黄淮地区致密黄土中深基坑开挖支护施工

邓方华 李康

摘要：本文针对黄淮平原地区致密黄土深度4-8m深度的基坑的开挖支护技术进行研究探讨，提出了一种较经济、安全、合理的开挖支护方法，为今后相类似的工程项目施工提供系统的施工技术应用实践及相关施工管理经验，加快施工进度、降低施工成本创造良好基础。

关键词：致密黄工；中深基坑；开挖支护

1.工程概述

驻马店市中心城区雨污分流工程,建设内容为项目四片区（朱氏河片区、骏马河西南片、开发区片区、铁路东片区）内总长50420 米的46 条道路新增污水管道55344米、雨水管道（分流引导管）1317米。本工程为改造工程，道路两侧已布置有各类管线，线缆，其中燃气管道与给水管道均为已建管线，本次改造在不影响排水管道的情况下保留原有管道。管网施工完毕后回填至原有路面高程，碾压压实，包含路面、人行道路面面层恢复。

处于黄淮平原高阶地，驻马店市中心城区，现场范围内分布有大量既有建筑物。根据近10年来本地区的勘察经验，在雨季地下水静止水位埋深在1.0m左右，暴雨后短时上升至0.5m左右或与地面齐平；在旱季地下水静止水位埋深在6.0m左右,正常情况下年最大变幅为2.0～4.0m左右。场区内土层表现为强度较低、压缩性较高、易产生过大和不均匀的沉降。深基坑施工存在者既有管线干扰大、地质条件差、地下水影响大及社会环境复杂等不利因素。

2.基坑支护设计

2.1 黄淮平原致密性层积黄土4-6m基坑支护设计

2.1.1工程地质环境

表层为第四系全新统（Q4ml）杂填土，由水泥块、砖块等建筑垃圾组成；杂色，稍湿～湿，稍密～密实状，该土层的层位稳定，分布于整个场地，厚度1.50～3.80m，层底标高为77.68～80.67m。

下为第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl）：

2、11-4 粉质黏土，褐黄色和棕黄色，软塑状，无摇振反应，切面稍光滑，韧性中等，干强度高，含少量钙质结核及细小锰质斑点等包含物，该土16层的层位稳定，分布于整个场地，厚度2.50～6.10m，层底标高为73.43～77.13m，承载力特征值为120kPa

3、1-5 粉质黏土，夹黏土，褐黄色和黄褐色，可塑状，无摇振反应，切面稍光滑，韧性中等，干强度高，含零星小钙质结核及锰质斑点等包含物，该土层的层位稳定，分布于整个场地，层厚11.10～13.30m，层底标高60.66～62.73m，承载力特征值为150kPa。

2.1.2设计概述

本工程项目位于驻马店市中心城区，道路两侧已布置有各类管线、线缆及管道，本次改造在不影响排水管道的情况下保留原有管道。管网施工完毕后回填至原有路面高程，碾压夯实，包含路面、人行道路面面层恢复。建设内容为项目四片区（朱氏河片区、骏马河西南片、开发区片区、铁路东片区）内总长50420 米的46 条道路新增污水管道55344米，、雨水管道（分流引导管）1317米。污水管管径为DN600~D800mm，预留支管管径为DN300~DN600；截污管管径为D300~D600；其中包括顶管、混凝土管、钢筋增强螺旋波纹管、型钢桩支护等。本工程按污水管埋设的最大深度为最不利因素计算，本方案按设计图纸以4.0m~8.0m深度进行设计深基坑支护。

基坑支护设计采用拉森钢板桩支护设计，设计优化采用型钢支护设计。

基坑支护设计依据为《建筑基坑支护技术规范》（JGJ 120-2012）。

2.1.3 拉森钢板桩支护设计

1、采用钢板桩支护的工作井、接收井结构形式

经结构计算，采用钢板桩支护的工作井及接收井的设计参数见表1。

表1 钢板桩工作井、接收井设计参数表

序号	类型	尺寸（m³） 长×宽×高	支护结构	备注
1	工作井	7×5×8.0	拉森Ⅳ钢板桩+钢围檩+角撑，钢围檩、角撑采用Q235材质H400*400*13*21型钢，后背墙、止水墙、基坑封底采用C30钢筋混凝土。
	接收井	7×5×8.0	拉森Ⅳ钢板桩+围檩+角撑，围檩、角撑采用Q235材质H400*400*13*21型钢，止水墙、基坑封底采用C30钢筋混凝土。

