淺析向莆鐵路三明北站站房工程基坑支護設計

林曉東 中鐵二十四局福州鐵建建筑有限公司，福建 福州 350013

近年來，隨著現代建筑的不斷發展，城市中的建筑密度隨著城市現代化的推進而增大，隨著高層建筑的不斷興建，深基坑開挖支護問題日益突出，深基坑設計在城市發展中變得越來越重要，而深基坑支護設計無疑是保證深基坑施工順利進行以及安全的重中之重。

1 工程概況

擬建場地位于福建省三明市沙縣虬江街道洋坊村與水南村之間，地處205 國道南側。場地范圍內原始地勢平坦開闊，植被不甚發育，多辟為魚塘和民房，目前擬建筑物場地范圍已填墊平整，回填素填土厚度為1.2 ～16.0m。

該項目建筑結構設計工作由該項目設計工作由中信建筑設計研究總院有限公司承擔，巖土工程勘察資料由湖北中南勘察基礎工程有限責任公司提供，擬建建筑物重要性等級為一級，場地復雜程度等級為二級，地基復雜程度等級為二級，綜合確定本工程勘察等級為甲級。

根據建筑結構方案，場地內站房±0.00 標高為129.71m，場地標高在129.71 ～130.01m 之間?；讟烁叽_定如表1:

表1 地下室標高與基底標高一覽表

2 基坑周邊環境狀況

擬建場地遠離道路及管網，周邊無建筑物。

3 工程地質與水文地質

3.1 場地地形地貌特征

本場區位于河谷盆地區，第四紀侵蝕階地，場地范圍內原始地勢平坦開闊，植被不甚發育，多辟為魚塘和民房，目前擬建筑物場地范圍已填墊平整。

3.2 場地工程地質條件

根據該場地巖土工程勘察報告，場地巖土地層由上至下各土層具體特征描述如下:①素填土(Qml):雜色，稍密～中密，主要為人工填筑褐黃色黏性土及泥質粉砂巖碎塊石，碎塊石含量約60%～70%，塊徑較大，最大塊石直徑約50 ～80cm，局部架空。該層場地范圍內普遍分布，且站房范圍內分布且厚度大，層厚1.2 ～16.0m;②含礫粉質黏土(Qal+pl):黃褐色，可塑，土質不均，光澤反應為稍光滑，無搖振反應，韌性一般，干強度一般;局部鉆孔該層黏粒含量低，主要為稍密～中密狀中細砂，黃褐色(局部灰褐色)，顆粒成分以長石、石英為主，見云母及少量暗色礦物;該層普遍夾有卵礫石，其含量約為35%，局部達到40%，粒徑10mm ～40mm，最大粒徑達80mm。該層站房范圍內大部分分布，層厚1.3 ～6.9m;③泥質粉砂巖殘積土(Qel):紫紅色，母巖成分為泥質粉砂巖，經風化作用成土狀，含少量碎石，粒徑由表層向下增大，孔隙率較大、強度一般、遇水壓縮性較高。該層僅局部分布，層厚0.6～6.6m。

3.3 場地水文地質條件

根據勘察報告，該場地淺層地下水類型屬孔隙潛水，賦存于①素填土層中，②含礫粉質黏土及③泥質粉砂巖殘積土為弱透水層，下部基巖為相對隔水層。地下水的補給主要受大氣降水的控制，其排泄以大氣蒸發為主。根據鉆探揭露的地層構造結合場區地貌環境分析，本場地地下水富水條件較差，勘察期間在鉆孔中測得穩定地下水水位標高為115.2 ～124.6m。

3.4 各土層設計參數選取

依據《巖土工程勘察報告》和地方經驗，地層的組份及其工程性質，考慮到工程樁對基坑穩定性的有利影響，該場地各土層基坑支護設計參數按表2 選取:

