深基坑土方开挖施工技术的应用

李文红

深圳市金河建设集团有限公司广东深圳518000

摘要：深基坑土方开挖施工是建筑施工中的一个重要组成部分，对建筑的整体发展起到了决定性的作用，并且直接制约着大型地下建筑施工的质量和进度。本文依据具体工程概况，对该大型地下建筑物的施工重点、难点于基坑支护与降水方案设计进行分析，有效提高基坑土方开挖施工质量，希望为今后深基坑开挖提供参考。

关键词：大型建筑；土方开挖；深基坑

前言

在经济的带动下，中国农村人口在渐渐向城市转移，这也推动了城市建设的向前发展，幢幢高楼随着城市人口的增加而增加，这就在一定程度上使得城市的土地资源更趋于紧张化，在这种情况下，楼层的建设逐渐由横向向纵向发展，大型地下建筑物不断增多。深基坑是建筑工程中重要的基础施工项目，可以合进地利用地下资源，土方开挖作为深基坑工程施工中的重要工序，施工人员对其施工技术纯熟掌握是很有必要的。

1.工程概况

某工程建设地下覆土建筑物（以下简称建四覆土建筑物）设于土堤堤身以下，为地下2层建筑，长459m，宽39m，顶部覆土0.3～1.4m，总建筑面积31801m2。地下覆土建筑物为地上3跨、地下5跨的双层钢筋混凝土框架结构，建筑总高度9.3m，地下1层层高5.1m，地下2层层高4.2m，采用钻孔灌注桩基础，柱下承台高1.5m，承台之间设600mm×1500mm的连梁，底板厚600mm。地下覆土建筑物底板高程19.1m，普挖深度6.8m，局部承台、地梁处开挖深度为7.5m，顶平台高程为28.30m，平台总宽度为27.8m，两侧用土体进行覆盖使地下覆土建筑隐藏于土堤堤身中，通过踏步通道与堤内市政道路相接（图1）。

图1建筑物示意

1.1基坑周边环境条件

建四覆土建筑物工程基坑平面布置呈长条形，道路边线距基坑边线距离为7.5～25.0m，同时建筑物较多，因此施工期间对市民及交通影响相对较大。基坑西侧场地较为开阔空旷，仅有砂场、足球场、篮球场等，建筑情况比较简单。基坑开挖范围内无地下管线。

1.2工程地形地貌

根据现场实测，本工程场地靠近临江大道侧现状地面标高约25.0m，靠近堤外侧滩地现状地面平均标高26.0m，较为平坦。场区地貌单元属长江一级阶地及河漫滩。


1.3场地地层与分布特征

本工程在勘探深度范围内，按土层的成因、时代、沉积特征及工程地质性质不同，可分为：①层素填土；②1、②2、②2a层壤土，②3层壤土夹砂壤土，②4a层淤泥质壤土，②4层壤土和②5层壤土；③1层粉砂，③2层粉砂，③3层细砂，③4层细砂和③5层含砾中粗砂；④1层强风化粉砂质泥岩和④2层中风化粉砂质泥岩共15层。

1.4水文地质条件

本工程场区地下水的埋藏类型为上层滞水和孔隙承压水，上层滞水主要赋存于结构松散、孔隙连通性好的1层素填土中，大气降水为其主要补给来源；孔隙承压水主要赋存于3层组砂性土中，与长江水有密切的水力联系，呈互补关系。勘探时测得混合水位埋深1.20～5.50m。场地周围未见明显污染源，根据邻近场地水质简析报告并结合武汉地区经验可知，地下水对混凝土及其钢筋具微腐蚀性。

2.施工重、难点分析

（1）本工程基坑平面布置较为规则（呈长条形），基坑开挖面积大，深度较深，基坑工程体量较大。

（2）场地地质条件差，基坑开挖深度范围内存在淤泥等软土，其承载力低、压缩性高、稳定性差，极易发生坡体滑移、基坑侧壁失稳及坑底隆起等工程事故。

（3）本工程基坑底局部已进入粉质黏土夹粉土粉细砂互层土，土层垂直渗透系数非常小，水平渗透系数较大，极易发生坑底突涌事故。基坑侧壁有流塑状态淤泥和粉土，易出现流土、流砂等现象。

（4）基坑开挖进入软土层后，挖土、运土机械行走困难，需要铺设临时行走道路等。

（5）基坑开挖至软土层后，挖土、运土机械行走极易造成工程桩、降水井等损坏，需要加强对其保护，严格控制挖土高差，要求每层挖土厚度不得超过1m，土方施工机械行走需要对临时道路进行硬化。工程桩、降水井周边土体应采用人工挖除。

