建筑技术丨临江非对称卸荷深基坑开挖与支护施工技术

1 工程概况

1.1 项目简介

某集团宜昌总部项目位于宜昌伍家岗区，总建筑面积约12万㎡，由一栋36层超高层塔楼、一栋4层裙楼与地下3层（局部4层）地下室组成。塔楼高153 m，裙楼高21.6 m，结构为型钢混凝土框架–钢筋混凝土核心筒结构。本工程施工场地内高差变化较大，场内自然标高呈南、北侧高、中部低，如图1所示。基坑面积约14 178 ㎡，开挖深度达10.72~16.20 m。基坑北侧为已建城市主干路，南侧为城市主干路且紧邻长江，南北两侧地下管网复杂分布。东侧为同步建设的超高层住宅楼，西侧为既有超高层住宅楼。

图1 基坑平面布置示意

1.2 现场地质特征

场地原始地貌为长江Ⅱ级阶地地貌单元，场地微地貌为冲沟。场区土层为素填土、粉质粘土、粉土质粉砂、粉土、卵石，下伏为白垩系下统泥质粉砂岩。

施工场地地下水可分为上层滞水、孔隙型潜水、承压水和基岩裂隙水。上层滞水主要受大气降水、周边居民生活排水和市政管网的补给、控制，经过蒸发、渗透排泄等，故其水量小；素填土层含少量上层滞水与潜水，对基础施工影响较小；卵石土层赋存层间孔隙水且水位变化受长江水的影响，洪水季节具有承压水特征，枯水季节具有潜水特征；基岩裂隙水赋存于基岩网状构造裂隙中，接受大气降水的垂直向补给，受季节性影响较大。为分析施工场地的水质及土地腐蚀性等，通过利用临近区域建筑的试验资料，两地相距约500 m，为同一地貌单元，地层及水文地质条件相同。且邻近的金色海岸、虹桥国际等已建项目未出现水质、土地对建筑材料腐蚀的现象；场区及其周边无污染源，宜昌地区多年的建筑及岩土工程经验表明，水质、土地对建筑材料暂未发现有腐蚀现象。

2 施工难点分析

2.1 临江汛期施工

施工场地距长江约110 m（汛期约为86 m），地下水水位、水量直接受江水影响。近年（2008年1月9日）最低枯水位在37.17 m左右，勘察阶段长江水位高程约39.35 m，基坑场地内稳定水位高程在41.59~42.70 m，地下水处于潜水水位。基坑施工开始时期正值长江汛期，长江水位高程约50 m，高于基坑底部标高约10 m，地下水为承压水状态。基坑B侧施工需在长江汛期高水位期间，施工对防排水要求较高。

2.2 毗邻超高层高边坡偏压卸荷

基坑A侧毗邻既有建筑32层住宅楼，建筑边缘与坑顶距离最近约7 m且住宅楼室外地面靠近基坑侧为高边坡，在基坑施工前，小区内地表标高与基坑内标高相差4.430 m，在基坑开挖后，两者的高差增大至17.65 m。本侧基坑不具备放坡条件，由既有超高层和边坡产生的不平衡力会改变本侧基坑支护结构原本的传力机制和变形模式，产生的偏载增大了围护结构上的主动土压力，从而推动基坑围护结构向非偏压一侧位移，将增加基坑开挖风险。需采用合理的支护设计在基坑开挖过程中保证建筑高效用地，控制既有超高层基础边坡坡脚稳定性且在基坑开挖扰动下不会发生边坡的变形。

2.3 临近超高层深基坑同步开挖

基坑C侧紧邻拟建超高层建筑基坑且两基坑工程同步开挖，但邻侧建筑基坑坑底设计标高比本工程坑底设计标高高6.850~7.850 m。一方面，同步施工两基坑的相互作用关系错综复杂，两基坑间距较小，不具备设置中间缓冲带的条件。其次，邻基坑坑底在本工程基坑底以上，不仅使基底局部岩土体增大了不利于本侧的主动土压力，还为邻侧基坑排水创造了条件，增加了本侧基坑开挖降水工作量及渗透引起的潜在风险。本侧基坑不具备内支撑条件，需采用合理的支护形式降低由邻侧开挖扰动及坑底高差引起的基坑变形及稳定性风险。除此，本基坑B、D两侧均有地下管网分布，对周边岩土层的沉降变形控制要求较高。

