复杂环境条件下基坑的设计与施工

林华国，魏国灵

（广东省工程勘察院 广州510510）

0 引言

老城区建筑物密集，周边环境复杂，存在众多管线、房屋等。近年来，随着城市建设的发展，越来越多基坑需要在闹市区进行开挖，基坑开挖对周边的建筑物影响较大，如未做好防护措施，可能出现重大安全事故。

针对此类工程，设计时要根据周边建筑物的基础形式、结构形式、周边荷载、管线类型、埋深、材质等环境条件，结合场地地质条件、周边允许变形、施工建筑物堆载、出土车道、塔吊设置、施工机械等因素，进行综合考虑，出具安全、经济、可行的设计方案。

对于这一典型问题，诸多学者进行了相关研究[1-2]。熊晓腊等人[3]结合以武汉老铺片商业及住宅项目深基坑工程为背景，采用有限元软件PLAXIS 对其进行了基坑开挖全过程的数值模拟分析，结合模拟计算结果分析了复杂条件下基坑支护结构体系及周边环境的受力、变形情况。张来安[4]结合兰州工程实例介绍了采用咬合桩+预应力锚索支护形式，考虑土体与围护结构的相互作用, 在基坑支护结构周围环境的监测数据基础上结合ADINA 三维有限元分析进行对比和分析，得出建筑物变形与锚索轴力增加的关系。汪小林[5]通过合理选择基坑围护体系、优化支撑布设、设计土方开挖、调整支撑形成与拆除时序以及对邻近地铁侧基坑采用双液注浆加固等措施，确保了基坑施工期的安全，高效地完成了出土及支撑拆除等工作，顺利完成了基坑施工。

本文结合工程实例介绍了复杂条件下基坑支护设计与施工的具体过程，可为类似工程提供参考。

1 工程概况

拟建工程位于广州市老城区，基坑平面形状呈L型，基坑边长约74.0 m×70.0 m，周长约274.0 m，面积约3 735 m2，开挖深度约9.50 m，拟设2 层地下室，基础形式拟采用桩基础（见图1）。

基坑周边环境非常复杂，东侧为市政重要道路，南侧中部已建教学楼，紧贴基坑开挖边线，教学楼为人工挖孔桩桩基础，教学楼在基坑施工过程中，需要进行正常教学活动，开挖过程需重点保护。西侧为多栋砖混结构的2～8 层民房，天然基础，与基坑侧壁水平距离约4.0 m，北侧为3～8 层天然民房，距离基坑开挖边线约10 m。

基坑周边存在多条管线，其中，东侧及南侧靠近基坑的主要为输电管线，与基坑开挖边线的最小水平距离约10.2 m，北侧有一条煤气管线和一条给水管线，与基坑开挖边线的最小水平距离为6.7～9.6 m，基坑西北角位置有一条煤气管线，与基坑开挖边线的最小水平距离为4.5 m。

图1 基坑周边环境示意图Fig.1 Diagram of Surrounding Environment of Foundation Pit

由于基坑周边环境非常复杂，基坑安全等级为一级，应严格控制周边变形及地下水位变化，以确保基坑周边安全。

2 地质条件

2.1 工程地质条件

根据勘察报告，场地地层上部自上而下由人工填土（Q4ml）、冲积层（Qal）及残积（Qel）组成，下伏基岩为白垩系（K）沉积岩组成。地质断面图如图2 所示，主要土层特征如表1 所示。

2.2 水文地质条件

场地地下水按含水介质类型（含水层的空隙性质）不同可分为第四系浅部土层中的孔隙水和深部基岩裂隙水。

2.2.1 第四系孔隙水

场地内第四系孔隙水根据埋藏条件可定义为潜水，其中〈2-1〉层淤泥质土及〈3〉层残积粉质粘土可视为相对隔水层，〈2-2〉层淤泥质粉砂及〈2-3〉层中砂为主要含水层，富含孔隙潜水，含水层厚度大分布连续。场地地下水丰富，水力特点为无压或局部低压，其补给来源主要通过临近地表径流及大气降水垂直渗透补给，其排泄方式主要为在重力作用下流入其他含水层或通过地面蒸发、植物蒸腾的形式进入大气。

2.2.2 基岩裂隙水

场地内基岩裂隙水主要为风化裂隙水，分布在深部岩石强风化带中。岩石强风化带中裂隙多被泥质次生矿物及化学沉淀充填，使其导水性降低；岩石中风化带及微风化带中水量大小多与裂隙的张裂程度有关，水量不大。

勘察施工期间，实测钻孔地下水稳定水位埋深为1.57～1.73 m。其水位变化辐度与地表水力联系密切，据多年的监测资料一般为0.50～3.00 m 之间。

图2 地质纵断面展开图Fig.2 Geological Profile

3 基坑支护设计

3.1 技术难点及方案选型

⑴周边环境非常复杂，开挖周边有多栋建筑物和管线，绝大部分建筑物为天然基础，且为砖混结构，距离基坑开挖边线非常近，周边环境对本基坑变形控制要求非常严格[6-7]，且天然基础不允许施工锚索，因此基坑必须采用内支撑支护结构。

