城脉中心深大基坑设计与施工

城脉中心深大基坑设计与施工

秦晓峰商春新杨天光

广东城脉地产有限公司

摘要：通过采用MIDAS三维有限元分析法对基坑开挖和地下水渗流造成的基坑和地铁隧道的影响分析结果，采用整体顺作钻孔咬合桩（基岩以下为钢筋锚杆及锁口梁）+内支撑的围护结构支撑体系。在施工中，重点通过对咬合桩、立柱桩、内支撑、壁柱及锚杆等质量控制、对土石方开挖及爆破的施工安全保证以及对地铁及周边环境的监测等保护手段，满足了基坑和地铁结构变形控制要求，保证了基坑和地铁结构的安全，使后续地下室结构工程得以顺利实施。

关键词：钻孔咬合桩+内支撑；基坑及地铁结构变形控制；石方爆破

1工程概况

1.1工程总体概况

城脉中心基坑工程位于深圳市罗湖区红岭北路与桃园路交汇处，东临已建楼金马广场（三层地下室，原基坑支护结构为桩锚支护），南侧为深圳市人民检察院，相距约10m，西侧毗邻地铁9号线，北临桃园路。周边环境复杂，三侧临重要建（构）筑物，尤其是西侧为已建地铁9号线，坑边距地铁结构约4.6m，在深圳市地铁安全保护范围内。本基坑周长约443m，开挖面积1.19万m2，±0.000=18.20m，周边地面标高14.50～16.10m，基坑开挖设计底标高为-10.75m，开挖深度约27m。

1.2水文地质概况

勘察揭露岩土层自上至下分为：人工填土层，残积层（Q2el）和下伏基岩燕山晚期（早白垩系同期）侵入花岗岩（γ53）各风化层（带）。地下水埋深2～3.9m。

2基坑支护设计方案

2.1基坑支护结构设计

根据场地地质条件、开挖深度、周边环境，结合基坑安全、经济、施工效率等诸因素综合考虑，本基坑工程设计主要分为两个部分：第一部分为基岩面以上部分土体的开挖、支护设计；第二部分为基岩面以下岩石的开挖、支护设计。

基岩面以上土体的开挖、支护设计采用整体顺作钻孔咬合桩+三道椭圆环撑的支护设计方案，其中第一道支撑满铺板（如图1），第二道及第三道支撑（如图2）临近地铁侧布置板。基岩面以下岩石的开挖、支护设计采用钢筋锚杆锚固。具体如下：

1、1-1剖面（西侧临地铁侧）（如图3），土体部分采用咬合桩+三道椭圆环撑支护方案，桩后设置两排袖阀管注浆，该侧支撑为梁板撑。入岩后设置随机锚杆锚固。

2、2-2（北侧）及4-4剖面（南侧）（如图4、图6），土体部分采用咬合桩+三道椭圆环撑支护方案。入岩后在咬合桩根部设置锁脚锚杆+腰梁锚固，以下设置随机锚杆。

3、3-3剖面（东侧）（如图5）土体部分采用金马广场地下室外墙作为维护体系，并增加围檩及壁柱进行加强。入岩后设置随机锚杆锚固。

（1）随着开挖深度的不断增加，地铁隧道竖向变形量及水平位移量均逐渐递增。在不考虑基坑降水情况下，基坑开挖完成后，地铁结构的最大竖向变形量为3.12mm，最大水平位移量为6.72mm。即在现有支护形式下，区间隧道变形量均小于地铁结构变形允许值10mm。

（2）随着基坑开挖、降水的进行，渗流作用引起周边水位变化。支护结构后侧地铁结构发生一定程度沉降。分析计算结果表明：由于咬合桩和止水帷幕综合作用，基坑及地铁结构沉降变形受降水影响相对不显著。开挖至坑底（深度约28米）、最大降水深度约28.50米时，地铁隧道最大竖向变形量为5.53mm，最大水平位移量为8.70mm。即各工况下地铁结构变形量仍小于地铁结构变形允许值10mm。

4、环评报告结论

采用MIDAS三维有限元分析法对基坑开挖和地下水渗流造成的基坑及地铁隧道的影响分析结果，基坑支护方案可以满足基坑及地铁结构变形控制要求。但岩土工程的复杂性、地层的不均匀性及不确定因素众多，因此在基坑的施工过程中，应加强对地铁周边的监测，根据反馈结果适时采取相应措施，保证基坑及地铁结构的安全。