（6）施工任务重、工期紧。根据长江防洪要求，建四覆土建筑物基坑支护开挖、桩基、主体结构、防水、回填等施工必须在一个非汛期内完成（当年10月至次年4月底），施工绝对工期仅6个月，按常规的施工安排，无法按期完成。经分析策划，其中基坑支护、土方开挖施工是制约本项目工期的关键，因此如何确保地下覆土构筑基坑能按期完成，是本基坑施工的重中之重。

3.基坑支护与降水方案设计

3.1基坑支护设计方案

本工程基坑支护结构形式为：基坑上部3m采取四周放坡喷锚开挖，下部采取钻孔灌注桩悬臂支护。


3.1.1基坑支护桩

基坑竖向支护桩采用钻孔灌注桩，桩径0.9m，间距1.3m，桩顶标高21.50m，有效桩长11.5～13.5m，桩身混凝土强度等级C30。


3.1.2基坑扶壁桩

临江大道侧延基坑长边支护桩外侧及靠江侧局部土质较差的部位外侧每26m设置1组φ900mm@1300mm扶壁桩，桩顶标高及有效桩长同相应的支护桩。


3.1.3边坡挂网喷锚

支护桩顶放坡坡面及平台处均采用厚100mm挂网喷射混凝土护面，土钉为1φ12mm，L=0.6m，横向间距1.2m，竖向间距1.2m。面层挂网采用60mm×40mm×3mm钢板网，面层喷射混凝土强度C20，厚度100mm。

3.1.4桩间挂网喷锚

为防止支护桩间土体流失，桩间采用厚100mm挂网喷射混凝土护面，挂网采用60mm×40mm×3mm钢板网。

3.2基坑降水方案


3.2.1上层滞水控制

上层滞水主要赋存于上层填土中，主要接受大气降水和地表排水的渗透补给，无统一自由水面，水量受季节、周边排泄条件直接影响。采取的控制措施为：

（1）上层滞水、雨水采用坑顶、坑底挖排水沟、集水坑的排水措施，排水沟与外部排水管道连通。

（2）排水沟和集水坑底板采用C15混凝土浇筑，侧墙采用砖砌，施工期间应严防雨水等地面积水侵入基坑周边土体。排水沟净宽300mm，净高300mm，底板厚100mm，侧墙厚240mm；集水井净宽500mm，净高500mm，底板厚100mm，侧墙厚240mm。

（3）对场区坡顶地面采用厚80mm的C20混凝土硬化宽2m范围，以防止地表水下渗。

（4）在边坡坡面每间隔2.0～3.0m设置1个泄水孔。

（5）基坑侧壁，在支护桩外侧设置单排φ850mm@600mm三轴搅拌桩止水帷幕，止水帷幕顶标高22.00m，有效桩长7.5～10.0m，底部深入24层壤土不小于2m。水泥强度等级为P.O42.5，掺入量不得小于16%，水灰比为0.8～1.0，要求水泥土28d无侧限抗压强度不小于1.2MPa。

3.2.2承压水控制

下部砂层中的承压水位受长江水位影响较大，对基坑的开挖具有一定影响。31粉砂承压含水层，顶板埋深最浅为9.8m，基坑开挖后，基坑底板接近承压含水层，基坑开挖至坑底后会发生突涌，根据武汉地区对地下承压水降水经验，本工程采用深管井进行减压降水，将承压水头降至坑底以下0.5～1.0m。基坑内布设16口降水井，5口备用降水井兼作为观测井，共21口井，降水井成井孔径550mm，井深23m，抽水能力为1440m3/d。

4.基坑土方开挖施工组织

本工程基坑普挖深度6.8m，单座基坑土方开挖量达到约160000m3，工程地质条件较为复杂，土方开挖总体施工难度较大。

土方开挖是基坑工程施工的主要环节，所有支护措施均是为了土方顺利、安全开挖。因此土方开挖的施工组织是保证土方开挖按期完工的决定性因素。


4.1开挖顺序安排

根据现场实测，地下覆土构筑物滩地上基坑开挖施工区域内外自然地面标高均高于基坑支护设计图纸中自然地面标高，相差0.5～2.0m，覆土建筑物A-C列在现有防洪堤下，为了确保现场实际施工与基坑支护设计工况保持一致，本工程基坑开挖总体顺序如下：

