郑栋材 夏飞雪 井小琴

摘要：随着我国经济快速发展城市土地资源的紧缺，城市核心地带建筑往往呈现出楼层高、基坑深、周边环境复杂等特点，而桩锚支护体系作为一种超静定结构，对于复杂环境条件下的深基坑支护具有较强的适用性。本文项目位于郑州火车站核心地带，地上46层，地下3层，周边环境复杂，基坑采用桩锚支护体系，中部砂层坑壁辅以土钉墙构造补强的支护措施，取得了良好的支护效果。

关键词：复杂环境；深大基坑；支护设计

1.工程概况

1.1基坑工程概况

拟建商都电子商贸城，位于郑州市火车站附近，正兴街和福寿街交叉口西北角，二马路以东，解放路以南。总建筑面积约13.7×104m2，地下三层，上部主楼分为南北两个塔楼（南塔楼地上38F，北塔楼地上46F）及裙房（五栋5F商业用房）。本基坑开挖深度为15.0m，局部16.0m。基坑边坡侧壁安全重要性等级为一级[1]，安全重要性系数取1.10。

1.2基坑周边情况

拟建工程地下室轮廓线距离东边福寿街路牙石约9.5m，东北距离福寿街路牙石19.0m。福寿街目前存在污水、雨水、电力及通讯管线，其中污水管线距离基坑6.0m，管顶埋深约3.5m，电力及通讯管线距离地下室轮廓线分别为8.0m和10.5m；福寿街北半部路中心现存高架桥一座，车流量较大；南边距离正兴街路牙石9.5m，距离正兴街北地下道约15.0m，该辅道目前存在污水、雨水及电力管线，其中电力管线距离基坑6.5m，污水及雨水管线距离地下室轮廓线分别为12.5m和10.0m；西边距离二马路路牙石14.0m，二马路西侧，从南向北方向，依次有4栋已有建筑，分别为6F、6F、28F和4F。二马路目前存在给水、雨水、通讯及电力管线。其中电力管线距离基坑6.5m；给水、雨水及通讯管线距离地下室轮廓线分别为11.5m、9.2m和7.0m；北侧距离解放路路牙石5.0m，解放路为东西向马路，路中心有高架桥一座，车流量较大，高架桥桥墩距离基坑地下室轮廓线最近处约19.0m。在3倍基坑深度范围内的环境条件情况较复杂，基坑周边地下给排水管道、地下燃气和热力管线、地下通讯光缆、地上高压线路、通信线路、高架桥等分布密集并且距离基坑较近，并且1倍基坑深度范围内便是车水马龙、人流密集[2-5]。周边环境见图1。

1.3工程水文地质条件

场地地貌单元属黄河冲积倾斜平原与缓倾斜平原的交接部位，地层较复杂，基坑开挖影响深度范围内地层分布如下：

第①层杂填土，稍湿，稍密，层底深度0.3m～1.6m，平均厚度0.78m；第②层粉土，稍湿，稍密，层底深度1.2m～4.2m，平均厚度2.14m；第③层粉土，稍湿，稍密，层底深度3.7m～ 7.1m，平均厚度2.49m；第④层粉土，稍湿，稍密，层底标高89.8m～93.9m，平均厚度2.84m。第⑤层粉土，湿，稍密，层底深度8.3m～15.3m，平均厚度2.70m。第⑥层粉砂，饱和，中密，该层主要分布在场地中部，层底部含有较多小砾石及原生钙质结核，层底深度9.5m～20.8m，平均厚度4.05m。第⑦层粉土，稍湿，中密，层底深度17.0m～26.5m，平均厚度5.18m。涉及基坑支护与降水的土性物理力学指标参数见表1。

地下水類型为潜水，潜水含水层岩性主要为粉土和粉砂，其补给来源主要为大气降水，排泄方式主要为人工开采和地下径流，施工期间地下水位埋深11.1m～12.1m，水位年变幅按2m～3m，近3年～5年内最高水位按埋深10m，历史最高水位埋深按8.0m考虑，抗浮设防水位埋深也按8m设计。基坑开挖深度为15m，局部16m，超出地下水位5m，需要采取降水措施使地下水位降低至基底设计标高以下1m。

2.本基坑工程的重点和难点

如前所述，处于郑州火车站这一中心地带的地理位置，决定了基坑周围地上和地下的环境条件均非常复杂，已有建筑、地下管网、地上地下线路等与基坑开挖边线的距离都非常小，变形要求很严格；基坑开挖面积较大，开挖深度较深（地下15m深度内有三层地下室）；根据勘察成果，基坑开挖深度范围内存在两个废弃并局部坍塌的防空洞：其一埋深约5m，在场地中东部向南延伸，另一个在基坑西北开挖边线附近，与基坑侧壁大致呈55°斜交，埋深约9m；此外，由于需要降低地下水位，基坑降水容易引起基坑周边地下水位降低、土体压缩变形从而引起周边地面下沉，这进一步加大了基坑工程施工过程中，控制基坑周边土体水平和垂直位移的难度[6-7]。

