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深基坑支护设计与施工的信息化管理

摘要：深基坑施工过程中，支护结构的设计及施工方法的选择是深基坑成败最为重要的技术问题，也是基坑安全及控制成本的决定因素。本文以某深基坑为例，介绍了信息化管理及支护方案设计与施工优化。
关键词：深基坑；支护；设计与施工；信息管理；优化
一、概述
深基坑的设计与施工，通常要考虑的技术问题：①地质与水文情况；②支护结构的设计选择；③止水问题（如地下水位较多）；④基坑降水（如地下水位高于基坑底面）；⑤土方的开挖与出土；⑥基坑施工过程中的监测与监控（信息化施工）等等。
基坑工程是地基与基础工程中投资多、风险大、难度大的关键性工程项目，设计与施工工程中必须加强信息化管理，如监测监控、优化设计及施工方案等等。本文重点探讨深基坑工程支护方案设计与施工的优化。
二、工程实例
（一）案例背景
某深基坑支护工程，工程±0.00标高相当于绝对标高48.45m，主楼及裙房下基础垫层底标高均为-20.30m，绝对高为28.15m，场地标高48.56～49.23m，平均约+0.4m，设计基坑开挖深度平均约20.7m，设计基坑使用年限为1年。
基坑特点：①规模大，南北长约165m，东西宽约56～66m，基坑周长约为510m，面积约10000㎡；②开挖深度深，达20.7m；③基坑周边场地紧凑，其中西侧、北侧及东侧紧贴红线，南侧与已有建筑相距离约4m，周边无施工现场；④基坑周边环境复杂敏感，临近燃气管线、道路及已有建筑；⑤拟建项目为大型公建，地下结构复杂，主体结构外侧设有多条汽车坡道，坡道基底标高与主体结构基底标高高差较大，从0～20.7m不等。
地下结构轮廓线与周边围挡、道路及建筑物位置关系如图一。
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1.基坑支护深度范围内土层参数（表一）
本工程基坑深度范围内土层主要有房渣土①1层、粉土填土①层、粉质黏土②层、细砂③层、卵石④层、卵石⑤层等。
2.水文地质条件
根据地勘报告及现场实际量测，场区内有一层地下水，为潜水，静止水位较高为25.19～25.42m，水位埋深为23.30～23.90m，位于基底以下约3m深度，含水层岩性主要为卵石⑤层、细砂⑥层、粉质黏土⑥1层和卵石⑦层，透水性较好。同时，场区内存在局部上层滞水，埋深约6～14m。
3.基坑周边环境条件
基坑东侧：距东侧结构约3.9m外为现有围墙，围墙外为一条约4m宽马路，车流量不大。距北段结构17m外为5层砖混结构住宅，筏板基础，埋深约5m；南段结构25m外为20层剪力墙砖混结构住宅，筏板基础，基础埋深8m，基坑边坡采用土钉墙支护。基坑东侧距离结构外皮1.6m位置埋设有一条燃气管线，燃气管底绝对标高约为46.85m，影响护坡桩施工。
基坑南侧：基坑南侧14m外为正在施工的锅炉房，埋深11.5m，采用桩锚支护，桩长16m，锚杆一道，长度23m；
基坑西侧：西侧二期结构边线距离红线约为3.6m，北墙外为约6m宽北营房北街道路，车流量较大，再往北约10m为一座6层砖混结构住宅，条形基础，埋深约2.0m。
（二）事件过程描述
业主已委托有资质的设计单位完成基坑支护方案初步设计，将基坑支护工程分成两期施工，一期主要为主体结构部分，二期主要为西侧4号坡道部分，一、二期分开施工。
一期主要采用“上部2.3m砖砌挡土墙+护坡桩+三道预应力锚杆支护”方案，护坡桩长度9～23m不等，护坡桩直径为φ800mm，间距1.6m，共计342根，护坡桩桩顶位于地面以下2.3m，桩长23m，嵌固深度为5m，桩底低于潜水水位2m，设计要求护坡桩采用机械成孔作业。二期采用“上部2.3m砖砌挡土墙+护坡桩+1～2道预应力锚杆支护”方案，护坡桩长度13.5～19m不等，护坡桩直径为φ800mm，间距1.6m，共计80根。设计要求二期4号坡道施工时，其东侧与主楼外墙之间的土方，按照坡道深度同时挖除。
2.施工中遇到的问题
（1）实际地质情况与地勘报告不完全相符
