城市复杂环境深大岩质基坑施工技术

贾佳兴 葛 强 李鹏飞 张明聚

(1.北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京 100124；

2.中铁十七局集团有限公司，山西太原 030006)

越来越多地下工程的大规模兴建，对基坑开挖支护设计及施工技术提出了更高的要求[1]。基坑向着高、大、深方向迅速发展的同时，传统的人工机械配合开挖方案已经不能满足目前的开挖要求(特别是岩质深基坑工程)。爆破技术因其经济高效的特点被广泛应用于岩土工程。熊祖钊[2]等介绍了城市复杂环境下建筑基坑土石方的爆破开挖；张文虎[3]等采用孔内外延时爆破开挖石质渠道。钻爆施工不可避免地会对周边道路、邻近建(构)筑物等造成不良影响[4]，对于如何控制爆破的负面效应，很多学者做了大量的现场试验和研究，主要包括对装药量、微差时间、孔间距[5，6]等爆破参数的研究。王薇等[7]通过数值模拟手段，认为以水平爆破为主的爆破方式能够有效降低爆破振动速度。数码电子雷管能够实现毫秒级别的延时爆破，通过逐孔起爆，使得地震波主振相分离并反相叠加，从而达到减振的效果[8，9]。但目前在基坑工程中的应用研究相对较少。

合理的支护形式不但是保证边坡稳定的重要基础，而且是缩短工期、降低成本的有效措施。深基坑支护类型主要有拉锚式、悬臂式和内撑式等[10]。其中，拉锚式支护施工灵活、占地面积小、适应性强，被广泛应用于各种工程中。韩健勇等[11]结合具体工程，通过理论计算，分析拉锚支护结构的受力变形规律，并总结了其在深基坑中的施工方法。王卫东等[12]结合不同的实践案例，分析总结了超深地下连续墙、超深水泥土搅拌墙等复杂环境下的软岩深基坑支护技术。王富国等[13]通过实践和数值仿真，证明了桩锚支护形式在复杂环境深基坑支护工程中的安全性和经济性。为满足复杂的基坑设计，多种支护形式的组合应用在深基坑设计中变得越来越普遍[14，15]。

基于地质条件的不确定性，基坑工程中仍然存在很多的技术问题，如相关爆破标准、支护结构优选原则尚未完善等，从而导致近些年来安全事故时有发生[16]。以某交通枢纽综合体超大超深岩质基坑工程为背景，分析总结分期、分区施工组织方案，以提高土石方开挖和基坑支护的效率；采用数码电子雷管精细化控制爆破技术可将邻近高层建筑物和地下结构的爆破振动速率控制在1.0 cm/s以内；采用板肋式锚杆挡墙的逆作法施工技术，可有效控制邻近建筑物的沉降和倾斜变形。

1 工程概况

1.1 基本情况

该交通枢纽综合体基坑位于繁华市区中心，为市政道路下穿隧道、轨道交通和建筑工程共用，基坑南北宽125 m，东西长560 m，平均开挖深度为23 m，最深处达44 m，开挖面积约6×104m2，开挖土石方量约136×104m3。基坑北靠城市既有主干道，东西侧有规划中的城市干道；周边建(构)筑物林立(包括有多栋高层商住楼、商业街区、酒店、医院、写字楼和学校)，深基坑及周边环境平面如图1所示。

1.2 地质特征

工程场地较平坦，地形地貌简单。上部为人工填土(Q4ml)、残坡积(Q4el+dl)层，下伏侏罗系中统沙溪庙组(J2s)粉砂岩、泥岩及砂岩，其物理力学参数如表1所示。整个场地砂岩、泥岩为互层关系，场地内基岩较完整，岩体构造裂隙较发育。在沟槽低洼处的第四系人工填土含一定量孔隙水，砂岩仅局部含少量地下水，地下水不发育。工程所在区域属亚热带季风气候，降雨量大且较为集中。

1.3 工程难点

(1)安全要求高、技术难度大

该基坑位于闹市区，为超大型深基坑，邻近建(构)筑物距基坑边坡最近处不足10 m，边坡深陡，出渣困难，施工周期长，极易发生基坑侧壁失稳等工程事故。边坡工程安全等级为一级，周边环境对爆破振动和爆破飞石控制要求严格(邻近建筑振速允许值不得超过1 m/s)，基坑开挖总体施工组织难度很大。