2.1.4 采用型钢支护的工作井、接收井结构形式

支护一：基坑深度<5000㎜，采用6米长12#型钢桩加二～三道内支撑进行基坑支护，支撑距地面500㎜。

支护二：基坑深度5000≤H<7000㎜，采用7米长(接长）12#型钢桩加三～四道内支撑进行基坑支护，第一道支撑距地面500㎜。

基坑开挖配备一台挖掘机，采取分层进行，在开挖过程中掌握好“分层、分步、平衡、限时”四个要点，遵循“竖向分层、纵向分段、先挖后支”的施工原则。

基坑开挖适当位置设集水井，雨水及时泵抽排走。雨季备足排水设备，做好预警工作，确保基坑安全。

开挖过程中，按既定的监测方案对基坑及周围环境进行监测，以反馈信息指导施工。

经结构计算，采用型钢工作井及接收井的设计参数见表2。

表2 工作井、接收井设计参数表

序号	类型	尺寸（m³） 长×宽×高	支护结构	备注
1	工作井	5×4×6.0	槽钢+钢围檩+角撑，钢围檩、角撑采用Q235材质槽钢。
	接收井	5×4×6.0	槽钢+钢围檩+角撑，钢围檩、角撑采用Q235材质槽钢。

钢板桩支护的结构验算较复杂，略。

2.1.5 5m深基坑和管沟支撑计算书

(1) 计算依据：

《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012

《建筑施工计算手册》江正荣编著

《实用土木工程手册》第三版杨文渊编著

《施工现场设施安全设计计算手册》谢建民编著

《地基与基础》第三版

本工程基坑（型）的土质为天然湿土，地下水很少，采用连续水平铺设挡板基坑土壁。挡板铺设的挡土板、背楞、横撑杆的强度及稳定性按以下方法计算。

(2)参数信息

1)基本参数

基本参数见表3。

表3 基坑基本参数表

挡板铺设方式	水平铺设	挡土板间距l1(mm)	100
水平方向背楞间距l2(mm)	600	基坑开挖深度h(m)	5
基坑开挖宽度l(m)	4	结构重要性系数γ0	1.1
综合分项系数γF	1.25	竖直方向横撑杆根数	3
支撑设计
支撑道数		横撑距离沟底距离D(mm)
第1道		4500
第2道		3000
第3道		1000

基坑和管沟支撑【水平】

2. 土层参数

土层参数见表4。

表4 基坑基本参数表

序号	土名称	土厚度h(m)	坑壁土的重度γ(kN/m3)	坑壁土的内摩擦角φ(°)	黏聚力c(kpa)	饱和土重度γsat(kN/m3)
1	填土	1.5	15	20	26	20
2	粘性土	6.1	16	22	27	21
3	粘性土	10	17	24	28	22

3)主动土压力强度计算

Ka1=tan2(45°- φ1/2）= tan2(45-20/2)=0.49；

Ka2=tan2(45°- φ2/2）= tan2(45-22/2)=0.455；

第1层土：0-1.5m

H1'=[∑γ0h0]/γ1=0/15=0m

Pak1上 =γ1H1'Ka1-2c1Ka10.5=15×0×0.49-2×26×0.490.5=-36.4kN/m²

Pak1下 =γ1(hi+H1')Ka1-2c1Ka10.5=15×(1.5+0)×0.49-2×26×0.490.5=-25.375kN/m2

第2层土：1.5-5m

H2'=[∑γ1h1]/γ2=22.5/16=1.406m

Pak2上 =γ2H2'Ka2-2c2Ka20.5=16×1.406×0.455-2×27×0.4550.5=-26.189kN/m²

Pak2下 =γ2(hi+H2')Ka2-2c2Ka20.5=16×(3.5+1.406)×0.455-2×27×0.4550.5=-0.709kN/m²

4)挡土板计算

① 荷载计算

挡土板的线荷载按以下公式计算：

q=γ0γFpakl1=1.1×1.25×0×0.1=0kN/m

② 挡土板按照简支梁计算最大弯矩，计算公式如下

Mmax=q×l22/8=0×0.62/8=0kN·m

σ=M/W=0×106/10242=0N/mm²≤f=205N/mm²,

满足要求！

5)背楞计算

临界土层的计算

τmax＝Vmax/(8Izδ)[bh02-(b-δ)h2]=0×1000×[63×1602-(63-6.5)×1402]/(8×8662000×6.5)=0N/mm²≤[τ]=120N/mm²