本工程于2011年2月28日开工，施工单位进场后采用旋挖钻机湿作业工艺选取了两根护坡桩进行机械试钻，试桩设计桩长均为23m，施工至约19m深继续钻进均出现进尺困难。根据地勘报告描述，卵石④层、卵石⑤层一般粒径2～4m，而实际据现场试桩过程中钻具携带上来的卵石反映，粒径大于4cm以上的卵石含量远超过20%，很大一部分超過了10cm，部分卵石甚至超过20cm，最大过23cm，导致无法达到原初步设计护坡桩桩长。
考虑到直径800mm的旋挖钻机钻头进料口尺寸为30cm×40cm，钻进25cm及以上粒径的卵石进料困难；同时，场区内管线复杂，护坡桩距离设计结构及已有燃气管线较近，机械成孔容易出现意外事故，且桩身垂直度难以保证，影响结构施工；另外，场区周边对文明施工及环保要求较高，而机械成孔噪声较大，且泥浆污染严重。综合而言，本场区不适宜采用机械成孔。
经建设方、监理、专家及施工方共同商讨，现场选取了两根护坡桩（设计桩长23m）进行人工挖孔试桩（如图三所示），以全面了解本场区地层情况及地下水情况，掌握人工成孔的可能性。人工挖孔均挖至21m深度时遇地下水（挖桩作业面为-2.3m），无法继续开挖，深度未达到原设计要求，与设计桩长相差2m。
考虑到在含水层中继续人工挖孔施工难度大，且危险性高，采用人工挖孔桩工艺施工护坡桩，取代原机械成孔，桩底嵌固按照3m考虑（原设计为5m），依据现场实际情况通过调整预应力锚杆来弥补嵌固的减少，以解决边坡的安全性问题。
（2）分两期施工不合理
原设计将整个基坑分为一期主体结构与二期4号坡道分开施工存在以下两个问题：
一是二期施工时需截除一期已施工的护坡桩，截除长度从3.7～18m不等，共计涉及约70根桩，造成了巨大浪费，且增加了人挖桩施工的风险。
二是二期4号坡道较窄，最窄处约为7m宽，而开挖深度约11m深，若单独施工也将面临挖土困难的问题。
因此，原初步设计关于一、二期分期施工的可行性及经济合理性方面考虑欠佳，可进一步优化技术方案。
（三）关键措施
优化调整后的支护结构因地制宜，较原初步设计更加有针对性，主要体现在以下几个方面：
1.原设计桩底位于地下潜水位以下的护坡桩，嵌固减少至潜水水面（实际嵌固3m），增加一道预应力锚杆来弥嵌固不足，保证支护安全。
2.原设计未考虑结构外坡道较主体结构开挖深度小的影响，外坡道位置均按挖至主体结构深度即20.7m考虑，造成大方量超挖，同时增加了支护费用。
3.对一、二期交接部位的护坡桩按照二期4号坡道坡度降低了桩顶标高，避免了后期截桩，减少了一期人工挖孔工作量及锚杆工作量，避免了不必要的危险，大大节省了支护费用。同时也避免了二期较窄引起的后期挖土困难问题，加快了施工进度。
4.考虑采用人挖桩护坡桩间距由原来的1.6m调整为1.7m，实际桩数减少至369根，较原桩数减少了53根，大大节省了支护费用，降低了成桩风险。
优化后的深基坑支护工程平面图，如图四所示。
（四）结果状态
根据现场实际情况，有针对性地进行技术方案优化并通过专家论证，保证了本工程的顺利推进。工程施工过程中施工单位严把质量关，保证了工程顺利通过竣工验收。根据长期位移观测，证实优化后基坑支护体系稳定可靠，同时，本工程支护系亦通过了冬季及雨季检验，工程质量良好。优化设计具有良好的经济、生态环境和社会效益。以本工程为例，仅此一项可节省工程造价约200万元。其次，相比于坡道内侧护坡桩桩顶标高不随坡道标高变化，因地制宜的降低桩顶标高，可避免后期截桩，减少建筑垃圾，保护生态环境。
三、结束语
近年来由于经济的发展及对外开放的需要，高层及大型建筑不断涌现，相应的基础不断加深、支护深度也就不断加深，特别是现在大多数城市进入了大规模的旧城改造阶段，在繁华的市区内进行深基坑开挖，周边环境复杂、影响因素多，场地内存在许多不可预见的情况，給支护工程施工带来一定的影响。
建议在制定基坑支护方案时重点考虑以下几个因素：①安全可靠性；②技术先进性、合理性；③施工可行性；④经济节约；⑤工期合理。基坑支护设计必须充分考虑现场实际情况，因地制宜，优化技术方案，保证方案可行的同时节省造价，取得经济社会效益双赢。
参考文献：
[1]《建筑基坑支护工程技术规范》DBJ15-17-97
[2]《混凝土结构设计规范》GB50010-2010；

-全文完-