(2)工期紧、任务重

项目中存在多种专业工程交叉作业，施工相互干扰时间长，节点工期相互影响严重。为不影响其余专业工程工期及后续施工，需要在一年的时间内完成土石方开挖及基坑支护，常规的施工方法无法按期完成。

图1 深基坑及周边环境平面

2 工程施工关键技术

2.1 基坑开挖方案

根据项目用地拆迁、管网改迁进度、城市道路交通转换组织方案及项目整体计划，将基坑开挖划分为两期。每期分为四个区域进行施工，土石方开挖顺序为自上而下，采用分层分段逆作法有序开挖并及时支护。具体开挖顺序如下:

(1)平整场地，挖除基坑范围内松散土和地表土层，下挖3 m。

(2)综合考虑基坑周边环境、场内运输、出渣路线等因素的影响，从基坑西南侧便道入口开始，利用反铲开挖拉槽至基坑内，作为车辆进入坑内的坡道。再以该槽为自由面向北、东、西三侧进行扩挖，下挖深度为5 m(土层基本开挖结束)，如图2所示。

(3)自便道口由南向北松动爆破形成V形自由面，向两侧扩槽至满足设备工作的宽度。再以该槽为自由面向北、东、西三侧扩挖，下挖深度为7～8 m。同时在便道口沿基坑内壁由西向东开挖宽7 m的施工出渣便道。

(4)采用同样的方式继续爆破(向下开挖7 m左右)，大致达到了设计高程。

(5)对于剩余的“坑中坑”，采取浅孔松动爆破分层开挖，周边设置减震孔；对四侧封闭的超深段基坑采用小型机械开挖，边开挖边支护，采用塔吊垂直提升出渣。

图2 基坑开挖示意

2.2 数码电子雷管爆破

基坑位于市区中心，对爆破时间段、爆炸药用量控制严格，普通电雷管控制爆破不能满足每日爆破次数和出渣量。为满足工期和爆破振动的控制要求，对基坑的主体部分采用浅孔数码电子雷管微差起爆，同时辅以减振孔减振。

(1)爆破参数

选用φ42 mm～φ49 mm钻头，孔网参数如表2所示。

表2 爆破孔网参数

(2)爆破网路

①起爆顺序和起爆方向:起爆顺序根据自由面情况，采用单孔顺序起爆。为保证间隔时间精确，选用数码电子雷管单孔顺序微差起爆系统(专用数码电子雷管起爆器起爆，使用2号岩石乳化炸药)。爆破方向尽可能朝向基坑南侧，以避开人流和车流主干道。

②网络连接形式:各雷管脚线并联接入起爆主线，延时时差为孔间17 ms、排间120 ms，不同临空面条件下的起爆网络设计如图3。

图3 数码电子雷管单孔顺序微差起爆网络设计(单位：ms)

由于孔深未超过3.0 m，采用连续装药，起爆药卷直径为32 mm、长20 cm，放在装药长度的1/3处(近底部)。

(3)减振孔布设

为降低爆破振动及保护岩体稳定。爆破前，在基坑边缘设置10.0 m宽减震区，“坑中坑”四周设2 m宽减震区。结合工程特点及施工经验，减振区孔径为100 mm，排距、间距均为0.20 m，深度比主爆区深0.5～1 m。之后，采用液压破碎机进行破碎平整。

2.3 逆作法板肋式锚杆挡墙

综合考虑现场周边环境，结合地区经验，主要选用板肋式锚杆挡墙进行永久性支护并分级设置，各级间由2 m宽错台连接，最大墙高19 m。基坑上覆人工填土自稳性差，岩质以泥岩、砂岩为主，表层易风化剥落。考虑到施工安全性，采用逆作法施工，即随着开挖进程，由上往下分层、分段跳跃式支挡防护，典型断面如图4所示。

图4 深基坑典型断面

主要工序如下。

(1)边坡开挖钻孔

边坡沿竖向分成3～5节。为确保施工进度，保证基坑壁稳定，根据边坡岩土层的密实度情况，每一级开挖的土层高度不大于2.0 m；每节高度控制在5 m，水平方向按照每段15～20 m进行分段，分层分段跳槽开挖。