满足要求！

6. 横撑杆计算

l0=l-b1×2-h1×2=4000-160×2-53×2=3574mm

λ=l0/i=3574/18.3=195.301

查《钢结构设计标准》GB50017-2017，得φ=0.194

N/(φA)=5.051×10³/(0.194×2195)=11.862N/mm²≤[fc]=205N/mm²

满足要求！

3 4-6m深基坑的自稳能力测试

为验证基坑的自稳能力，施工前选择具有代表性的地段分别对5m和6m深基坑开挖后的自稳情况进行测试，测试结果见表5。

表5 基坑土层自稳能力测试结果表

测试部位	测试编号	测试坑深（m）	降水前地下水位（地面-m)	降水后地下水位（地面下-m）	自稳时间（h)	备注
置地大道	试坑1	4	1.8	5	76
置地大道	试坑2	6	1.8	7	74
开源路	试坑3	4	2.5	5	78
开源路	试坑4	6	2.5	7	80
金雀路	试坑5	4	2.1	5	92
金雀路	试坑6	6	2.1	7	94

从表5中的基坑土层自稳测试结果来看，基坑降水后的自稳时间均超过72小时，可满足支护的自稳时间要求。

4 基坑开挖前的降水施工

4.1 降水施工方案

降水井深度：15～18m

降水井井径：Ф400mm

滤水管管径：Ф300mm （无砂管）

滤 料：Ф2—4 mm（细砾石）

降水井间距：15～20m

根据场地水文地质条件，本次降水工程井点的布置间距为15～20m，顶管工作坑、接收坑角部各设置一处降水井，降水井距工作井边距离3—5m；沿顶管行进方向每隔15～20m米设置降水井，降水井边缘距顶管外边缘距离3米左右。同时在降水施工过程中收集有关水文地质资料，利用收集到的有关资料和抽水试验成果再作适当调整。

降水井采用潜水电泵，水泵出水量15—20m³/h，扬程26m。

排水、降水时抽出的地下水多余的通过暗沟，排入排水系统，部分采用罐装储水用作喷淋水。

此工程一般以500m作为一个作业段，作业段配备的设备见表6。

表6 降水设备配置表

序号		设备名称	规格	单位	数量
降水	1	钻机	D400	台	4
	2	配电箱		台	15
	3	空压机	9m3	台	1
	4	手推车		辆	10
	5	潜水泵		台	40
	6	提升泵		台	3
	7	电缆		米	现场确定
	8	PVC管		米	现场确定
	9	Mpp管		米	现场确定

4.2 主要施工方法及技术要求

测量施放井点－钻机就位—成孔—下放井管—充填滤料—洗井—下放水泵—降水工作—降水井回填—路面恢复。

（1）管井施工

1）井位放点：确定基坑开挖边线，在离基础外轴线4m处开始布置井位。

2）成孔：采用冲击钻机钻进，下管前进行冲孔换浆，换浆后测量孔深，采用钢丝绳托置下管法下放井管，静水投砾法填虑料，填砾料完毕开始洗井。洗井结束后测井深。建井过程中，施工现场保持泥浆排放有序，场地整洁，机走厂清。

3）设备安装调试：完成成孔之后，进行水泵安装和试验抽水工作。

（2）技术要求

1） 成孔：采用直径400mm钻机成孔，泥浆比重〈1.05。下管前保证井底沉渣厚度不大于20cm，方可下放滤管。

2） 井管安装：井管安放严格按现场技术交底进行，用4根竹片，10号双铁丝捆绑；管口内壁不错位，选择透水性良好的滤管安装于含水层对应部位。

3） 填砾：填砾前井管必须居中，使填砾厚度均匀，滤料应从井管两侧慢慢对称填入，以防滤料中途卡塞及井管错位，填至井口1—2m米时用粘土填实。在填滤时如发生井口反砾现象，应及时停止填砾，查明原因进行处理。

4） 洗井：洗井为关键性工艺，在滤料充填完之后，要立即进行洗井，洗井采用井管外注清水循环法工艺，抽、停交替，直至水清砂净为止。洗井结束前测量井深，清理井底，使井底沉淀小于0.3-0.5m。

5） 下泵：下泵深度距井底1.0-2.0m左右。

6） 井点保护：降水井施工完成后，降水井井管应高于自然地坪20—50cm，并加井盖予以保护，避免杂物落入井内，以免破坏。

7）观测记录：应及时、准确地记录观测井水位，以次检验施工方案的正确性。必要时对方案作适当调整，以确保基坑降水效果。

4.3 降水运行期管理

在运行阶段，进行水位观测，发现问题及时采取工程措施，保证顶管工作顺利进行。水位监测每井每天观测二次雨天加密。定期观测井深变化，防止淤塞。健全降水运行记录工作制度，确保降水井、排水设施正常运行。降水井内无杂物，沉淀物，水泵出水正常有效。经常观测基坑底和侧壁，发现问题及时查明问题，采取措施。做好降水井和排水设施维护工作。保证电源正常可靠。按章操作，做到定期维护，配电箱绝缘状态，不漏水，不漏电，不超负荷运行。降水井设备无异常，机身温度不超过60度。