（1）第1步：平整滩地，滩地土方开挖至标高25.00m，同时将现有防洪堤土方开挖至标高25.00m。

（2）第2步：开挖基坑冠梁以上土方，开挖底标高21.40m，同步进行桩顶放坡坡面挂网喷射混凝土、冠梁施工。

（3）第三步：开挖冠梁以下土方至坑底，普挖标高18.20m，同步进行桩间挂网喷射混凝土施工，承台、基础梁开挖，承台开挖底标高17.50m。

4.2土方分区开挖

本工程基坑平面布置呈长条形，长约480m，宽约42m，土方开挖从平面上拟分6个区域展开施工，施工顺序为从中部3区、4区同步开始，依次向1区、6区开挖（图2）。

图2土方开挖平面分区示意

每个区域土方分2次开挖至坑底，开挖采取退挖法，每区域内土方开挖完成后，立即进行护坡喷锚及冠梁施工。

4.3土方分阶段开挖

为了尽量缩短施工工期，本基坑土方分阶段开挖。综合考虑基坑开挖面积大，并结合现场实际情况，基坑土方分3个阶段开挖。

第1阶段土方开挖将现有堤防从标高29.80m开挖至标高25.00m，土方量约40000m3。此阶段分东、西、中三作业面同时开始。土方开挖前先清理表面草皮和地上建（构）筑物拆除后的建筑垃圾，运输至指定的弃渣场。现有堤防的土方运输至建设四路江滩堆放，作为基坑回填土和堤防覆土用土。由于场地原因，现有堤防土方在江滩只能堆放20000m3，其余土方外运至指定弃土场，待以后取土回填。

第2阶段土方开挖从地面标高25.00m开挖至冠梁底，开挖深度3.60m，开挖面底标高21.40m，开挖范围内主要土质为壤土、壤土夹砂壤土，土方量约90000m3。该阶段土方开挖相对较为简单，开挖不受约束，采取分层、分段开挖的方式，利用反铲开挖，从基坑中间开始，同步向基坑两侧开挖。开挖时尽量先开挖基坑边坡及支护桩顶，以便桩顶坡面、冠梁等能快速施工（图3、图4）。

图3第2阶段土方开挖示意

图4第2阶段土方开挖运输车辆行走道路示意

开挖前在场地内铺垫土方运输车辆临时行走道路，土方运输车辆临时行走道路为4条宽6m的车道，采用碎石和片石铺筑，厚度800mm。此阶段每座地下覆土构筑物基坑设置8台1m3反铲挖机。

第3阶段土方开挖标高从冠梁底标高（21.40m）至基坑底标高（18.20m），开挖厚度3.20m，开挖范围主要土质为壤土夹砂壤土、淤泥质壤土。基坑底主要位于②3壤土夹砂壤土层，局部进入②4a淤泥质壤土层，土方量约70000m3。该阶段基坑土方开挖深度较深，开挖相对较为困难，且土质较差、开挖量较大，坑底局部土方需要进行二次转运。为了便于施工，采取退挖方式，即每区域内土方开挖完成后，立即进行垫层、承台、地梁等开挖，局部大型反铲开挖不到的土方采用小型反铲转运至坑边，然后采用大型反铲挖出（图5）。

图5第3阶段土方开挖示意

该阶段土方开挖要等冠梁混凝土强度达到设计强度85%后方可进行。开挖应遵守分层、对称、均衡、限时开挖，严禁超挖的原则。该阶段土方开挖局部为软土层，为确保开挖范围内工程桩（超灌部分）、降水井等的安全，要求每层开挖厚度不得超过1m，且工程桩、降水井周边土体采用人工开挖，开挖过程中指派专人进行监控。土方运输车辆临时行走道路为4条宽6m的车道，采用碎石和片石铺筑，厚度800mm。在基坑两端修筑坡道，坡比1∶8。此阶段地下覆土构筑物基坑设置8台1m3反铲挖机。

第2、第3阶段土方全部外运至指定的弃土场。

4.4基坑土方开挖技术要求

（1）土方开挖应严格遵守“分段分层开挖、严禁超挖”的原则，并尽可能对称、均衡地进行土方开挖。

（2）对土方开挖过程中临时边坡范围内工程桩和降水井应采取保护措施，均匀挖去其周围土体，以避免其受到附加的侧向压力。

（3）应充分考虑施工作业荷载影响，严禁重型机械在基坑顶部行走和作业。

（4）基坑开挖过程中必须坚持信息化施工，注意监测信息的反馈资料，及时指导开挖工程。应有充分的应急准备，遇有异常情况时，应及时调整施工措施。若出现紧急情况，则必须采取果断措施，采取回填反压、坡顶卸载的原则，阻断事态发展，再行加固处理，消除隐患后方可继续开挖。