采用全高全封闭的扣件式双排钢管脚手架，每阶脚手架用钢筋连接锚固于岩体。此架既用于锚杆钻孔、灌浆和混凝土的浇筑，又兼作安全防护。

锚杆施工时，操作层小横杆间距按照300 mm加密搭设，上铺跳板。为适应不同锚孔直径，采用MGY-100B全液压钻机进行钻孔，锚孔偏斜度不大于5%，钻孔深度超过锚杆设计长度不小于50 cm。土质地段采用干作业法施工，岩石地层采用压水钻进法施工。根据地质条件控制钻进速度，钻至规定深度后继续用水反复冲洗泥沙，直至溢出清水。

(2)锚杆制作

为满足承载力要求，锚杆锚筋由1～6根HRB500级φ32钢筋组成(最长为25 m，倾角15°)，以2.5 m(竖向间距)×2.0 m(水平向间距)布设，锚杆水平拉力设计值取标准值，根据《建筑基坑支护技术规程》，有

其中:Htk为锚杆水平拉力标准值/kN；Rk为锚杆极限抗拔承载力标准值，本次抗拉拔基本试验得到锚杆体与岩土层间粘结强度特征值为220 kN；α为锚杆倾角/(°)；kt为锚杆抗拔安全系数，安全等级为一级的支护结构，kt≥1.8，本次施工取2.0。根据锚杆锚固段所处岩层风化形式的不同以及所构成锚筋根数的不同，其水平拉力标准值、锚孔直径和锚固段长度如表3所示。

锚杆钢筋为3根以下时，间隔2.0 m点焊成束，在锚杆下部焊φ10钢筋船形支架，按2.0 m间距点焊设置，以确保锚杆不产生过大挠度且位于锚孔中部，同时保证锚杆周围有足够的水泥砂浆保护层。

锚杆钢筋在3根以上时，将锚杆钢筋制作成圆形，间隔2.0 m设置固定环，使钢筋在锚孔内均匀布置，固定环采用12 mm厚的钢板制作，每隔2.0 m设置一道。螺旋钢筋直径为8 mm，间距为10 cm，点焊于锚杆钢筋的外侧，以使锚杆钢筋形成骨架。当锚杆钢筋长度不足时，应采用机械连接。不同锚筋体构成的锚杆结构设计截面如图5。

表3 锚杆参数

图5 锚杆结构设计截面

(3)锚杆安设注浆

安设锚杆前，将锚杆顺直、除锈、除油，保持锚杆的清洁。对重量较大的锚杆，采用机械吊装。安装时，需防止杆体扭压和弯曲。为便于灌浆，将φ22聚氯乙稀塑料注浆管随杆体绑扎，一同放入孔内至孔底150 mm处。锚杆安设于锚孔中心位置，砂浆保护层厚度不小于25 mm，同时不得损坏防腐层。本次设计的锚杆均为全粘接锚杆。

采用M35水泥砂浆，强度42.5 MPa的普通硅酸盐水泥(水灰比为0.38～0.5)。采用一次灌浆法进行压力注浆，压浆压力为500 kPa。

(4)肋柱与挡土板施工

本工程采用暗肋柱，按4 m间距嵌于挡土板后边坡内，外表面与挡土板外表面平齐，浇筑时与挡土板同时施工。肋柱设置有0.4 m×0.4 m和0.5 m×0.6 m两种不同截面，柱间设置0.2 m或0.4 m厚现浇混凝土挡土板，肋柱嵌入基坑底1 m，挡土板嵌入基坑底0.5 m。具体步骤如下。

①钢筋安装:挡土板钢筋采用绑扎搭接，在肋柱和挡土板顶设置联梁，肋柱及挡土板的钢筋伸入联梁顶，与联梁上下层的钢筋绑扎或焊接在一起。

②模板安装:立模前，在基底铺设50 mm的砂垫层，以便于上下层挡土墙的连接，同时将挡土墙中的主筋预留弯曲后埋入砂垫层中，待下层挡土墙施工时，将预留钢筋扳直并与下层挡土墙主筋相连。