表2 各土層參數設計值一覽表

4 設計思路與方案比選

4.1 基坑特點分析

地下室基坑開挖深度為2.8 ～9.1m，地下室開挖面積約18000m2，基坑支護周長約640m。

按經濟合理的原則，并結合將本地區運用較多的幾種支護方式進行比較:(1)內支撐，技術成熟，對坑壁變形的限制嚴格有效，可靠性高，對臨近建筑地下設施無影響?；又苓厽o重要建筑，不需嚴格限制變形，成本較高并影響工期，支撐構件布置不便，成本太高。工期長，對土方開挖及結構施工有影響。但本工程平面及立體變化大，局部可使用;(2)樁(錨)支護，技術成熟，應用廣泛，安全可靠，對土方開挖及地下結構施工無影響。質量可靠，成本略高，但本工程平面及立體變化大，局部可使用;(3)放坡噴錨支護，施工簡單方便，造價低，工期短，噴錨支護可與土方開挖同步進行。但邊坡變形較大。造價最省，適于開挖深度不大，場區內周邊環境簡單、變形控制不嚴格要求，也可節省工期。

4.2 支護方案選擇

基坑支護形式的選擇必須根據基坑開挖深度、地質情況、場地條件、環境條件以及施工條件，通過多方案比選確定，所采用的支護結構應安全可靠、技術可行、施工方便、經濟合理。根據基坑周邊環境條件及地質情況，該基坑擬采用的支護形式為:結合淺部承臺深度，進行放坡卸載+掛網噴錨支護。

5 基坑支護設計

5.1 設計依據

(1)設計采用標準規范:①《建筑基坑支護技術規程》(JGJ120－99);②《錨桿噴射混凝土支護技術規范》(GB50086－2001);③《土釘錨桿設計與施工規范》(CECS22－2005);④《建筑地基基礎設計規范》(GB50007－2002);⑤《建筑樁基技術規范》(JGJ94－2008);⑥《混凝土結構設計規范》(GB50010－2002);⑦《建筑邊坡工程技術規范》(GB50330－2002);⑧《建筑基坑工程監測技術規范》(GB50497－2009)。

(2)設計依據資料:①《向莆鐵路三明北站巖土工程勘察報告》;②《向莆鐵路三明北站總平面圖》;③《向莆鐵路三明北站樁位及承臺布置平面圖》;④《向莆鐵路三明北站站房建筑剖面圖》。

(3)設計采用程序?！袄碚罨印?.0 系列基坑工程設計軟件。

(4)設計計算模型:①基坑設計開挖范圍:以地下室承臺外邊線外擴0.8 ～1.0m 為基坑內邊線;②基坑設計開挖深度按承臺墊層底考慮;③坡頂周邊2m 范圍外超載取10kPa 無限均布荷載;④土壓力分布模式，按朗肯土壓力理論，粘性土采取水土合算，砂土采用水土分算。

5.2 支護設計計算

根據建筑結構方案，場地內站房±0.00 標高為129.71m，場地標高在129.71 ～130.01m 之間，基坑深度2.9 ～9.1m。擬建場地遠離道路及管網，周邊無建筑物，根據《建筑基坑支護技術規程》JGJ120－99 的有關規定，本工程基坑支護安全等級為二級。根據承臺布置及厚度和基坑周邊環境將基坑劃分為8 個支護段。詳見表3?；铀闹茌^開闊，有放坡空間。支護方案采用放坡卸載+掛網噴錨的支護形式。

表3 基坑分段及最小整體穩定性系數一覽表

6 地下水的處理方案設計

場區地下水類型主要為上層滯水，可根據采用基坑內設置排水溝和集水井的明排方案排水。為防止邊緣坡頂土體受地表水滲透浸水軟化導致邊坡破壞，支護砼面層及面網要反包至坡頂外2.0m，距坡頂外1.5m 每隔1.5m 設置的長0.5m 的φ16 超前加固土釘，所有超前加固土釘用φ16 鋼筋橫向通長連接，所有面網及面網加強鋼筋固定于超前加固土釘及坡頂φ16 鋼筋之上，外再設置排水溝集水坑，并形成排水系統?；娱_挖期間，基坑內雨水和滲水，可采用沿基坑坡腳設明溝和集水坑，積水及時用潛水泵明排至坑外。

