对深基坑土方开挖施工及应急措施的探讨

对深基坑土方开挖施工及应急措施的探讨
林伟
摘要：本文通过某工程深基坑土方施工的安全及应急等措施为例，根据笔者多年的工作经验，浅谈本工程的土方顺利开挖。
关键词：深基坑 开挖 监测 措施 建筑设计,发表论文,职称论文
1 工程概况：
某高层建筑，地下4层，四周均为市政道路，地质条件复杂，基坑深25m。因土方开挖深、基坑面积大，采用地下连续墙支护。土方开挖过程中共设置4道钢筋混凝土支撑，中部利用预先打人的钢格构柱支撑。基坑开挖范围内有一层潜水和第一层微承压水，基坑底部为隔水层．基坑底下部有第二层承压水(埋深31～37m)，且承压水头很高，高度位于±0左右，对基坑内土方开挖和地下连续墙的稳定均有影响，需要进行降排水。为保证土方顺利开挖和基坑底板抗渗流稳定性，坑内设疏干抽水井以疏干基坑开挖范围内的地下水：坑内还设减压井降低承压含水层的水头。同时，为控制降水引起的地面沉降以免对周围环境造成不利影响．在基坑四周及内部设置回灌井和观测井。
2 土方开挖施工措施
地下施工存在大量不可预见因素的影响，为保证施工安全，现场设置突发事件应急小组，通过建立有效的紧急情况预警机制，对现场的紧急情况进行预警。预先识别危险源和紧急情况。做好危机防范，在危急事件的潜伏期即进行及时处理。针对工程特点，制定详细应急措施，准备各种应急资源(包括机械、人员、物资)并加强监测力度，一旦确认围护结构变形过大。发生渗漏、管涌或流砂等事件．应急措施能立即启动。
为减少支撑施工对挖土工期的影响，土方主要采用盆式开挖，并按“分层、分块、对称、限时开挖支撑”的总原则。土方分区开挖时，应充分考虑到传力的合理性，每步土方均分块开挖，以减小单边开挖断面，随挖随撑，严格控制基坑变形，确保周围建筑物和道路安全。分层开挖时，不仅应关注静态土坡的稳定。还要注意动态土坡的稳定问题，按方案要求进行放坡。要加强对开挖标高的控制，严禁掏挖，以免土方开挖机械对地下连续墙、支撑立柱、降水井管、混凝土支撑结构造成碰撞破坏。上述部位附近的土方由人工开挖，支承桩柱两侧土体应尽量对称开挖，高差应控制在0．5 m以内。土方开挖过程中，应密切注意保护周边环境，切实减小
地下连续墙、中间围护结构的变形位移及周边环境的不均匀沉降。土方开挖到一定深度设置栈桥，采用长臂挖掘机挖土
3 施工监测措施
土方开挖施工时。根据现场情况制定合理的监测方案。监测内容包括邻近建构筑物、道路与管线的沉降、倾斜、裂缝与水平位移，地下连续墙内外侧水土压力，地下连续墙内外侧钢筋应力，地下连续墙的测斜。地下连续墙的墙顶水平位移和沉降，土体分层沉降，支撑立柱变形。支撑结构轴力，基坑底隆起和地下水位变化等。按监测方案要求设置监测点，按规定时间进行监测和信息反馈，遇特殊天气或监测数据异常或接近报警值时，要加强监测密度，及时反馈信息。基坑开挖过程中，应严格按报警值控制。若监测数据异常，应即启动应急预案，及时采取相应措施，迅速控制事态发展并分析引起异常的原因，在确认措施有效后方可继续进行开挖。
4 各种紧急情况预案及应急措施
4．1 地下连续墙变形过大
土方开挖过程中(特别是钢筋混凝土支撑施工前)，地下连续墙处于悬臂状态，此时应注意对其进行变形监测。基坑侧向位移发展过快和累计变形值过大时，应采取以下措施。