2.3基坑监测要求

本基坑支护工程安全等级为一级。开挖深度较大，在基坑及地下室施工过程中必须进行监测，并制定合理周到的监测方案，实行动态设计和信息化施工，以确保基坑安全和地下室施工的顺利进行。布设监测点类型为：（1）支护桩顶冠梁水平位移和沉降监测点；（2）桩体深层位移（测斜管）测点；（3）锚索内力监测点；（4）支撑梁应力测点；（5）支护桩桩身应力监测点；（6）地下水位测点；（7）立柱沉降；（8）坡顶水平位移和沉降监测点；（9）基坑周围道路沉降监测点；（10）周边管线监测点；（11）周边建筑物沉降监测点；（12）地铁监测。

3基坑主要施工方案及措施

3.1基坑总体施工安排

咬合桩、立柱桩→袖阀管注浆→内支撑及栈桥结构、土方开挖→石方破除、锚杆施工。

3.2咬合桩施工方案

1、主要技术要求：

本工程共有346根咬合桩，桩长不小于17m（西侧桩长不小于21m）且桩底入中风化不小于2m。咬合桩径1.2m，间距1.8~2.0m，素砼桩和钢筋砼桩交错搭接，咬合厚度为0.2m。其中A桩为素砼桩，强度等级C15；B桩为钢筋砼桩，强度等级C30。咬合桩砼采用商品砼，主筋保护层厚度为50mm，采用旋挖成孔灌注桩硬咬合形式。

2、施工顺序及主要机械设备配置：

施工总体原则是先施工被切割的A桩，紧跟着施工B桩（如图12）。咬合桩分为6个施工段同时进行施工，每个施工段采用1台宝峨BG38（或同等性能的钻机）进行钻孔，采用2台QUY50履带吊配合2台QY25K汽车吊进行钢筋笼吊装，并配合导管进行混凝土浇筑。

图12咬合桩施工顺序

3、施工工艺流程

平整场地→放桩位线→施工导槽→埋设护筒→钻机就位→护壁泥浆制备→钻孔→清孔及检测成孔→钢筋笼制作（B桩）→钢筋笼安装（B桩）→安装导管和漏斗→浇筑砼、逐次拔管→检测验收

3.3立柱桩施工方案

1、主要技术要求

本工程共有51根立柱桩，主要采用旋挖钻孔灌注桩施工工艺。立柱桩径1.2m，桩底入基坑大开挖面不小于3m。砼强度等级为C30，主筋保护层厚度为50mm。

2、施工分段及主要机械设备配置：

立柱桩分南、北2个施工段同时进行施工，每个施工段采用2台宝峨BG38（或同等性能的钻机）进行钻孔。同时支护桩完成后，旋挖机随即转入立柱桩施工，考虑钢筋笼分段长度（立柱桩钢筋笼可达约28m）及重量，拟采用1台QUY50履带吊配合1台QY25K汽车吊进行钢筋笼吊装，并配合导管进行混凝土浇筑。

3、施工工艺流程

同咬合桩（B桩）工艺，省去“施工导槽”工序。

3.4袖阀管施工方案

1、技术要求

（1）在西侧（靠地铁侧）咬合桩后设置两排袖阀管、并在咬合桩与金马广场地下室接驳处设置袖阀管。待咬合桩施工完成后进行袖阀管注浆，注浆压力0.5~0.8MPa（以填充为主），以防止土层受到扰动。

（2）孔深不小于17m，孔底进入微风化岩层0.5m（与金马广场地下室接触处注浆孔入中风化1.0m），成孔直径不小于91mm。孔底沉渣厚度不超过0.2m。

（3）袖阀管采用硬质塑料管，管外径50mm，承受最大压力不小于3.0MPa，在注浆深度范围内注浆孔按竖向间距0.33m排列分布，射浆孔为Φ6~8对称4个，注浆孔外侧套橡胶袖阀。