7 支護系統施工及基坑開挖施工

7.1 噴錨支護結構施工要求

(1)坡面噴射厚80 ～100mm、強度為C20 的混凝土層，內置φ6.5@200X200 或16#鋼板網;(2)噴射砼采用PSA42.5 水泥、中粗砂、5 ～15mm 瓜米石材料，砼強度等級為C20，砂、石、水泥比例為2∶2∶1;(3)嚴格控制坡面形位尺寸，施工完成后，坡面應平整美觀。

7.2 地面硬化及地表排水溝施工

基坑開挖前在基坑坡頂作表面硬化處理，表面硬化層宜作成反坡，排水溝應不漏水?？偨Y多個基坑垮塌的教訓，大部分是由于水滲入基坑側壁土體所造成;本基坑施工很可能在雨季甚至是暴雨季節，所以主體基礎施工單位必須硬化場區內地面并與基坑坑頂噴錨面相連接，絕對避免水由坡頂滲入基坑側壁土體造成基坑垮塌。

7.3 基坑開挖施工

(1)基坑開挖施工應遵循“信息法”施工的原則，勤監測，勤巡視，及時反饋信息，根據變化的情況指導施工;(2)該基坑支護開挖施工的順序原則如下:①一級坡面施工→建立基坑開挖環境監測系統，并取得環境監測所需的基礎數據→土方開挖與地面硬化、噴錨支護施工交叉穿插進行;②土方開挖必須分層進行，開挖一層，支護一層，然后進行下一層土方開挖;(3)要保證該基坑順利開挖成功，除了高質量的支護設計外，還需要土方開挖施工組織嚴密，土方開挖施工一定要與基坑支護施工緊密配合，協調施工，同時還應根據環境監測所反饋的信息隨時調整挖土順序、挖土速度，隨意超挖蠻干，往往是造成基坑事故的重要原因;(4)支護施工過程中的排出物可能會使自然地面抬高，其排出物在施工完成后必須及時清除出場，以保證自然地面標高不超過設計地面標高，以免增加支護結構的額外土壓力負擔，使支護結構出現過載現象;(5)基坑開挖過程中，土方不應隨意堆置于基坑周邊，施工用材必須堆置于坑邊的應均勻堆放，不得超過規定的堆載值，坡頂堆載不得超過10KPa;(6)土方開挖進程中，挖土機不得碰撞支護結構件，并應注意保護好觀測標志;(7)開挖后的基坑應盡量減少暴露時間，及時清邊檢底，盡快進行墊層施工;(8)基坑開挖應盡量避開雨季和汛期。

8 監測及應急措施

8.1 監測的目的

基坑工程應該請有資質的專業單位編制基坑監測方案并實施監測工作。

深基坑施工監測的主要目的是充分掌握整個深基坑在開挖過程坑壁土體、鄰近道路管線及建筑物的變形動態、變形大小及特征、地下水動態變化特征等，以達到預警效果，確保整個基坑工程的順利進行。通過基坑監測及時提供施工信息，調整施工方案，及時采取合理的應急應變措施，信息化施工法是基坑安全進行的有力保證。

8.2 監測方案

(1)整個基坑的監測包括水平位移監測，沉降觀測;(2)為了精確實施監測方案，首先必須在施工場地進行影響范圍外布設高精度平面控制網和精密水準基點網，以作為位移與沉降觀測的基準點;(3)在基坑周邊以及鄰近建筑物上布設位移與沉降觀測點，位移與沉降觀測點除個別情況外，應合二為一，即沉降、位移觀測點使用同一點，以利于監測資料的分析;(4)監測項目:①基坑周邊的地面土體水平位移及沉降(含支護體);②基坑周邊的建(構)筑物沉降。

