合桩作为支护结构，竖向支撑体系采用结构梁板逆作。

4 基坑设计

4.1 逆作结构采用咬合桩体系技术要点

1)大跨度围护桩变形控制。

本工程普遍区挖深达16.5 m，普遍区域咬合桩桩径采用φ1 200 mm@1 800 mm。在故居保护区域，由于③层土较厚，④层岩层相对较深，开挖过程中支护桩刚度过小容易导致上部土体沉降，造成房屋变形开裂，故在文物故居保护区域采用加大桩径的方式，咬合桩桩径采用φ1 500 mm@2 400 mm(如图2所示)。

2)咬合桩与外墙处理。

本工程咬合桩与外墙间保持200 mm净距，后期基坑开挖至基底结构外墙回筑阶段，咬合桩表面找平，挂网喷浆后铺设防水毯作为外防水，完成防水后再利用咬合桩作为外模板进行外墙钢筋绑扎及混凝土浇筑，混凝土浇筑时遇楼板处设置浇捣喇叭口，外墙相应楼板圈梁上设置振捣孔(如图3所示)。

4.2 一柱一桩节点

根据结构设计，本次结构柱采用钢管，兼作为一柱一桩，不再外包混凝土。本工程中地下室结构框架梁主梁截面尺寸为450 mm×800 mm，而钢管立柱的截面为φ550 mm，而且由于首层结构作为施工场地使用，因此梁板配筋需根据施工要求进行加强，其结构构件配筋的数量也较多，因此逆作施工阶段必然存在梁柱节点位置梁钢筋难以穿越钢立柱的困难。

根据逆作施工阶段的一柱一桩承载力计算的需要，本工程拟对上部结构下承载力较高的立柱采用φ550 mm的钢管混凝土立柱，由于钢管混凝土立柱直径大于梁截面，考虑到框架梁钢筋的穿越，本方案考虑钢管混凝土立柱位置和框架梁钢筋连接方法首层区域采用钢筋笼的方式连接，B1及B2层采用环梁节点。

首层板采用在钢管内插入钢筋笼的方式，钢筋笼底部埋入钢管混凝土内，顶部与顶板钢筋进行连接，达到连接目的，该方式水平钢筋易在钢筋笼内穿越。

B1，B2层环梁宽度目前结构设计暂定300 mm，高度比穿越的梁高50 mm，方便底部钢筋穿越，并设置钢牛腿加强混凝土梁与钢管的抗剪。

对于建筑洞口区域，环梁影响建筑洞口尺寸，为此采用钢环板的方式，在钢管柱与梁交界区域设置钢环板并加劲，主梁钢筋焊接于钢环板处，通过环板节点与各梁、柱进行竖向力的传递。节点见图4。

在本工程的设计中，存在较多设计难点，如叠合梁设计、结构错层处理、结构构件不连续、后期与相邻地块的连接问题，我们采用了以下方法进行处理。

1)出土口设计。

由于逆作法是先施工结构梁板再进行土方开挖，因此暗挖土方的出土效率对逆作施工的影响较大。利用首层结构梁板作为施工机械的挖土平台及车辆运作通道，利用电梯井、楼梯等结构永久开口位置预留空间较大的出土口，给逆作施工阶段的出土带来极大的方便，有利于加快施工进度缩短工期。小型挖土机在逆作结构梁板下进行土方开挖并将土方驳运到出土口附近，再通过垂直运输设备将大量土方运输出首层结构，由土方车辆将土方运输出场。由于首层结构梁板上将布设车辆运输路线，运土车等施工机械频繁往来，因此车辆运输路线的结构梁板和临时出土口周边的结构梁需进行加强处理，并尽量以利用消防通道结构楼板为原则，取土口间距尽量保证下层小挖机土方驳运距离在30 m内。

2)施工后浇带位置传力杆件。

根据与结构单位沟通，本工程地下室顶板由于覆土及施工机械行走的原因不设置后浇带，在B1B2层楼板位置，后浇带位置由于结构梁板仅钢筋连通，混凝土后浇，无法达到逆作阶段的传力要求。本方案拟采用在后浇带位置设置型钢传力杆件，型钢锚入后浇带两侧的结构梁和板内一定长度，并在锚入部分设置圆柱头抗剪栓钉，以确保锚固效果和传力的可靠性(见图5)。

