刍议基坑支护结构设计与施工

　　摘要：本文作者就自己多年的工作经验，结合工程设计实例，就其设计方案、监测方案、施工方案的合理和可行，使得深基坑设计和施工取得了成功等方面展开分析，其经验可为同行参考借鉴。
　　关键词：深基坑支护；咬合桩：结构设计与施工
　　1工程概况
　　本工程位于长三角地区，为大型地下生活广场。其基坑有三大特征：开挖深度深，相对于地面标高，开挖深度为-13．6m，最深处为-18m：面积大，基坑南北方向长370m，东西方向长125m，呈U字型，两头大，中间小，开挖面积在3万m2以上；开挖施工存在较大风险，粉细沙、地下水位高、距邻近建筑物极近，该基坑东面是一座已建成且已投入使用的大剧院，呈月牙型，为全钢结构，两个拱角正好和本基坑“U”字的两个角相对，两者最近处仅为12m。当地政府要求该地下域施工期间不影响大剧院的正常演出。该基坑北面是钱塘江，基坑离钱塘江最近处为38m。两者之间是一条城市主干道。本基坑底在钱塘江水面以下-10m处，地下水十分丰富。地质勘察报告表明：“由于本场地位于钱塘江附近，场地地下水和钱塘江江水有一定的水力联系。”而本工程工期近两年，必定数次历经钱塘江的潮起潮落。基坑西南面是另一正在修建的高层建筑，是重要的城市标志物，其基坑比本基坑浅6m，且施工完毕，停止了降水。
　　本基坑东、南、北三个方向都为已建成正在建的建筑物，基础都比本基坑底浅，且基础均已完成，从小区域上讲，该基坑没有办法遵照“先深后浅”的施工顺序，使原本就有几分险的工程又新增了难度。该基坑土质为钱塘江口冲击土，砂质粉土层高达10-17m。砂质粉土和地下流水相结合，具有“流水携砂细无声”的特点，常常是不知不觉出现一个大窟窿。
　　2基坑支护结构设计方案
　　根据基坑四周的情况，设计者分别编制不同的施工设计文件，东面有重要建筑物-大剧院，且相距基坑甚近，最小处为12m，东面基坑围护体系是：咬合桩+旋喷桩+锚索+支撑梁。
　　2．1咬合桩
　　它是在两根素砼桩间嵌入一根钢筋砼桩的形式。其关键技术是采用专用桩基来保证桩身垂直度，使得钢筋砼与素桩能可靠咬合，不分叉，形成连续止水挡土的帷幕。另一关键技术是素桩必须采用超缓凝砼方可在两边素砼没有初凝前，在中间扦入一根钢筋砼桩，在扦入钢筋砼中能切割掉钢筋砼桩与两边素砼重叠部分的超缓凝砼，实现咬合，从而使钢筋砼桩与素砼桩共同终凝(见图1)。
　　
　　图1
　　A、桩为素砼桩，先施工，采用超缓凝砼；
　　B、桩为钢筋砼桩，后施工，施工时将两边素砼切割部分。
　　本工程咬合桩采用全钢筋套管液压机施工，桩直径为1．0m，咬合宽度为0．25m，超缓凝砼终凝时间为60h，3d强度小于3．0mpa。咬合桩A栋桩长为基坑深度的1．0倍，咬合桩B桩为基坑深度的1．8倍。A桩主要作用是挡土隔水，B桩除挡土隔水外还有传力到基坑深处的作用。由于咬合桩具有挡土隔水的作用，东西和北面围护的主体采用的是咬合桩。
　　2．2旋喷桩
　　咬合桩要求地下没有障碍物，否则不能咬合，针对大剧院有些地梁头进入了咬台桩间界限，在咬合桩不能咬合处，设计者设计了旋喷桩起到遗拾补漏的作用，以构成严密完整的防水体系。本工程采用三重高压旋喷桩(直径1000mm。间距600mm)，三重旋喷桩长为基坑深度的1．8倍。其他指标为：空气压力0．7mpa，水压25mpa，浆液压3mpa，水泥用量为650kg／m3，水灰比0．9。