8.3 監測方法

(1)觀測點的布設:①控制基準點的布設:在基坑影響范圍外(80米范圍外)布設三個以上的基準點，該點經現場踏勘后具體確定位置，基準點必須是絕對固定點，確保其牢固可靠且通視性較好，基準點應設保護裝置;②在圍護結構頂部及基坑周圍影響范圍內共布置約若干個監測點，其中。

(2)觀測方法:①基坑周邊地面的位移觀測采用準直線法;②沉降觀測采用往返閉合觀測法。

(3)監測儀器:①位移觀測儀器采用J2 經緯儀和精度5+5PPm 以上的測距儀;②沉降觀測儀器采用N3 水準儀和鋼尺。

(4)觀測時間間隔及成果資料整理:①基坑開挖在5m 深度內，每隔2 天觀測一次，開挖深度在5m 以下每天觀測一次，其間可視觀測成果的具體情況加密或適當延長觀測時間間隔，開挖完成后7 天內每天一次，30 天內二天一次，30 天以后每5 天一次，直至施工至基坑底面，其間視其變化情況適當加密或延長觀測時間間隔;②每次沉降觀測要求計算出各測點的高程、累計沉降量、本次沉降量、沉降速率等，每次水平位移觀測要求記錄各個觀測點的觀測點位移量、累計位移量、位移速率等，根據各個階段觀測成果繪制沉降—時間關系曲線圖，水平位移—時間關系曲線圖、沉降—水平位移—距離關系展開曲線圖;③觀測成果資料以《位移觀測成果表》、《相對矢量表》、《沉降觀測成果表》、《時間—沉降量曲線圖》的形式提交;④為保證基坑支護安全，支護體最大水平位移應≤60mm，位移速率≤10mm/d，地面最大沉降量為≤60mm，位移速率≤3mm/d，當監測值接近或達到上述警戒值時，應及時采取有效應變措施。

9 應急措施

深基坑工程穩定性(包括邊坡穩定和滲透穩定)破壞的后果往往是突發的、災難性的，補救困難，應本著“預防為主”的原則，嚴把施工質量關。根據環境保護要求進行不同內容的監測，施工監測和現場觀察所獲數據應及時整理，嚴密注視險情及險情的發展，及時采取果斷處理措施?；油练介_挖應符合分層、分段、對稱、平衡、適時的原則，在軟土和砂土地段應特別注意掌握開挖時間和開挖順序，處理好支護與開挖之間的配合關系，開挖時要堅持先深后淺的原則。應做好整個地下工程的計劃安排，充分考慮基坑的時空效應，盡量縮短工期，減少暴露時間，及早回填，開挖工作應選在枯水季節施工最為有利。

具體應急措施如下:(1)在基坑開挖時，若基坑周邊土體變形過大，并有發展趨勢，應立即停止開挖，在坑壁側反壓砂土袋以阻止土體里蠕動變形;(2)若出現邊坡或樁間局部涌水，應急處理措施總的原則應是在封堵的同時做好排水導流設施，對側壁滲水可采用插管導流、草袋封砌、混凝土封堵等方法處理;(3)準備一定面積的鋼筋網，較差土質的局部剝離坍塌時，迅速采用土釘掛網固定，施噴速凝混凝土;(4)對坑底隆起，應準備一定數量的杉樹條，在應急時迅速插入坡腳起抗隆作用;(5)基坑開挖時，現場應配備一定數量的急用(搶險)物質:編織袋、草包;潛水泵、電焊機、水泥、砂、石料、杉木條以及其它工具、材料等;(6)其他措施:①做好整個現場的組織協調工作，各施工單位相互配合，盡可能縮短基坑施工的工期;②為預防基坑土層的擾動、減少基坑暴露時間，要協調好各工序工作;③基坑開挖時，不得損傷排水設施和觀測標志;④基坑四周盡可能少堆放各種材料，堆放時要盡量均勻，垂直于基坑邊線，以免超過設計規定的附加荷載。