深基坑施工中的危险源辨识及控制

林怀志

(福建一建集团有限公司 福建三明 365000)

1 工程与地质概况

1.1 工程概况

大剧院工程位于福州市中心，五一广场南侧，总建筑面积29 712 m2。整个建筑分A、B、C三个区，A区为歌剧厅，B区为多功能影院，C区为音乐厅。A、B区设地下室，A区地下室砼底板面标高为-7.65 m，升降舞台所需的深度要求大于地下室其他部位的深度，形成地下室“坑内有坑”的复杂深基坑，舞台基坑砼底板面标高为-13 m。

1.2 工程地质概况

(1)地质情况

①杂填土：层底标高0.98 m～4.43 m。②粘土：层底标高1.14 m～3.74 m。③淤泥：-5.94 m～-11.41 m。④粉砂夹淤泥：-6.52 m～-15.66 m。⑤淤泥质粉质粘土：层底标高-12.72 m～-27.86 m。⑥淤泥质土夹粉砂：-18.12 m～-26.96 m。⑦淤泥质土夹粉砂：层底标高-27.60 m～-41.04 m。⑧中砂：层底标高-40.88 m～-54.54 m。

(2)地下水文状况

第①层杂填土存在孔隙潜水，其水源为地表水和大气降水，为非匀质含水层，富水性较弱，可采用集水明沟方式进行降水；第④层粉砂类淤泥层和第⑦层中砂夹淤泥层存在承压水，承压水头分别12.5 m和15.8 m，下部承压水和南侧附近小河有密切的水力联系。

2 危险源辨识及控制措施

2.1 深基坑危险源及预防、控制措施(表1)

表1 深基坑危险源及预防、控制措施表

2.2 监测项目及控制指标(表2)

表2 监测项目及总量控制指标

3 控制方案实施

3.1 基坑支护设计与施工

(1)基坑支护的设计

基坑支护结构采用冲孔灌注桩，桩径φ600，桩的上部设圈梁和冠梁。由于舞台位置的基坑比地下室其他部位深度相差大，故在地下室基坑内对舞台的深基坑位置增设一道支护，形成大支护套小支护的特色。支护设计的另一特点，是利用圆的受力特点，设计圆形冠梁，代替了圈梁的中间支撑，便于基坑的土方开挖和地下室结构的施工。基坑降水与阻水方面，采用在支护桩外围设计二排φ500水泥搅拌桩，形成止水帷幕，阻止杂填土内孔隙水进入基坑。

基坑预警监测平面布置(图1)和支护剖面(图2)。

图1 基坑预警监测平面布置

图2 基坑支护剖面图

(2)基坑支护的施工

基坑支护的施工分二个阶段：第一阶段为支护桩和搅拌桩的施工，第二阶段为圈梁、冠梁的施工。第一阶段施工与主体工程桩施工同步进行，第二阶段施工与基坑挖土交叉作业。支护工程施工程序如下：

支护桩、搅拌桩施工→地下室支护桩顶圈梁、冠梁施工→地下室土方开挖→舞台基坑支护桩顶圈梁、冠梁施工→舞台基坑挖土。

3.2 基坑降水的设计与施工

(1)基坑降水的设计主要考虑舞台位置深基坑的降水。舞台深基坑土方需挖至-14.05 m，集水坑位置挖至-16 m，此标高处为淤泥层，且距下部有承压水的地质层的隔水层厚度仅约为7 m，下部承压水层的水头高度达15.8 m。经召开专家论证会议，通过地质资料分析，基坑的降水重点，是降低承压水的水头高度，以防止基坑底产生突涌。

(2)为获取降水设计的第一手资料，首先在舞台基坑附近进行钻孔抽水试验，测得第⑦层承压水静水位6.88 m，水头高度14.7 m。经计算得水头高度需降低3.5 m(取4 m)，并以此进行降水井的设计和验算。

(3)降水井数量设计

方案1：降水井口径为450 mm，用φ219 mm钢管成井，每个井管分别安装过滤器，单独用一台抽水泵，井深为36 m(第⑦层)，过滤器长度L=10.6 m，渗透系数取6.1 m/d。

方案2：降水井口径为450 mm，用φ219 mm钢管成井，每个井管分别安装过滤器，单独用一台抽水泵，井深为42 m(第⑧层)，滤网长度L=16.6 m，渗透系数取15.0 m/d。

按《建筑基坑支护技术规程》[1]有关公式进行验算，得结果如表3所示。

表3 降水井验算表

经计算对比，选择方案1作为井点降水， 抽水井平面布置：在舞台4个角位各设置一个降水井，舞台中央设置一观测井。

(4)降水井钻孔施工选择在舞台基坑圈梁、冠梁施工期间进行。经过泥浆护壁钻孔、下管、填滤料、洗井、水泵安装、架设电缆等一系列工序，并在深基坑挖土前3天提前连续抽水，测得承压水头下降达到预定高度后开始挖土。挖土施工过程表明，降水效果达到预定要求。

3.3 基坑土方开挖

由于基坑支护结构的特殊性，地下室土方开挖不能一次性完成，需要进行分层开挖，开挖时间较长、难度大。

(1)开挖顺序：第一次开挖，从现有地面(约-2.4 m)挖到-4.8 m，然后进行第一道桩顶圈梁、冠梁施工。为了保持硬地表层，使第二次大土方开挖汽车能进入基坑，因此，第一次土方仅开挖支护桩内侧一圈。