4.4 降水井监测

为了掌握场地含水层水文地质条件变化，做到降水井点布置合理，达到较好的基坑降水效果，在降水进行施工及降水过程中对降水井进行监测，监测内容包括如下几个方面：

（1）在降水井施工过程中，及时采取含水层岩样，分析含水介质变化，及其水文地质条件变化，为合理布井提供依据。

（2）在洗井过程中监测井深、地下水位变化，并实时进行试验抽水，确定各单井涌水量，为选择降水泵型提供参数。

（3）降水工作开始后每天早、中、晚对降水井水位各测一次，以便及时掌握降水效果。

（4）地下水位达到稳定后确保每天观测一次水位，依据地下水位变化历时曲线，调整水泵投入量，达到降低能耗、保护地下水资源目的。

（5）每两天测量一次降水井深度，掌握降水井沉砂量，以便发现失效的降水井，做到及时处理，延长降水井寿命。

5 井坑开挖支护施工

5.1 基坑支护施工程序及施工工艺方法

采用型钢支护井坑开挖支护施工程序：围挡施工—施工降水—测量放线—路面破除—反铲开挖—型钢支护—挡水坎施工—围栏施工—验收。

（1）围挡施工：围挡按当地标准化和文明施工要求进行，高度一般不低于2.5m，围挡应搭设牢固。

（2）施工降水：施工降水应提前3天进行，以保证地下水位低于建基面以下。具体施工方法见上节。

（3）测量放线：按设计要求放出井坑周边线，并放出地面高程，以便进行高程控制。

（4）路面破除：路面破除主要是对混凝土或沥青混凝土路面采用切割车切缝后采用冲击锤进行路面破除，并保留整齐混凝土切面以取到保护作用。

（5）开挖：使用反铲垂直开挖基坑至设计位置，并修整边壁的欠挖部位。

（6）型钢支护：开挖前支护材料应至现场，开挖后立即进行支护，宜采用晚班开挖完成，白班进行支护并基本完成支护作业，挡水坎及围栏可于第二天完成，但围挡无人施工时要上锁，并有人值班。型钢一般采用二种方法进行，一种是将框架预先焊接吊入坑内，然后施工挡土板。另一种方法是先施工挡土板并同时进行围檀支撑施工。

型钢桩采用12#型钢，型钢桩内壁采用16#A型钢围檩进行支撑，围檩与每根型钢桩之间空隙须打入木楔抵紧。采用16#A型钢进行内支撑，型钢安装须调整对撑间距并及时回顶。挡土板后空隙用土或木板填实。

7. 挡水坎及围拦施工：支护完成后按设计要求进行挡水坎施工，并设立防护栏杆。

（8）验收：井坑支护完成后，经检查验收移交下道工序施工。

5.2 基坑施工质量检测

型钢桩的材料应符合设计要求，焊接接头符合设计要求，接头位置错开布设。

型钢桩的垂直度要求不超过1%，型钢桩的轴线偏差为±10cm。对撑、斜撑焊接应饱满，焊接长度应完成50%以上。挡土板与井壁的接触面积应达到50%，且不能出现较大面积脱空现场。挡水坎的高度雨季不低于30cm，其他季度不低于20cm。型钢桩埋土深度应大于500mm。

6 结语

对顶管施工工作和接受坑的4-6m深基坑支护采用型钢支护代替钢板桩支护，具体施工速度快，安全高效的特点，总结出了一套机械化程度高、施工速度快、效益高的坑井支护方案。通过施工效率的提升，在坑道施工过程中，节约施工成本803万元。

在黄淮平原中等密度的黄土层，具有良好的自稳能力，通过采用型钢支护代替常规的钢板桩支护方法，具有施工速度快，成本较低的优势，通过对施工方法的研究，总结一套机械化程度高、施工速度快、效益高的施工方法，弥补我公司在市政工程中顶管施工的短板，具有较大的战略意义，可为类似工程设计及施工提供有益的参考和一定的借鉴作用。

在保证质量安全的前提下，施工进度快，施工成本降低，是一种较为适用的支护方法和技术。。

参考文献：

[1]杨羽.建筑工程中深基坑支护施工技术的应用分析[J]. 建材与装饰，2016（12）：7-8.

[2]赵曦.关于我国建筑工程深基坑支护施工技术要点分析[J]. 科技创新与应用，2014（36）：266.

[3]钟世鸣.深基坑支护施工技术在建筑工程中的应用分析[J]. 江西建材，2015（03）：79.

作者简介：

邓方华 （1987-），男，陕西西安人，工程师，主要从事水利水电工程、公路、铁路等施工技术管理。联系电话:[phone]。

李康 （1996-），男，陕西西安人，助理工程师，主要从事水利水电工程等施工技术管理。联系电话:[phone]。

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