　　2．3锚杆：因咬合桩呈悬臂状，加之开挖深度大，咬合桩悬臂部分长，为增加咬合桩挡土能力，设计者在素桩上设计了3~4道锚杆，长度为21~24m，每道锚杆为4~5根钢绞线。
　　2．4钢筋砼支撑梁
　　为确保大剧院两个拱角的绝对安全，设计者在大剧院拱角处的咬合桩边设计了三道钢筋砼支撑梁，间距为3．5m，防止大剧院拱角产生侧移。
　　南面为靠钱塘江一侧。为切断钱塘江江水和本基坑地下水水力联系，设计者在南面设计了“咬合桩+三重旋喷桩+四道锚索”的挡土墙防水维护体系。西面靠近正在修建的高层建筑处两基础的高差处用土钉喷锚。北面是唯一无已有建筑之处，也作为工地进料口和工作场地，采用了台阶放坡大开挖，坡面用素砼喷锚。
　　2．5降水措施
　　地下水在地表以下3m处，基坑施工要求在无水状态下施工，降水成了基坑围护的重要内容之一。本基坑内外均采用深井降水，用Ф300的波纹管，管壁刺孔后用细纱布包裹两层，从管口吊人潜水泵抽水，基坑内深井间距8m一个，正方形布置，基坑处深井10m一个。
　　3基坑支护结构施工技术措施
　　3．1施工应急预案
　　施工方编制的施工组织设计，设“应急预案”一章对深基坑施工中可能出现的各种问题进行了详尽的设计，建立了由建设、监理、设计、监测、施工五方组成的联动机制，配备了充足的抢险材料和机具，应对可能发生的各种突发事件。同时，成立巡查小组，24h不间断巡逻。
　　3．2咬合桩施工工艺
　　咬合桩通过桩间咬合来保证其整体连续性、密闭性，咬合桩桩径1．0m，桩中心距离0．75m，相邻两桩最大咬合部分为0．25m。咬合桩混凝土结构分2种类型，其中A序桩设计为C15超缓凝素混凝土桩：B序桩设计为C25钢筋混凝土桩。施工主要采用“套管钻机+超缓凝型混凝土”方案。钻孔咬合桩的排列方式为：一个素混凝土(简称A桩)和一个钢筋混凝土桩(简称B桩)间，先施工A序桩，后施工B序桩，A桩混凝土采用超缓凝混凝土，要求必须在A桩混凝土初凝之前完成B桩的施工，B桩施工时，利用套管钻机切割掉相邻A桩相交部分的混凝土，则实现了咬合，具体施工工艺见图2
　　
　　
　　图2一咬合桩施工工艺流程图
　　3．3事故桩的处理措施
　　3．3．1平移桩位咬合
　　由于特殊情况造成A1桩混凝土超过终凝时间较长，混凝土强度>10MPa时，B1桩无法切割A1桩成孔。此时将A2桩附近导墙破除，在A2桩不调整桩位的情况下先保证B1与A2咬合施工，B1桩与Al桩相切，然后按顺序继续施工A3、B2、…，最后沿A1、B1两桩外侧施工旋喷桩进行封堵。
　　3．3．2预留咬合企口
　　咬合桩施工的流水作业中断，迅速移机对末端桩进行切割，单侧咬合面成孔，然后在孔内灌注河砂拔管形成砂桩，待后续皎合施工至该桩时重新成孔完成连续咬合桩的施工。
　　3．3．3背桩补强
　　B1桩成孔施工时，其两侧A1、A2桩的混凝土均已凝固，在这种情况下，则放弃B1桩的施工，调整桩序继续后面皎合桩的施工，以后在B1桩外侧增加一根咬台桩及两根旋喷桩作为补强、防水处理。在基坑开挖过程中将A1和A2桩之间的夹土清除后喷上混凝土即可。
　　3．3防止管涌的具体措施
　　在成孔过程中，依据套管的切割下压能力，一般情况下始终保持套管超前于冲抓面2．5m以上，轻抓慢挖，使孔内留有一定厚度的反压土层，防止管涌现象的发生，主要措施如下：
　　1)在地下水丰富的含砂地层施工，钢套管要尽量压入砂层中一般2~4m，就不会出现管涌。