(1)变形速率较大：变形速率达到报警值时应立即停止挖土，分析原因采取相应措施。如无渗漏，应对基坑加强监测；如有渗漏，则应立即采取措施堵漏。立即在基坑内侧堆填砂石施加荷载，控制地下连续墙变形；检查支撑轴力、土压力、地下连续墙结构内力，分析原因并采取相应措施。
(2)累计变形值较大：累计变形值达到报警值时，应立即停止挖土，加强监测。检查支撑轴力、土压力和地下连续墙结构内力，分析原因并采取相应措施：如支撑轴力较大，应增加临时支撑，控制变形发展。
4．2 地下连续墙渗漏
基坑施工过程中，如地下连续墙发生渗漏，应及时采取封堵措施，以避免导致基坑外侧浅层潜水位发生较大幅度下降而由此引起严重的地面沉降。
(1)若渗水量较小，应随挖随堵，防止渗漏进一步加大。渗水量很大但无泥沙带出时，可采取先引流再堵漏的方法。在渗漏处开孔注浆封堵。
(2)发生管涌或流沙时，如漏水位置离地面不远，可在支护墙背面开挖至漏水位置下l m左右。对支护墙后用密实混凝土进行封堵。如漏水位置埋深较大，则可在漏水位置开孔并在墙后压密注浆(浆液中掺水玻璃)，也可采用高压喷射注浆方法。
4.3 基底流沙、管涌
对轻微的流沙现象，可在基坑开挖后采用加快垫层浇筑并加厚垫层的方法“压住”流沙。对较严重的流沙。应即停止开挖，进行土方回填，同时加强坑内降水措施，待地下水位下降后再行开挖。发生管涌现象时。应立即进行上方回填，采用导流管引流。先在管涌出现位置插入较大口径的导流管，使导流管成为管涌通道；再对导流管四周用压力注浆机注入水泥浆，封闭四周的土体；封闭导流管，以封堵管涌通道；完成管涌封堵后加强降水。再进行土方开挖。因地质勘探孔深度均已超过承压水层，因此施工过程中应密切注意个别位置可能出现局部管涌。
4．4 支撑构件变形
支撑结构的立柱在上部荷载及基坑开挖土体应力释放的作用下，会发生沉降与抬升。立柱承载力的不均匀也会增加立柱与地下墙间较大沉降差的可能。立柱间及立柱与地下墙间的沉降差异值不大于10mm时，可采取以下措施进行控制：
(1)按施工工况对立柱及地下连续墙进行沉降估算，协调基坑开挖与在桩上施加荷载，使立柱与地下连续墙沉降满足结构设计要求：
(2)当立柱上浮时，应增大立柱的承载力，在立柱底进行压密注浆；
(3)当相邻柱问沉降差超过报警值时。可局部放慢或加速挖土。个别地方采取注浆和加固措施，例如在柱与柱间增设临时剪刀撑增强其刚性，共同协调不均匀变形；
(4)支撑应力过大时应增加临时支撑；如支撑柱变形破坏。则应停止相应作业，对支撑柱进行补强及必要的换撑。
4．5 降水施工
降水成功与否直接关系到整个过程的安全，所以在施工过程中不能忽视一些影响降水安全运行的因素。坑内井的孔位应根据深基坑的支撑图正确定位(注意不能与设计的支撑位置发生冲突)。并最终固定在支撑附近。基坑开挖时应注意保护降水井管，应将所有降压井及管道布置在路面以下300mm左右，以防碰坏，同时须保证挖土时不破坏降水井。为避免由于临时停电而造成地下水位上升。在现场准备柴油发电机。采用双向闸刀，保证电网供电与柴油发电机供电自由切换，保证停电10～15 min内能更换降水井的电源，确保基坑开挖过程中降水不长时间中断。