（5）基坑土方开挖要在深度范围内合理分层，在平面上合理分块，并确定各分块开挖的先后顺序，可充分利用未开挖部分土体的抵抗能力，有效控制土体位移，以达到减缓基坑变形、保护周边环境的目的。基坑对称开挖，即对称、间隔开挖；基坑限时开挖就是要尽量控制无支撑暴露的时间；基坑平衡开挖是指保持各分块均衡开挖。

（6）开挖到冠梁作业面后，应及时进行冠梁的施工，减少基坑暴露时间和空间。

（7）土方开挖分层厚度一般控制在1.5m左右。软土各分层开挖的深度不宜超过1m。

（8）基坑开挖期间，应加强降水，确保地下水位始终在开挖面标高以下0.5～1.0m。

（9）挖土机械不得碰撞支护结构、降水运行系统、测量标志和监测元件，严禁损伤隔渗帷幕和碰撞、拖动工程桩；机械挖土应避免对工程桩产生不利影响，挖土机械不得直接在工程桩顶部行走。

（10）基坑周边、放坡平台的堆载及施工荷载不得超过支护设计规定的荷载值；基坑开挖的土方不应堆放在基坑周边及邻近建筑物的影响范围内。按照设计要求，基坑坡顶周边8m范围内严禁堆载，挖出土方必须及时运出现场。

（11）坑底应根据地基土性质预留厚度0.3～0.5m（对桩基应留厚1.0m）的余土采用人工清理，防止大型机械开挖对天然地基及桩基造成扰动及破坏。已挖好的基坑应及时进行清边检底，满封垫层保护基底，以利于改善支护结构的工作状况。

（12）邻近基坑边的局部坑中坑宜在大面积垫层完成后开挖。

（13）基坑开挖过程中必须作好基坑内外的截水、排水，防止水对基坑坑壁和坑内土体浸泡，并保证正常施工作业面。

（14）基坑开挖至坑底标高后，应尽量减少暴露时间，及时进行垫层及基础施工，防止坑底浸水和暴露，并及时将基础和支护桩之间的空隙填充密实，确保其紧密衔接。

4.5工程桩、降水井保护措施

本工程基坑开挖范围内存在软土层，确保工程桩在挖土时不受损伤是基坑土方开挖的重点之一，主要采取的技术保护措施如下：

（1）挖土前，对挖土施工单位、反铲车司机做好技术交底，明确工程桩位置、挖土顺序、每层开挖厚度等。

（2）土方开挖时，派专人负责指挥，分层进行，严格控制标高。

（3）当工程桩超出坑底过高时，应控制分层开挖的深度和分段进行截桩，工程桩顶与开挖面底部高差保持在1.5m范围。在深厚软弱土层分布区，要严格控制每层开挖厚度（分层厚度不得超过1m）及长度，及时截断过高的工程桩，清除桩侧不均匀分布的土体，防止桩体受到外力而发生偏移和倾斜。

（4）工程桩、降水井周边土体应采用人工开挖，并严格控制其四周土方高差不得超过0.5m。土方开挖前先安装降水水平管的垂直支撑，分阶段分层开挖。降水水平管的垂直支撑用25#工字钢，上部用200mm×300mm×10mm钢板做柱头，下部用500mm×500mm×20mm钢板做柱脚。先开挖支撑部位的土方，安装支撑后，再进行大面积开挖（图6）。

图6降水管加固支撑示意

（5）进入软土层后，反铲车不得在工程桩、降水井周边行走和挖土作业，以免造成桩体偏位和断桩。无法避让时，需对工程桩、降水立管周边土体进行加固，并派专人进行监护。

5.结语

土方开挖是深基坑工程初期以至施工过程中的关键工序，是土木工程中的常见技术。大型建筑物基础埋深较大，施工面积较广，开挖的工程量较大，从而给深基坑土方开挖和运输带来一定的难度，结合施工现场情况来选择土方开挖的方案，有效地应用深基坑土方开挖施工技术，对提高基坑开挖的质量和安全具有重要的意义，并能促进建筑工程施工的顺利开展。

参考文献

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