⑵施工空间非常紧张，局部基坑开挖边线距离已有建筑物仅2 m，支护桩距离地下室边线只有300 mm距离，因此，支护桩和止水桩应共用，支护桩采用咬合桩，地下室侧壁施工空间不够，采用内衬砖胎膜施工工艺配合防水砂浆，地下室侧壁浇筑设置单侧模板，用止水螺栓固定，结构上采用内防水。

⑶地质条件较差，地下水丰富，存在涌水涌砂的可能，咬合桩需采用全套管钻进，防止塌孔，对周边造成影响[8]。

⑷基坑面积很小，但开挖深度大，出土口位置只能设置在基坑东侧中部，出土车道周边采用角撑或对撑进行支护，以方便出土车辆行走。

3.2 支护结构布置及设计计算

本工程基坑开挖深度为9.50 m，根据以上分析，采用咬合桩+内支撑，咬合桩选用φ1 200@900，荤桩和素桩间隔布置，桩顶设置截面尺寸为1 200 mm×1 000 mm的冠梁。支撑梁主撑截面为1 000 mm×1 000 mm，连系梁截面600 mm×800 mm，地下室侧壁外侧预留300 mm 的空间，采用“网喷混凝土+砖胎膜”结合内防水。采用理正深基坑计算软件，主要结果如图3 所示。

由图3 中可以看出，基坑开挖到底，最大变形约19.53 mm，桩身最大弯矩2 365 kN·m，支撑最大轴力为5 094 kN。计算结果表明，基坑变形小于20 mm，可以满足一级基坑变形的控制要求；桩身的弯矩较大，选用直径为1 200 mm 的桩，可以满足要求；支撑轴力最大值约5 000 kN，选用截面1 000 mm×1 000 mm 的钢筋混凝土支撑也可以满足要求（见图4）。

图3 计算结果Fig.3 Calculation Results

图4 基坑支护平面布置及典型剖面示意图Fig.4 Graphic Layout Typical Section of Foundation Pit Support

4 基坑施工与监测

4.1 基坑施工

基坑从2017年8月10日开始施工，工程桩及咬合桩于2017年10月28日全部施工完成，随后进行支护桩的完整性检测、冠梁支撑梁施工，于2017年12月3日开始进行土方开挖，2018年3月15日基坑开挖到底，然后进行底板施工。

由于场地东侧需要作为临时通道，地下2 层不能及时完成，但工期紧张，需要将西侧先拆除，因此对基坑拆除采用分区拆除，拆除顺序拟按Ⅰ区→Ⅱ区→Ⅲ区（见图5）。

拆除Ⅰ区支撑时，会造成西侧的支护结构临空，因此，完成西侧（Ⅰ区）的地下2 层楼板并达到设计强度后，应在西侧中部设置4 处临时型钢斜撑，斜撑上方支撑与地下2 层楼板，下方支撑与地下室底板，然后拆除Ⅰ区；随后进行Ⅱ区和Ⅲ区地下2 层楼板浇筑，达到设计强度后分块拆除Ⅱ区、Ⅲ区，到2018年5月15日基坑完成回填。

整个基坑开挖过程中，没有发现涌水涌砂及变形过大现象，基坑顺利完成。

图5 基坑分区拆除示意Fig.5 Divisional Demolition of Foundation Pit

4.2 基坑监测

由于基坑周边环境非常复杂，本基坑开挖委托了第三方监测单位进行监测。基坑监测的内容包括基坑顶的位移和沉降、支撑轴力、测斜、地下水位、周边房屋的沉降等，总共完成了145 次监测，各监测项目的数量和最大变化量如表2 所示。

表2 监测数量及累计最大值汇总表Tab.2 Summary of Monitoring Quantities and Cumulative Maximum Values

监测结果表明，内支撑的轴力、基坑变形等基本与设计计算相符，但基坑实际最大变形略小于计算值，这与计算时，咬合桩仅考虑荤桩而不考虑素桩的假定模型有关系，这是偏于安全的[9-10]。

5 结论

本工程地处闹市区，周边环境复杂、场地地质条件差、施工空间狭窄，具有典型性和代表性。能否控制好基坑变形和止水问题是此类基坑设计成功的关键。小结如下：

⑴采用咬合桩可以减少一道止水帷幕，节约施工空间。

⑵采用咬合桩，止水效果好，针对砂层直接过渡到强风化岩层的场地，优势明显。

⑶咬合桩设计计算如未考虑素桩作用，计算结果是偏于安全的。对于周边环境要求较高的，可以作为安全储备，对于周边环境简单的，可以适当进行优化。

⑷在场地用地非常紧张的条件下，地下室外墙预留300 mm 做砖胎膜和内防水，是有效节约施工空间的方法。

⑸在内支撑无法同时拆除时，应根据场地基坑的实际形态，设置临时换撑措施，以确保拆除支撑基坑安全。