监测过程中,若坑内或坑外观察井水位发生异常，井点出水量增加，而坑内水位没有正常下降，坑外水位下降明显时。应暂停或减少周边管井的降水。启动回灌井点进行回灌，至坑外水位稳定后再在坑外进行注浆堵漏。堵漏完成后再逐渐恢复降水，并按要求增加水位监测的频率。降水井封闭前，会同设计单位验算基础及结构抗浮力，对基坑围护结构和周边环境进行监测。采用信息化管理，根据监测资料随时调整降水井的运行时间和运行数量，确保基础施工安全。
挖土进入承压水临界状态时，是土方开挖安全的关键阶段，应增加对基坑内土体回弹和隆起的监测频率，加强减压降水井运行管理。密切监测承压水水位变化和坑内土体变形，确保基坑安全和坑外环境安全。若坑底隆起，应加强降水，挖土后尽快封闭垫层。若坑内出现承压水击穿现象，则立即在坑内采取以下压井措施：增设坑内降水设备，降低地下水位；进行坑底加固，采用注浆、高压喷射注浆等措施提高被动区土压力：垫层随挖随浇，对基坑挖土合理分段，每段土方开挖到底后及时浇筑垫层。
4．6 周边建筑变形
基坑施工期间的降水会对周围200m范围内产生一定影响，为避免长时间抽水影响基坑周边建筑物及地面沉降。除设立建筑物和地面的沉降观测点外。另在基坑外侧设置观察井和回灌井。对周围建筑物进行沉降监测。对每个监测点数据和降水监测综合分析，以调整降水方案。降水运行过程中，随开挖深度逐步降低承压水头。根据抽水试验得到的参数，计算不同井群组合下坑内地下水位，随基坑开挖深度确定井群的运行。在控制承压水头足以满足开挖基坑稳定性要求的前提下，尽量减小承压水位下降，以尽量减小和控制降水对环境的影响。采取分层、分部位降水。避免因一次降排水量过大周围地层失水而引起沉降。临近建筑物和地下管线降水井的抽水时间应尽量缩短，必要时应建立水力屏障。
周边建筑物变形接近报警值并有继续发展的趋势时，应根据施工进展情况及专家会审确定的处理意见采取相应措施。若出现在土方开挖阶段，应立即停止开挖，采取回填和坑内外注浆加固等措施，控制变形的继续发展。同时加强监测，在各项措施落实、周边建筑物变形趋于稳定或变形趋于减小的情况下。再继续施工若出现在垫层浇筑期间，则可适当提高垫层的强度等级或在垫层中增加钢筋；加快施工进度。缩短垫层浇筑时间，尽快形成垫层支撑。若出现在结构施工阶段，则可增加临时钢支撑，同时增加施工人员，缩短结构施工时间，尽早形成安全、稳定的永久支撑结构。
4．7 地下管线保护措施
土方开挖不得危及周边建筑物和地下管线等基础设施安全。施工前先取得地下管网图及相关资料，并采用地质雷达探测方法，探明场区内的地下管线及场区周围市政道路下的管线分布情况。根据探测结果绘制地下管线和障碍物的分布图，制定切实可行、科学合理的管线保护方案。在已经查明的地下管线路径上设立标志，地下管线两侧各2m范围内采用人工作业。做到逐层轻打浅挖。维护单位人员到现场监护，一旦发生损坏应及时组织抢修。挖出的电缆、管线按监护人员要求进行保护或迁移，保证既有设备的正常使用。监测过程中若发现地下管线沉降或位移累计或变形速率接近报警值，应立即将管线靠基坑一侧打槽钢封闭，管线距基坑较近时设支撑架将管线架空，与土体脱离。同时采取调整基坑的施工顺序、施工方法等措施。
要保证基坑土方施工安全，除采取必要的安全措施和应急预案外，还需合理安排施工顺序，加强管理，使基坑支护及土方开挖能形成有效的流水施工，减少基坑暴露时间。