（4）注浆施工前，应进一步核实地质情况，注浆施工必须坚持先试后作的原则，以便调整注浆参数，选定最佳值。

2、施工顺序

袖阀管注浆孔采用双排梅花型布置，内外排孔间距0.6m，分排分序施工，每排先施工A序孔，再施工B序孔（如图13）。

3.5内支撑施工方案

1、技术要求

（1）本工程内支撑共分三层，第一道支撑梁尺寸有：1.2×1.0m冠梁、0.8×1.0m支撑梁，梁顶绝对标高为14.50m，1.8×1.2m环梁，梁顶绝对标高为14.60m；第二道支撑梁尺寸有：1.0×1.0m围檩、0.8×1.0m支撑梁，梁顶绝对标高为9.40m，1.8×1.2m环梁，梁顶绝对标高为9.50m；第三道支撑梁尺寸有：1.2×1.0m围檩、1.0×1.0m支撑梁，梁顶绝对标高为4.50m，2.0×1.2m环梁，梁顶绝对标高为4.60m；混凝土板厚300mm；混凝土强度均为C30。

（2）壁柱根据基坑开挖特点采用从上而下的逆作法，共38根，间距3m。壁柱施工时，应在壁柱与外墙之间涂刷隔离剂或采取其他措施以减弱壁柱混凝土与外墙的粘结，防止拆除壁柱时对外墙的损伤。第一道内支撑东侧围檩施工时，应在壁柱位置预先向下埋设好壁柱主筋，以便下部壁柱钢筋连接施工。

2、施工工艺流程

（1）冠梁：土方开挖、支护桩桩头破除→钢筋绑扎→支设模板→浇筑混凝土→混凝土养护。

（2）围檩及支撑梁板：土方开挖至第一道支撑底→第一道支撑施工→第一道支撑混凝土养护→土方开挖至第二道支撑底→第二道支撑及第一道栈桥板施工→第二道支撑混凝土及第一道栈桥板养护→土方开挖至第三道支撑底→第三道支撑及第二道栈桥板施工→第三道支撑混凝土及第二道栈桥板养护→剩余土方开挖。

壁柱主筋下料时，应考虑预留下段壁柱的主筋连接长度，为下一段壁柱施工提供便利。应当在垫层浇筑完成后，对下层土方进行钻孔处理。并将主筋与下一段壁柱主筋的连接端用PVC管进行封闭保护，并埋置于钻孔内。下一段壁柱施工时，直接拆除上一段壁柱主筋的PVC管进行机械连接即可。

3.6栈桥结构施工方案

1、技术要求

（1）受场地狭小影响，根据出土口的设置位置，采用钢筋混凝土栈桥板的方式出土，以保证出土效率。出土栈桥板位于东南侧支撑处，详见图17、图18。栈桥宽度9m，板厚250mm，采用C30砼浇筑。内侧栈桥桩为9根单设立柱桩，桩径1.2m。

（2）栈桥坡道内侧第一道和第二道连梁用内支撑环撑梁代替，末端设置平台，用于连接土坡道。栈桥面均布施工荷载不得超过25kpa，单位满载施工车辆不得超过550KN。

2、施工工艺流程

（1）栈桥结构施工流程

测量放线→根据标高对土方开挖→搭设脚手架→梁、板模板支设→梁、板钢筋绑扎→混凝土浇筑、养护→大面土方开挖→下一段栈桥施工

（2）环梁与栈桥桩连接节点施工流程

支设环梁底模→植筋后绑扎环梁上下环形钢筋及环形腰筋→绑扎环向箍筋→连梁、板及环梁节点模板支设→梁、板钢筋绑扎→混凝土浇筑、养护

3.7石方爆破施工方案

1、概况及爆破分区

根据地勘资料分析，场地内基岩为全风化、强风化、中风化岩及微风化花岗岩，主要待爆破开挖中、微风化花岗岩埋深约11~16m，岩面埋深为北高南低，硬度系数为8~14，初步估计爆破总石方量约18万余m3。

本工程振动保护对象市检察院、金马广场办公楼、北侧商业楼建筑物拟控制振速为1.0cm/s，地铁9号线为1.2cm/s。实际施工时，根据经验，参考所允许的Qmax值（微差爆破时的同段最大药量）的大小，将爆破分为3个区（如图20）：