(2)第二层开挖是地下室的主要工序，在第一道圈梁、冠梁达到设计强度后开始，从-4.8 m挖至-8.6 m(地下室底板垫层底)，舞台位置挖至-10.5 m(第二道支护圈梁底标高)，由三部挖掘机由北、东、南分层开挖向西南侧土方出口处汇拢，本次挖土的重点是分层开挖，避免因侧压力不同，引起工程桩位移或折断，确保支护桩受力均匀。开挖时对支护桩受力和圈梁位移情况实时监测，以指导土方的开挖施工。

(3)第三次挖土是舞台深基坑位置，在第二道圈梁、冠梁达到设计强度后开始，从-10.5 m挖至-14.05 m(舞台地坑砼底板垫层底)。本次开挖采取从基坑中心分层逐步开挖至四周，经挖掘机三次转运到坑外。

3.4 监测实施

为了确保深基坑施工安全和预报施工中出现的异常情况，并正确指导施工，在施工过程中建立严格的监测体系，实现信息化施工。监测主要内容：支护桩的水平位移、变形，基坑外地表沉降、基坑内坑底土体的回弹量[2]，支撑结构的轴力和挠度，支撑结构和支护桩钢筋应力及变形，基坑内外地下水位。监测内容的测点布置(见图1基坑预警监测平面布置)、观测频率和监测报警值等应符合《建筑基坑工程监测技术规范》[2]的有关要求，委托具有相应资质的第三方实施。

基坑施工过程的监测方法：支护桩身变形(测斜管)、地表沉降和坑内土体回弹监测(沉降标)、冠梁和支撑梁钢筋应力监测(应力计)、支护桩土侧压力监测(土压力计)、地下水位监测(水位管)，圈梁和冠梁水平位移监测(全站仪)、圈梁和冠梁上支撑构件沉降监测(全站仪)、周边场地道路沉降监测及周边河岸水平位移监测(全站仪)。

监测频率：从基坑工程施工前开始，直至地下工程完成为止。支护桩、冠梁和支撑结构施工完监测第一次，做为初始数据；第二层土方开挖1次/3d；第三层土方开挖1次/1d直至地下室底板砼浇筑完成，支撑拆除完成后3天内1次/1d。当出现数据达到报警值、数据变化较大或速率加快、长时间连续降雨、支护出现开裂、地面出现较大沉降或开裂、基坑底部出现管涌或流砂渗漏等情形时，应提高监测频率。若出现危险征兆时，如监测数据达到报警值、出现管涌流砂和隆起、支护结构变形过大等，应实时跟踪监测，并及时报告参建单位，停止施工并采取应急措施。

监测报警：报警值由设计单位确定，监测报警值以监测项目的累计变化量和速率双重控制(见监测成果图3)，该项目按一级基坑灌注桩等级设置。

数据处理和反馈：监测数据、图表应客观、真实、准确、及时，工况描述应结合数据变化和自然环境、施工进展等内容，当观测数据出现异常，应及时分析原因，必要时进行重测。

位移最大值(mm)：32.87 深度(mm)：6.5

3.5 基坑边堆载距离及荷载

该项目属于超过一定规模的危险性较大的分部分项工程，施工前即编制安全专项施工方案，经专家组论证通过。支护结构施工与基坑开挖期间，支护结构达到设计强度要求前，严禁在设计预计的范围内堆载；支护结构达到设计强度要求后，基坑周边10 m范围内严禁堆放超过设计要求的物料；支撑结构上不允许堆放材料和运行施工机械；基坑开挖的土方应及时外运；基坑周边必须进行有效防护，并设置明显的警示标志；基坑周边要设置堆放物料的限重牌，且不得堆放阻碍排水的物品或垃圾，保持排水畅通。

4 危险源预警在实际中应用

由于地下室工程的复杂性和天气客观不确定因素，地下室深基坑施工过程中也存在过一些险情。但由于预警及时、措施到位，保证了深基坑施工的顺利进行。

(1)坑底涌水

在舞台深基坑土方基本挖完、部份基底砼垫层施工时，发现深基坑底部涌水，引起各方参建单位的高度重视，及时邀请有关专家共同研究。经查对降水方案，发现为对连续大雨气候考虑不足，连续大雨水头压力增大的因素引起，同时发现有一口抽水井抽水泵存在故障，降水不及时。项目部立即采取措施，更换抽水泵，并且在观测井安装抽水泵进行抽水，加强降水，水位立即下降，涌水得到控制，防止了基坑突涌的产生，消除了险情。

(2)支护桩水平位移

在舞台地坑砼底板施工完成后，由于舞台机械专业的选择及专项设计，基坑剪力墙埋件无法确定，影响-7.65 m地下室底板无法及时施工。此阶段连续下雨，监测发现外围支护桩变形速率连续三天以上产生较明显的变化(速率最大值0.28 mm/1d)，南侧支护桩逐步向坑内位移(位移累计最大值33.20 mm>30 mm)，深度6.50 m，位于地下室底板标高处，指标大于报警值。为了控制变形速率和阻止南侧支护桩的位移，立即召开各方技术人员专题会，研究探讨解决办法，经多种方案比较，确定在-7.65 m底板上预留施工缝，对南侧底板砼先行浇筑。监测表明，支护桩位移在砼浇筑后得到有效的扼制，位移得到控制。

5 结语

实践证明，危险源预警对深基坑施工起着积极重要的指导作用。正确的预警能够实时预报工程险情、及时采取措施、消除险情、防止重大安全事故的发生。因此，在深基坑施工中，尤其在软弱地基、复杂地质情况下，更应注重利用现代科技手段进行有效监控，以期事先预警危险源，及时发现险情，及时组织抢险。此亦为确保深基坑安全施工的关键。