③混凝土浇筑:采用C25混凝土，抗渗等级不小于S10。分层浇筑振捣密实，强度达到设计强度的80%后进行下一层锚杆挡土墙施工。下一层锚杆挡土墙灌注至上一层锚杆挡土墙底部5～7 cm时停止灌注，待混凝土初凝后采用干硬性混凝土人工填塞密实，外露面用水泥砂浆抹平。

④伸缩缝的设置:沿基坑边坡方向按15～20 m间距设置20 mm宽的伸缩缝，其位置在挡土板的中部或肋柱交界处，缝内采用沥青麻筋填塞，深度不小于

20 cm。

⑤泄水孔:有地下水渗出点或边坡面有裂隙的地段应设置泄水孔，采用φ50PVC管，按2.0 m上下间距、向外5%排水坡度设置。位于土层地段的泄水孔须设置反滤层(厚0.3 m的砂夹卵石)，岩层地段的泄水孔须设置反滤包。

3 工程效果及安全性监测

该基坑工程开挖与支护均已完成，在11个月的时间内，完成了136×104m3土石方开挖及基坑支护，除去恶劣天气，平均爆破土石方量接近6 000 m3/d，共使用乳化炸药约455 t，数码电子雷管约105发。施工过程中锚杆安设和灌浆均很顺利，周边邻近建筑物沉降、结构顶点水平位移和主体倾斜率小于控制标准。建筑物未出现新裂缝，整个支护结构表面平整美观，施工及后续使用期间未出现边坡滑塌等施工险情，有效保证了基坑的安全性，工程比原计划工期提前一个月完成。具体监测内容包括巡视检查、建筑物沉降和顶点水平位移观测以及爆破振动监测。

3.1 建筑物沉降、测斜分析

选取邻近建筑物从开挖至施工完成后一个月内的一组沉降监测和顶点水平位移数据进行统计计算，得到位移-时间变化曲线，如图6所示。

图6 邻近建筑物沉降和结构顶点水平位移监测分析

可以看出，建筑物沉降量和水平位移量随着基坑的开挖呈增大趋势，最后趋于稳定，随着与基坑边坡距离的减小，沉降和水平位移明显增大。施工期间，最大累计沉降值为3.16 mm，顶点最大累计水平位移值为8.5 mm，主体结构倾斜率i=ΔD/H=0.008 5/92.4=0.9×10-3，均产生在高层住宅E栋。巡视检查表明，建筑物未出现明显裂缝(其中:ΔD为结构顶点水平位移/m；H为建筑物结构高度/m)。根据《建筑基坑工程监测技术规范》，最大累计沉降控制变化量为10～60 mm，本工程取10 mm。根据《民用建筑可靠性鉴定标准》，框架剪力墙高层建筑顶点水平位移限制值为H/300=308 mm，考虑到周边环境的特殊性，本工程取15 mm，主体结构倾斜率限值i=1.6×10-3。水平位移和倾斜率的监测结果均远小于标准限值，表明建筑物均处于稳定状态。

3.2 建筑物爆破振动监测

选取邻近建筑物更为密集的二期基坑爆破开挖过程中建构筑物振动速度进行研究，统计分析某处工点在爆破过程中各监测点最大单孔药量下的最大振速，结果如表4所示。

根据GB 6722—2014《爆破安全规程》，待保护建筑物的安全允许质点振动速度最小值为1.5 cm/s，结合本工程周边环境复杂、基坑深度大的特点，对周边高层建筑物的爆破振动控制采用1.0 cm/s，监测数据符合规定限值，对邻近建筑物未造成危害。

表4 爆破振动监测结果

4 结论

(1)根据场地周边环境和地质地层分布，合理安排施工顺序，在确保工程质量和安全的同时，能够有效地节省工期。

(2)所采用的数码电子雷管浅孔台阶微差爆破技术，解决了普通非电导爆管雷管面临的多孔同时起爆时振速叠加、振速超标、无法大规模起爆等问题。爆破时，周边紧邻建筑物振速在允许范围之内。

(3)逆作法多筋体大直径锚杆挡墙可有效保障施工期间临近建筑物的安全，通过分区、分段的平行作业，将施工过程具体化、定量化，能够极大地提高施工效率。