　　2)对于地下水位过高。可以在套筒内补水，以平衡套筒外的水压力。
　　3)在施工过程中随时注意套筒内涌沙现象，有问题及时处理。
　　3．4防止串孔的措施
　　在B桩成孔过程中，由于A桩砼未凝固，还处于流动状态，因此，A桩砼有可能从A、B桩相交处涌人B桩孔内，称之为“串孔”，防止串孔发生通常有以下几个方法可以采用：
　　1)A桩砼的塌落度应尽量小一些，为16±2cm，以便降低砼的流动性，B桩为20±2cm。
　　2)套管底口应始终保持超前于开挖面一定距离，不应少于2．5m，以便造成一段“瓶颈”阻止砼的流动。
　　3)如有必要（如遇地下障碍物套管底无法超前时）可向套管内浇注一定量的水，使其保持一定的反压来平衡A桩砼的压力，阻止“串孔”的发生。
　　4)B桩成孔过程中应注意观察相邻两侧A桩砼顶面，如发现A桩下陷，应立即停止B桩开挖，并一边将套管尽量下压，一边向B桩内填土或注水，直到完全制止住“串孔”为止。
　　5)B桩成孔期间加强过程控制，保证桩的垂直精度，在成孔过程中冲击抓斗轻抓慢进，套管钻机尽量减小摇管幅度，以此减弱对两侧A桩混凝土的扰动，可以预防混凝土“串孔”问题。
　　4基坑开挖维护施工中异常情况处理
　　按设计要求在施工中，开挖过程基本上顺利，除靠钱塘江一侧锚索倒冒水外，整个基坑见底后较为干燥。地下城主体施工也较为顺利，但由于地下城主体施工时间较长，加之各种偶然因素，基坑施工过程中出现过三种异常情况：
　　4．1咬合桩的咬合处被地下水撕开喷水的处理
　　上述情况比较严重的发生了四次，其中最为严重的一次在一个雨天，正值钱塘江涨潮。靠近钱塘江一侧的咬合桩，有一处A、B桩咬合处突然被水撕开一道裂缝，裂缝长1．5m，宽10cm，水呈喷射状喷出，幸好在第一时间被基坑安全巡守人员发现。各方接应急预案联合行动，各方人员迅速到位，抢险物质及时运到现场。首先用型钢将喷水处顶牢，然后用沙
　　袋叠堆三层，基本将强喷水制住。然后在坑顶用旋喷机注入掺有速凝剂的水泥浆，迅速堵住了喷水。
　　此次咬合桩处喷水，从开始到水被止住历时1个小时左右，流水携出大量的河沙，此时基坑底板钢筋已绑扎，流沙在钢筋笼中极难处理，若发现的晚，或堵水施工时间太长，流出的河砂会更多，基坑顶地面空鼓塌隔面更大，甚至将会造成灾难性后果。
　　四次咬合桩咬合处喷漏水的共同特点为：
　　(1)四次喷漏水有三次发生在靠近钱塘江一侧，说明地理位置对喷漏水有很大关系，也印证地勘报告表明的基坑地下水与钱塘江江水之间有水力关系；
　　(2)喷漏水处均发生在咬合桩靠近基底处，符合基坑越深水压力越大的规律；
　　(3)每次喷漏出来的水都携砂，这与基坑周围是粉质细砂土有关，水携砂导致地面空鼓下陷，危及施工及基坑安全，处理方法是灌掺加速凝剂水泥浆。
　　4．2降水受阻处理
　　基坑基本见底后，在靠近在建高层建筑一侧有一条涌水带，紧靠原设计中深井带但深井无法将水降下去，而且导致基坑和高层建筑间高差的土钉墙塌陷，不仅危及正在修建高层建筑的安全，同时使基底的积水井、电梯井的砖态模难以实施。经现场调查分析：这“降不下的水”来自正在建的西边高层基础一侧，因该高层建筑的基础比本基础浅，且已施工完毕停止降水，本基坑比高层建筑的基础深，符合“水向深处流”。分析研究后采取了以“拦截来水”的做法：(1)在本基坑靠近高层建筑一侧加2～3排“朝天锚杆”其方法是在钢管外壁打小孔，一端钢管锤扁至封闭打入地层，再用1．5mpa的压力向管内压入水泥浆，水泥浆从钢管中喷入地层形成一道止水又挡土的屏障，确保高层建筑基坑水不流入本基坑；(2)在积水井、电梯井处因挖得太深，水携砂严重处采用钢板沉井；(3)增加降水深井数量。上述措施实施后，水降下去了，积水井、电梯井顺利实施。