3 基坑开挖与支护关键控制技术

3.1 基坑开挖与稳定控制

根据现场自然高差条件、拟建单元特性和运渣的交通条件，整体上采用分区开挖、南土北运的方案。将基坑整体划分为10个区域，按照1–2 … 10区的顺序完成开挖。单个区域内采用分步开挖方式，以1区开挖为例，施工区钻孔灌注桩达到设计强度要求且基坑降水达到开挖面以下1 m后，方进行二次开挖；此时桩基呈悬臂受力状态，为控制基坑变形，第一道锚索支护须在二次土方开挖完成后尽快形成，第一道锚索达到设计要求强度后，方可进行三次开挖，若锚索未完成施工或强度未达到设计要求，可先向邻近的3区开挖，既保证施工连续，又能确保安全施工；各区域取土高差不超过3 m，开挖过程中喷锚、冠梁、锚索按顺序进行，开挖至坑底后应立即进行人工修土，同时区域内的垫层、筏板基础结构依照顺序进行。

3.2 基坑内降水与排水

汛期施工时，因长江水位高于基坑底约5 m，形成了自然水头差，开挖区域处于潜水与承压水作用区。为了避免江水渗入基坑产生管涌风险，在正式开挖之前，在1区沿江段距离基坑0.5 m位置通过56 mm钻孔在高程45 m和40 m的位置需布设2组光纤式孔隙水压力计进行连续监测，采集孔隙水压力计测试结果。开挖前临江侧土体孔隙水压力监测如图2所示。

图2 开挖前临江侧土体孔隙水压力监测

测试结果表明，汛期水位在50 m附近波动时，开挖区的孔隙水压力较小，一方面是开挖区处于粉质粘土层和较致密的卵石层，本身渗透性较低。另一方面临江岸坡在沿江开发建设前及时采取了有效的防水防渗措施，故此临近岩土体不产生较大变形，不会影响其防渗、防水功能。由监测数据可知，施工场地大气降水和生活用水对岩土层含水率影响较大，由于本工程周边环境复杂以及对地层沉降控制要求严格，采用止水帷幕会改变周边渗流网分布，因此在基坑四角及间隔50 m布置1 m×1 m×1 m的集水井，基坑四周设置截面为0.2 m×0.18 m的排水沟，将集水井连成一个明沟排水系统。在坡顶设置截面为0.25 m×0.3 m的混凝土截水沟，与基坑外集水井一起形成截水系统，

待江水沉淀后排放至市政管网，基坑周边地面采用0.1 m厚C 15混凝土硬化防水，防止雨水流入基坑内。为避免长时间降水对周边环境的影响，需根据开挖顺序分区合理启、闭降水井且增加降水期间地面沉降监测频率。开挖过程正值汛期叠加强降雨影响，基坑局部出现间歇性积水，经过密切监测基坑排水量、支护变形及外侧地表沉降的情况，本基坑未出现不利于基坑稳定的情况发生，说明“分区开挖、防排结合”的方式在本工程中的适用性较好，与类似条件下设置止水帷幕的工程实例相比，可大幅节省施工成本。

3.3 基坑支护与变形监测

（1）基坑支护。鉴于本项目周边的复杂情况，桩锚支护体系可以采用锚杆取代基坑支护内支撑，给支护排桩提供锚拉力，以减小支护排桩的位移与内力，并将基坑变形控制在允许范围内，成为本基坑支护方案的首选。支护桩采用间隔2 m直径0.8 m的钻孔灌注桩，并配合预应力锚索进行支护。桩顶采用冠梁连接，根据土体开挖情况施作第一道腰梁及锚索，针对基坑周边不同情况，分别采用不同的桩锚组合形式。