3)一柱一桩设计要求。

一柱一桩作为基坑开挖阶段，逆作结构梁板的竖向支承构件，承担施工过程中的全部竖向荷载，其沉降量直接关系到其连接的结构梁板的竖向变形，由变形产生的次应力可能导致结构梁板的开裂，影响施工质量。根据以往的大量工程实践，一柱一桩的沉降控制指标为差异沉降小于2 cm且不大于结构梁跨的1/400。在施工中要控制嵌岩桩的沉渣厚度，清除孔底沉渣。为此，本工程一柱一桩桩端必须进入相对稳定的岩层(④2层中等风化灰岩(较破碎))，并进行桩端后注浆，尽可能减少施工阶段产生的不均匀沉降，确保逆作施工的结构梁板的施工质量。本工程钢管柱垂直度控制在1/500以内。

5 对保护建筑专项设计保护措施

5.1 保护建筑区域确保支护桩桩底嵌入岩层

保护建筑区域该层岩层揭露面较浅，而岩层的强度高，不易变形，支护桩嵌岩后底部成为固结端，而顶部为楼板支撑可作为固结考虑，两端固结的支护桩其变形相对而言较小。同时采用盆式开挖，保护建筑侧土方开挖至B0层梁底标高，采用土模浇筑顶板，减小支护桩悬臂高度，以控制该侧变形。

5.2 保护建筑区域加大支护桩桩径

对于保护建筑区域，该区域岩层起伏大，故将该区域桩径加大，考虑到当地施工套筒的可选择性，选用大直径的φ1 500 mm咬合桩，桩底插入深度13.5 m，增加整体刚度来减小基坑侧向变形。

5.3 合理布置出土洞口，根据时空效应进行开挖

基坑施工的长短对周边环境也有一定影响，时间越长时空效应越明显，支护桩的累计变形就越大。逆作基坑受制约的主要因素为出土速度，为加快基坑施工速度，本次布置时以尽量加大出土口面积为原则，保证大多数出土口距离在30 m以内，加快整个基坑的施工节奏，以进一步减小基坑周边的变形。

5.4 减少保护建筑周边的行车动载

本工程场地狭小，若重车直接在保护建筑附近施工，容易因为频繁的动载及重载导致底部土体扰动，从而降低土体强度，导致房屋沉降，另外，周边的大量荷载也会增加基坑的侧向变形，导致坑外土体沉降，增加房屋沉降量。根据我院类似工程的成功经验，可将顶板行车面积加大，重车直接从出入口行走至顶板上，避开保护建筑区域，可有效减小周边环境的变形，同时顶板行车范围的加大也有利于提升机械的施工效率，加快土方开挖及支撑、换撑的速度，减小变形的累计量。

5.5 保护建筑侧支护桩增加注浆孔

咬合桩桩间施工不当时易产生渗漏点，为保证咬合桩的止水效果，在保护建筑侧增加注浆孔，孔深同咬合桩桩长，在降水试验后发现有漏点或开挖过程中出现渗漏时，在该侧支护桩桩间区域进行双液注浆处理，水泥中掺入水玻璃加快水泥的凝结，止住漏水点，防止水土流失对保护建筑产生影响。

5.6 保护建筑处设置跟踪注浆管

在基坑开挖过程中，保护建筑可能产生局部沉降，沉降的产生原因很多都是土体扰动，为此，在沉降超过报警值时，需要对地基土进行填充加固，减小该侧土体持续变形，从而控制不均匀沉降，跟踪注浆孔仅在沉降较大侧设置，根据监测情况调整压力、速度及注浆量，保证房屋结构的安全(见图6)。

5.7 保留古树进行专项保护

在保留古树处，咬合桩采用套管施工，隔绝水泥等体系对其的污染，在施工过程中若发现古树产生沉降，采用跟踪注浆对其下部土体进行加固，注浆采用纯水玻璃；另外，联系园林部门对现场进行踏勘，了解古树情况，在古树生命体征出现异常时由园林部门出具方案，采取打吊针等方案保证其安全。

6 结语

1)对于传统的混凝土支撑体系，整体刚度较小。而梁板系统由于楼板的水平刚度十分大，故采用梁板结构作为支撑后，对于支护桩的水平支撑效果较好，可大大减小支护桩的水平位移，从而减小保护建筑的竖向沉降。

2)本工程采用了确保支护桩桩底嵌入岩层、加大支护桩桩径、合理布置出土洞口、减少保护建筑周边的行车动载、增加注浆孔、设置跟踪注浆管等多种措施保证了保护建筑的安全性。

3)采用咬合桩体系作为逆作法的围护体系，加快了设计进度，节省了工程造价。在设计中采用的咬合桩与外墙处理节点，加强了整体刚度，减小了渗漏水的风险。

4)通过总结本工程的设计经验，给保护建筑紧邻既有建筑深基坑设计提供新的思路，扩大应用范围。