1 工程概况

　　某科学技术研究中心附属建筑，建筑面积12 556m²，其中地下建筑面积9 512m²，地上3层，地下4层。该建筑物的结构形式为框架-剪力墙结构，基础为梁板式筏形基础。

　　该项目位于北京市昌平区沙河地区，地处温榆河故道及其边缘地区，场地地层变化大，土体稳定性差。勘察期间于勘探钻孔深度45.00m范围内实测到4层地下水，其中下部2层为承压水，场区自1955年以来的最高地下水位和近3～5年最高地下水位均接近自然地面。基坑工程整体开挖深度达31.4m，开挖面积4 600m²，经前期调研、对比和论证，采用上部复合土钉墙支护+下部桩锚支护结构形式，施工速度较快、造价低。基坑支护采用土钉墙+桩锚联合支护结构形式，自地面至-9.000m为1∶0.3土钉墙支护，-9.000～-33.000m为桩锚支护。桩锚支护结构采用直径1 200mm、间距1 700mm钻孔灌注桩，支护桩长39.0m。竖向共设置8层锚杆，上面4层锚杆间距2.8m，下面4层锚杆间距2.5m。工程复杂的地质条件对超深基坑施工提出了更高的要求。

　　2 工程难点

　　对于全断面深度>30m超深基坑，传统基坑支护体系工期长、造价高，尤其是支护结构的内支撑对基坑内工程主体结构施工影响特别大。对于多层地下承压水的有效控制长期以来也是一大难题，尤其是在承压水层中施工锚杆更为困难。传统做法是大面积降水，造成地下水损失过多，还会导致基坑周围地面下沉、周围建(构)筑物产生不均匀沉降等灾害。

　　在我国的深基坑工程中，桩锚支护结构绝大部分用于开挖深度为10～20m的深基坑，开挖深度超出20m的深基坑采用桩锚支护的非常少，没有先例可以参考。而且，采用34m长的三轴搅拌桩在桩锚支护结构外围形成止水帷幕，在北京地区硬塑地层中施工此类水泥搅拌桩也是首例。

　　3 技术创新

　　3.1 桩锚支护结构超深施工技术

　　通过优化基坑设计方案，将复合土钉墙+桩锚支护结构的支撑深度发展到31.4m，形成超深基坑土钉墙+桩锚支护的新技术。

　　通过建立非线性理论模型，进行数值模拟分析，利用Midas软件对该基坑工程建立模型，研究基坑开挖变形特征与稳定特征，分析基坑开挖深度对支护桩桩体弯矩及位移的影响(深度效应)、支护桩刚度变化对支护桩弯矩和位移的影响(刚度效应)、支护桩嵌固深度对支护桩侧向位移和稳定性的影响(嵌固效应)以及锚杆的预应力对支护桩桩体弯矩及位移的影响(预应力效应)等，并提出了相应的施工技术措施，保证了基坑支护结构安全可靠、经济合理。基坑支护结构如图1,2所示。

　　图1 超深基坑平面  

　　图2 深基坑支护结构剖面  

　　3.2 硬塑地层三轴搅拌桩超长施工技术

　　本工程三轴搅拌桩深度达34.00m，目前尚无三轴搅拌桩在34m深度的施工经验。相对于天津地区三角洲沉积、地层软的特点，本项目所在北京地区受构造运动影响形成的第四纪古河流沉积物地层较硬。而且三轴搅拌桩进入第(8)层中砂层的标贯击数高达115。

　　试桩时，三轴搅拌桩施工效率低下，同等时间内的成孔深度相对于天津地区仅为1/4左右。在施工至第(8)层时，机械钻头磨损严重，不得不停止钻进，未达到设计深度。

　　在机械动力性能一定的情况下，将水灰比由原0.55调整为1.5，增大水泥浆的稠度值，从而减少因水泥浆稠度小、阻力大引起的动力损失，加快了钻进速度。另外，将钻杆下部的叶片进行调整，将大叶片更改为大、小叶片间距设置，从而减小在下钻过程中叶片自身的阻力，加快了钻进速度。

　　为保证止水帷幕桩的水泥掺量达到设计要求的20%，桩机施工时采用“两搅两喷”工艺，钻至要求标高提钻时，加大水泥用量，控制提钻速度，确保提钻至桩顶时，每根桩的水泥用量达到设计要求，从而保证桩的成型质量，达到止水效果，如图3所示。

　　图3 止水帷幕效果  

　　在较硬土层及砂层中，原机械钻头为合金钢，在钻进第(8)层时磨损大、施工速度慢。极有可能造成因钻头损坏引起施工中断，使帷幕桩形成施工缝，出现渗水隐患。为预防此类现象发生，将原钢钻头拆除，替换为镍铬合金钻头，降低了钻头的磨损，从而使桩机顺利穿过中砂层，达到设计要求标高。

　　3.3 多层地下水控制及承压水层中超长锚杆施工技术

　　该场区位于温榆河故道，基坑开挖深度范围内共有4层地下水，水量丰富且下部2层水为承压水，基坑降水是施工难题。工程采用降排结合的方式，包括疏干、抽渗、隔离、减压等多种降、排水并用的地下水控制方法。坑壁采用三轴搅拌桩止水帷幕进行隔水，坑内采用无砂混凝土滤管疏干井进行排降。