　　4．3土体侧移值超警戒处理
　　当地下城主体从基坑里渐渐地“长高”，接近基坑外地坪时，三道支撑梁已拆除两道，最上面一道支撑梁正着手拆除时，监测单位报告：位于拟拆支撑梁的两根侧斜管的监测数据已到达设计的警戒值40mm，且连续6天的侧移值量每天以0．3mm的速度增加。
　　针对上述情况，各方责任主体负责人开会研究，经实地考察和查阅了全部由监测单位提供的监测报告，比较一致的看法是：(1)测斜量的增加趋势在拆除最后一道支撑梁以前就已经发生，和正在拆除最后一道支撑梁并无关系：(2)侧移量大的位置靠近地坪表层．土体深度侧移并不大；(3)已有两道换撑已做好，并开始受力；(4)警戒值设计时有适当的余量。
　　与会人员在综合分析了各方面情况后决定：在加大监测密度的同时，继续拆除最后一道支撑梁。事实上，侧移量在超过警戒值没有继续扩大，最后一道支撑梁也顺利地拆除，完成了由支撑梁体系受力过渡到由地下城结构主体受力的转换。
　　5深基坑施工监测与施工效果
　　5．1基坑施工监控措施
　　根据基坑围护设计方案要求及建筑基坑支护规程要求，监测单位制定的监控测量方案的主要如下：
　　基坑外测点的布置。对从基坑边缘以外1~2倍开挖深度范围内的需要保护的物体均作为监控对象，离基坑仅12m远的大剧院两个钢拱角自然作为重中之重的监测对象，分别布置了水平位移观测点和垂直位移观测点。对大剧院地坪，处于基坑与钱塘江之间的快速路也布置了相应的测斜管。外挡锚监测，主要是指锚杆拉力的监测。内支撑的监测主要是对两拱角的钢筋混凝土支撑结构的轴力进行监测。观测频率视工程进展而定，基坑开挖较深和变异较大时加密监测频率，最密的为一小时监测一次。
　　5．2实施效果
　　相邻重要建筑物——大剧院建筑物沉降量微小，从而确保了其在施工期间正常使用。从基坑开挖到地下城主体完成持续16个月，期间，大剧院的两个拱角累计沉降量仅2mm，地坪沉降3mm，无水平裂缝发生，确保了大剧院完好无损，期间还举行了数场国际演出，达到了大剧院正常使用的目的。
　　挡住了钱塘江水对深基坑侵害，也确保了本基坑和钱塘江之间城市主干道的正常运营，确保了西面高层建筑的施工，确保了地下城深基坑及主体结构的正常施工。地下城主体耗钢材2万多吨，砼6万多m3，历时16个月，期间经历了暴雨、大雪以及钱塘江涨潮，确保了基坑和施工人员安全。没有引发周围地坪坍塌和开裂，距基坑只有2m的围墙都没有发生严重开裂和倒塌。
　　结论
　　本项目使笔者深感到建筑深基坑施工有很大风险，尤其修建在江河附近或重要建筑物周边的深基坑风险更大，稍有不慎，后果都是灾难性的。本基坑集深、大、险于一体，之所以能成功，至少得益于三个要素：设计方案、监测方案和施工方案的合理和可行性。现在地下工程逐渐增多，旧城改造修建地下工程也会遇到类似情况，该深基坑的设计方案、监测方案、施工方案都有很深的借鉴意义。

《刍议基坑支护结构设计与施工》

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