西侧因存在既有超高层高边坡住宅楼，故其地形存在高差，现需要对高边坡进行了加固处理，基坑采用单排桩双道锚索的支护形式，在回形角采用双排桩双道锚索的支护形式。从临江侧西南角开挖，考虑城市主干道车辆荷载较大，道路与基坑高差大但支护空间有限，采用单排桩三道锚进行支护。临江侧东南角既有高层建筑为桩基础，桩底深嵌粉砂岩层，支护要求要低于基坑南面，故采用单排桩双道锚支护；毗邻在建超高层侧同步开挖的基坑高差7.85 m，考虑上部粉质粘土层弱透水且卵石层具有一定自稳性，本侧继续开挖时对方已停止扰动，首选喷锚支护形式，但仍不排除上层滞水或潜水影响。东侧坡顶无重要建筑物，施工期间坡顶也无附加荷载堆放，采用悬臂桩对高差为8 m的边坡进行支护，期间密切监测支护结构变形及地面沉降情况并做好实时调整支护强度的准备。基坑北侧靠近城市主干道，开挖深度在7.6 m左右且属于最后开挖的部分，基坑的支护结构整体已基本完成，采用单排桩配合单道锚进行支护。支护桩完成之后在桩前预留5 m土台，先完成内部区域开挖，桩检测达到强度、锚索张应力不再增大且开挖区经过降水处理后，逐步开挖预留土体，并根据开挖深度施作腰梁及锚索，挂网喷射混凝土进行养护。为了防止基坑“坑角效应”对支护效果的影响，在坑角效应影响范围内视情况采取增大锚索间距或减小支护桩桩径的方法，同时转角处的预应力锚索可采用错位布置。

（2）变形及沉降监测。在基坑开挖前，建立了包括基坑周边建筑物沉降、道路及管线沉降、锚索内力和土体深层水平位移、支护结构变形在内的信息监测网，完成了未开挖前的监测及初始数据采集。全程将信息管理与动态施工相结合，实时加强监测，并密切观测相邻建筑物、管涵、供水管道、燃气管道等渗漏情况。临江侧东南角既有高层建筑单排桩双道锚支护区支护桩累计沉降达到20.51 mm且变形增长率快速增加，开挖停止后变形速率降低，说明该处变形是由桩前土体开挖引起。随着开挖过程的进行，沉降累计值达到31.56 mm，随即对该处的锚索进行了二次张拉，在张拉完成后测点变形短期内增加至35.58 mm，但在完成对已开挖部分的主体结构施工及回填后，该测点的变形达到稳定。西侧既有高层建筑的角点冠梁表面在开挖过程中出现竖向裂纹，但支护桩顶变形测点并未持续增大，直至开挖完成并回填，此处并未出现其他变形问题。在建超高层基坑侧的自然喷锚支护区时，在靠近排水沟位置受到滞水影响而产生局部坍塌，通过采用1∶1砂石级配装包回填后打入土钉并进行挂网喷锚处理后，则不再发生坍塌。监测结果表明，基坑整体支护结构较稳定，桩锚组合式支护对本工程地面沉降控制严格，适用性较好。

4 结束语

（1）在对复杂条件下的大型深基坑进行开挖时，根据周边情况实施分区、分步开挖的方式，有利于充分利用岩土体的自稳性能和场地空间，减少支护结构养护时间对工程进度的影响，以降低成本。

（2）基坑群工程中，相邻基坑间不具备设置缓冲区的条件时，充分利用土体自稳能力，在支护桩的配合下可实现两个基坑的同步开挖，但要做好交界面的防排水。

（3）对近江高水位施工时，在考虑地质条件采用开放式透水基坑可以实现大深基坑的开挖，但开挖顺序的选择对基坑内水位控制、降排水要求、支护结构设置均有重要影响。分步开挖、分段处理的方式不仅可以提高工效，还有利于降低施工风险并控制成本。