　　考虑到本工程第5～8道预应力锚索，自锚杆孔口、自由端到锚固段均处于承压水中，特别是在中细砂层时，顺利成孔且保证孔深、孔径难度大。为保证锚杆机套管拔出后，注入孔内的水泥浆不会被承压水冲走，在基坑外锚杆锚固端部位设置减压井(见图4)，在施工锚杆时对此范围内承压水进行抽排减压，将承压水减压为静态水，保证此部位锚索的施工。

　　图4 减压井平面布置  

　　砂层及承压水层中预应力锚杆施工采用全套管跟进成孔，二次高压劈裂注浆施工工艺。为了确保承压水区域预应力锚杆的施工质量，预应力锚杆施工期间，在止水帷幕外设置临时减压井，在预应力锚杆施工期间进行抽水，保证锚杆桩体的成型质量。紧密安排施工工序，成孔后及时进行锚杆安装和注浆;水泥浆达到张拉强度时，严格按照分级张拉的要求进行张拉锁定。

　　3.4 双排钢管桩复合土钉墙施工新技术和新工艺

　　基坑北侧紧邻市政道路，上部复合土钉墙无放坡空间的区域，设置钢管桩垂直土钉墙，将钢管插入帷幕桩体内，采用锚索进行张拉固定。钢管桩与帷幕桩位置重合，最大程度节省空间。

　　止水帷幕桩施工完成后，桩体强度大，对钢管桩成孔造成很大困难。选用常规的高压旋喷桩钻机在桩体内无法成孔。经考察研究，在成孔时，选用地质100型钻机，端部安装合金钻头进行成孔，并将钻机钻头改为150型，才得以顺利完成。然后在孔内插入钢管，注入水泥浆，并随土方开挖逐层设置锚索，形成垂直土钉墙，节约施工空间，如图5所示。

　　3.5 超深基坑施工自动化监测分析处理技术

　　基坑监测采用自动化设备，对地下水位、锚杆内力、桩顶水平位移、深层水平位移、周边地表、道路、管线等进行监测，与人工监测相比，自动化监测减少了人工投入，通过计算机程序自动进行数据采集、计算、分析、处理，实现对不同监测方法的自动计算，大大提高了工作效率;且一旦监测数据超出预警值范围，系统马上报警，提示技术人员及时作出判断，通知相关方采取相应工程措施。

　　图5 双排钢管桩与止水帷幕桩剖面 

　　为了满足实时监测的需求，提高基坑施工变形监测工作的信息化程度，本项目采用云平台自动化变形监测系统，及时得到可靠的变形监测成果并进行发布和预警，为基坑安全施工提供数据保障。

　　基坑自动化变形监测系统的硬件系统主要由数据采集设备、现场控制箱以及远程数据中心3部分组成。使用高精度的测量机器人以及固定式测斜仪、钢筋计、轴力计、水压力计等监测用传感器作为数据采集设备。将现场控制箱安放在基坑不受施工影响的区域。控制箱中集成了工控机、传感器数据采集仪、数据传输模块以及电源等设备。为确保数据传输的稳定性，将测量机器人与工控机采用有线方式进行连接，各类型传感器同样采用硬件系统线方式与传感器数据采集仪对应端口相连接。工控机与传感器数据采集仪均与数据传输模块相连接，通过无线网实时将监测数据传送至远程数据中心的服务器，进行进一步的数据处理、分析与发布等工作。

　　依据施工期间基坑实时监测数据信息，分析围护结构与周边地表的变形发展规律，根据相关控制指标对施工过程中基坑的安全与稳定进行有效判断，同时基坑施工动态及时反馈到设计、施工，及时采取相应措施，从而确保基坑施工安全，真正做到信息化施工。

　　4 技术应用情况

　　该深基坑工程于2017年7月16日开始施工，先后经过止水帷幕施工→基坑内降水→土方放坡开挖→复合土钉墙施工→预应力锚杆施工→支护灌注桩施工→预应力锚杆施工→垂直开挖等一系列工序，于2018年3月19日开挖到基底设计标高，历时240d。随后，4层地下室在支护好的基坑中安全施工，并于2018年10月30日全面完成地下结构及肥槽回填施工，开始了地面以上建筑施工。该基坑支护技术施工费用低、施工便利、工期较短、基坑变形小、周边环境(包括建筑物、道路、地下管线等)得到了保护，取得了良好的经济效益、环境效益和社会效益。

　　5 效益分析

　　5.1 经济效益

　　采用了该基坑支护技术后，本工程造价大大降低，比原设计方案(地下连续墙+内支撑)节约造价约400万元。与地下连续墙施工方案相比较，该技术施工速度快，施工工期为240d，总体工期可节约60～80d。另外，地下结构施工期间可不受内支撑结构的影响，在缩短工期的同时，也大大节约人工费、设备、材料租赁费及其他赶工费约160万元，经济效益十分明显。

　　5.2 环境效益与社会效益

　　在本工程31.4m超深基坑施工过程中，地面最大沉降量为28mm，远小于国家规范要求的35mm;支护桩最大水平变形量为25mm，也远小于国家规范要求的35mm。基坑周围的建筑物、道路、地下管道等设施均未受到明显影响。尤其是基坑北侧市政道路内的电力、给水、燃气等市政管线一直在正常使用，自工程开工至回填施工完成均未受到任何影响，其环境效益与社会效益也十分显著。

　　6 结语

　　本项目形成的“超深基坑承压水层桩锚支护结构施工技术”，使超深基坑工程的质量和安全容易保证，工程造价低、施工速度快，得到业内各方的高度赞许。应用该技术既能满足建筑业绿色施工和节能环保的要求，又能降低施工成本、缩短工期，应用范围和推广前景非常广阔。