（1）静态破碎区：减震沟与支护桩之间部位，采用膨胀剂配合机械打凿的方式进行。

（2）撑下爆破区：Qmax<10kg，为浅眼弱松动控制爆破区。

（3）环内深孔爆破区：Qmax>10kg，为局部深孔弱松动控制爆破区。

2、爆破施工原则及方法

采用微差起爆的松动控制爆破法施工，确定合理的爆破参数和抵抗线方向。爆破施工方法：

（1）距金马广场、北侧商业楼约14m、距地铁九号线约18m、距检察院办公楼约16m范围内采用静爆开挖，距北侧支护桩、基坑立柱桩3m范围内采用静爆开挖。距静明爆分区内侧先行开挖减振沟，沟深不小于4米、沟宽不小于3米（保证机械操作面），邻近爆区孔深不大于减振沟深度，循环作业。

（2）距金马广场、北侧商业楼约14~35m、距地铁九号线约18~45m、距检察院办公楼约16~40m，距北侧支护桩、基坑立柱桩3~8m范围内采用浅眼控制爆破法开挖，钻孔直径为Φ42mm及Φ76mm。距金马广场、北侧商业楼约35m，距地铁九号线约45m、距检察院办公楼约40m，距北侧支护桩、基坑立柱桩8m范围外采用深孔弱松动控制爆破法开挖，合理布置爆破参数及抵抗线方向。

（3）爆破区需采取多层复合平面覆盖防护措施、基坑顶四周采取6米高立面防护、顶层支撑面有满敷网状或板类覆盖物。

（4）爆破作业前，需进行爆破试验，根据爆破振动测试数据计算得实地K、α值及岩石单耗等重要参数，并根据现场实测数据合理调整爆破参数。

2、施工顺序及主要机械设备配置：

锚杆按照现场土石方开挖随机插入施工，待土石方开挖一层后，具备锚杆施工工作面即可进行锚杆施工。北侧、南侧锁脚锚杆最早具备相应工作面，可先行施工。待土石方继续开挖，满足随机锚杆施工所需工作面，及时插入随机锚杆施工。锚杆施工顺序为自西向东进行施工。施工机械设备主要投入2台履带式地质钻机XY-100、2台空压机及2台高压注浆泵HS-150I等。

3、施工工艺流程

放线定位→钻孔→锚杆制作、安装→注浆→养护→锚杆检测

3.9对地铁的保护措施

1、咬合桩施工对地铁的保护措施

采用振动轻微的旋挖钻机成孔，将施工扰动降至最低。

2、袖阀管施工对地铁保护措施

为防止咬合桩施工时对地铁管廊外墙造成扰动，在西侧咬合桩施工完成后，在咬合桩与地铁围护结构之间进行袖阀管注浆，以防止该区域土层受到扰动。

3、土方开挖对地铁保护措施

分段、分层、对称开挖，不能一次性把所有的工作面全部挖开。开挖期间要实行24小时全自动监控，发现异常情况及时采取措施：停止开挖，回填反压等，并查明原因，采取相应加固处理措施后方可继续开挖。

4、石方爆破施工对地铁保护措施

（1）对爆破振速进行验算控制，控制地铁侧明爆范围为距地铁外墙结构边18m开外。

（2）为确保爆破过程中对地铁的振速影响在可控安全范围内，于地铁侧设置10个振速监测点（其中8个点为自动化监测），实时监控振速，确保地铁结构安全。

5、地铁保护监测

车站、隧道结构绝对沉降量及水平位移量控制值按10mm。地铁结构监测断面（监测点）：在基坑对应的地铁隧道中每10米设立一个监测断面，每条隧道布设16个断面，每个断面设6个水平位移及沉降监测点。靠地铁侧设5个回灌兼水位监测点。第三方监测的实际变形值达到设计控制值指标的60%时，发出预警；当达到设计控制指标的80%时，发出报警。

4结语

本基坑工程于2016年5月～11月施工立柱桩及咬合桩（含袖阀管注浆），2016年12月开始土方大开挖并穿插施工内支撑、壁柱及栈桥结构，2017年5月开始石方爆破及挖除，2017年8月穿插施工锚杆及腰梁，至2017年11月底基坑工程完工。基坑和地铁第三方监测结果表明，各项监测数据均在设计允许值范围内。

通过本工程深大基坑设计与施工技术的应用，成功解决了在复杂的地质条件和复杂的周边环境下深大基坑施工碰到的一系列技术难题，使本工程基坑及后续地下室结构工程得以顺利实施，无任何安全、质量事故发生，并确保了工期目标，得到了参建各方和社会各界的好评，为我司深大基坑设计与施工积累了宝贵经验，也为今后开发类似工程提供借鉴意义，具有较大的推广应用价值。