3.基坑工程支护与降水方案

3.1基坑支护设计方案选型

基坑支护设计、施工和监测，应综合考虑地质条件、基坑开挖深度、基坑周边环境条件与保护要求、主体工程要求、施工季节变化、施工能力等因素，合理选型[8]。考虑到本基坑开挖深度大、周边无放坡空间，并且地下管网线路较多，周边已有建（构）物也较多、变形要求严格的特点，适合的支护方案有桩锚、内支撑、斜支撑、桩锚与内支撑联合支护等多种形式。从安全、经济、节约工期、当地成熟的施工经验等方面考虑，桩锚支护方案是适宜的，相比较其他可选的方案而言，费用少、工期短、方便下步工序施工且在当地施工技术成熟。具体支护形式为：钢筋混凝土排桩、预应力锚索、土钉墙相结合的组合方案[9-10]。根据场地地层条件，基坑东西两侧开挖深度内粉砂层厚度较小（0m～1.2m），考虑采用桩锚支护结合短构筑土钉的支护方案（1—1支护剖面），详见基坑支护平面示意图bc段和da段；基坑中部南北两侧在地面以下12.5m～17.8m深度处分布较厚的粉砂层（厚度3m～8m），所以在采用桩锚支护的基础上，将位于坑壁砂层部位采用相对较长的密集土钉来补强加固（2—2支护剖面），详见基坑支护平面示意图ab段和cd段；基坑东部弧形顶部售楼部位置由于项目商业宣传和使用要求原因，需要先期开挖，先期浇筑底板和完成裙楼主体施工，所以便形成了东西两侧坑中坑（注：基坑设计时，业主方已将基坑整体下挖至自然地面以下1.5m深度，此后施工顺序为东侧弧顶售楼部所在裙楼位置先期开挖和完成基础及主体施工，迅速投入使用，此时再施工其余部位基础和主体。）对于因施工顺序造成坑中坑的临时边坡，采用天然放坡的支护方案（3—3支护剖面）。各支护剖面位置详见图2。

3.2基坑设计与施工

3.2.1桩锚支护体系（1—1支护剖面）

支护形式为钢筋混凝土排桩+预应力锚索+短土钉挂网喷面。自然地表下-1.5m处为一放坡平台，按照1∶0.2放坡，平台宽为1.0m；在平台上施工钢筋混凝土排桩，混凝土排桩为一排，桩径0.8m，桩间距1.5m，桩长27m，配筋16φ20，加强筋φ16@2000，箍筋φ8@200，桩纵筋采用HRB335，螺旋箍筋HRB235；冠梁截面尺寸900mm×500mm，主筋采用HRB335、箍筋HRB235。预应力锚索从上到下分别采用2束～4束15.2有黏结型钢绞线，锚索长度23m～27m，孔径为200mm，成孔倾斜角度为20°，锚索水平间距1.50m，垂直间距3.0m；在预应力锚索中间打入土钉，长度2.0m，横向和纵向间距均为1.0m，配筋φ20，倾角20°；土钉孔內注入水灰比0.5的纯水泥浆，水泥强度P.C32.5级；在锚索端部焊接φ12加强筋；桩间土挂上φ8@250钢筋网，喷射混凝土厚度40mm，强度C20。支护剖面详见图3。

3.2.2桩锚结合土钉支护体系（2—2支护剖面）

本段支护形式与1—1支护剖面的形式相似，但由于在基坑中部地段（ab段和cd段）；地面以下12.5m～17.8m深度处分布有厚度3m～8m的粉砂，所以在采用桩锚支护的基础上，在位于坑壁砂层部位（12m～16m深度）采用密集构造土钉墙来补强加固，土钉长度6m～9m，水平间距1.5m，垂直间距1.5m，配筋φ20，倾角20°；土钉孔内注入水灰比0.5的纯水泥浆，水泥强度P.C32.5级。在锚索端部焊接φ12加强筋；桩间土挂上φ8@250钢筋网，喷射混凝土厚度40mm，强度C20。支护剖面详见图4。

3.2.3放坡支护体系（3—3支护剖面）

该地段边坡为施工顺序形成的坑中坑（阶段性成因边坡），侧壁安全等级为二级。采用放坡支护结合素喷的方式支护。按1∶1放坡，自然地表下-4.0m处留二层平台，平台宽1.0m。坡面采用混凝土素喷，喷射厚度40mm，强度C20，该剖面垂直高度为13.5m。支护剖面详见图5。

3.2.4基坑降水设计

场地内地下水位埋深为自然地表下11.1m。根据工程施工要求，降水深度应大于基底深度1.0m，因此需采取降水措施。由于场地周边没有开挖放坡的场地，无法施工降水井，所以，根据场地含水层特征、周边环境条件结合郑州地区类似工程施工经验，本基坑选择管井降水措施。管井布置按照20m～25m间距布置，管井施工按照市政降水工程设计要求进行，见图6。

3.2.5变形监测结果

基坑开挖过程中，必将引起周围土体应力状态的改变，进而导致坑壁土体和支护结构产生位移和变形。这些变形主要包括基坑内土体隆起，支护结构和其后土体的水平位移和垂直位移[11-13]。本基坑施工过程中，对支护结构的位移、地下水位变化、周围建筑物的沉降、裂缝、锚索内力等进行了动态监测，监测结果表明，坡顶最大水平位移为27.8mm，最大深层水平位移为39.4mm，最大沉降量为22.6mm，其变形量均在基坑监测预警值允许的范围内。根据监测数据，附近建筑物和管线变形监测数值均满足设计和规范要求，支护工程取得圆满成功。

4.结语

基坑工程是建筑工程尤其是高层建筑的重要部分[14]，随着土地资源的紧缺，城市核心地带建筑往往呈现楼层高、基坑深、地段窄、周边环境复杂等特点，对此地段基坑采取桩锚支护并结合土钉墙构造补强的措施，具有安全可靠、经济合理、节约工期、方便施工等优势。同时，桩锚支护体系作为一种超静定结构，对于复杂环境条件下的深基坑具有较强的适用性，并且在各地都有较多成功的应用实例。此外在复杂环境条件下深基坑支护施工中，加强巡视、实时监测、动态管理、信息化作业是深基坑支护成功的重要保障。

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