软土地基条件下大面积带内支撑坑中坑开挖方法

摘要

本发明涉及软土地基深基坑开挖，尤其涉及软土地基条件下复杂深基坑群大面积坑中坑开挖方法。一种软土地基条件下大面积带内支撑坑中坑开挖方法，所述支护方法包括如下步骤：步骤一：对基坑内软土进行加固，改善其工程性能；步骤二：设置塔吊方便快捷安装支撑；步骤三：对称分块同步开挖；步骤四：“扇形”退进挖土，边挖边撑；步骤五：及时分块浇筑基础底板。本发明提高挖土效率，有效控制基坑变形边撑边挖，降低了挖土难度，提高了挖土效率，降低了施工成本；确保基坑安全。

说明书

技术领域

本发明涉及软土地基深基坑开挖，尤其涉及软土地基条件下复杂深基坑群大面积带内支撑坑中坑开挖方法。

背景技术

软土地基条件下复杂深基坑群坑中坑的典型特征是：高含水率流塑淤泥层，原状土软弱，具有高压缩性及流变性，经过加固改善后土质仍然属软土范畴；深基坑群面积大、标高变化复杂，分层次布置围护结构，组合支护，带内支撑支护的坑中坑面积大，形状类似矩形，位于深基坑群中部；坑中坑部位为单层标准钢管内支撑，支撑至坑底距离为反铲挖机有效开挖深度。

对于大型工业生产线项目，由于生产原料及产品交通运输需要，选址一般靠近江、河入海口、沿海软土区。而该地区通原状土含水率，高土质软弱，具有高压缩性及流变性，即使经人工土体加固后仍属软土范畴；同时大型工业生产线设备基础体量大、埋深深、基础平面不规则及标高变化复杂，基坑成群分布，坑中坑部位面积较大，在整个支护体系中，坑中坑通常带内支撑支护。由于土质软弱，且内支撑的限制，使得坑中坑部位挖土非常困难，而且坑中坑挖土是影响整个基坑变形的关键，安全风险很大。在最近几年沿海软土地基中由于坑中坑挖土处置不当，导致围护结构坍塌、“踢脚、包饺子”或基坑内、外变形超量，引起大面积工程桩倒桩、断桩现象时有发生，甚至由于基坑坍塌发生人身伤亡事故，给人民生命财产造成极大损失。

因此，技术人员达成共识，此种情况下需采用的先撑后挖，围护结构变形可以很好控制，但带支撑挖土或支撑下挖土相当困难，挖土效率低；先挖后撑方式虽然挖土效率能大幅度提高，但围护结构变形控制难度大，支撑安装若不能及时跟上，可能导致灾难性后果。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供一种软土地基条件下大面积带内支撑坑中坑开挖方法。本发明提高挖土效率，有效控制基坑变形边撑边挖，降低了挖土难度，提高了挖土效率，降低了施工成本；确保基坑安全。

本发明是这样实现的：一种软土地基条件下大面积带内支撑坑中坑开挖方法，所述支护方法包括如下步骤：

步骤一：对基坑内软土进行加固，改善其工程性能；

步骤二：设置塔吊方便快捷安装支撑；

步骤三：对称分块同步开挖；

步骤四：“扇形”退进挖土，边挖边撑；

步骤五：及时分块浇筑基础底板。

所述软土地基条件下大面积带内支撑中坑开挖方法，所述步骤一包括对基坑坑底及待挖软土进行加固，增加土体强度，提高基坑底隆起抗力及挖土放坡坡度。

所述软土地基条件下大面积带内支撑坑中坑开挖方法，所述步骤一中，对土体加固及改善性能要求包括：

a）对于天然含水率ω﹤50%，天然空隙比e﹤1.5，渗透系数k＞10^-6 cm/s,土粒构成及渗透性适于降水的一般性软土，可采用深井或轻形井点疏干降水方法来固结改善土体强度；

b) 对于天然含水率ω＞50%，天然空隙比e＞1.5，渗透系数k＜10^-6 cm/s,土粒构成及渗透性不适于降水的特殊类软土，甚至是流塑状淤泥，可采用深层水泥搅拌桩“网格”桩排桩加固坑底及坑内土方法改善土体强度；

c) 软土加固后土体工程性能有相应提高，软土加固改善后其含水率目标宜控制在40%以下，C、φ值目标宜控制在30.0Kpa和15.0°以上，使挖土放坡比例能控制在1:1以内，确保反铲挖机能一次性开挖至基底设计标高。

d) 结合“步骤三”中对称分块的设置，坑中坑内设置“十字形”高密度加固区，强化地基承载力，预备用于出土车辆或挖机行驶道路；对跨中分块区特别加固，作为最后基坑收土道路和在开挖过程中作为围护结构长边跨中临时支撑土坝，以有限约束跨中围护结构变形。

4、根据权利要求1所述的软土地基条件下大面积带内支撑坑中坑开挖方法，其特征在于：所述步骤二包括在基坑外边设置塔吊，塔吊起重量及有效起吊半径根据塔吊设置位置及所选用的标准钢管支撑最长单节重量、支撑至塔吊距离来选定；软基中塔吊基础利用已有工程桩或增加设置钻孔灌注桩。

5、根据权利要求1所述的软土地基条件下大面积带内支撑坑中坑开挖方法，其特征在于：所述步骤三包括对大面积坑中坑进行细化分块，分块原则是对称均衡，每小块面积不超过900m2，随着基坑深度的增加分块面积进一步减小。

6、根据权利要求1或5所述的软土地基条件下大面积带内支撑坑中坑开挖方法；其特征在于，所述步骤三中，对类似矩形坑中坑，沿围护结构长边均匀分块，先对称同步开挖围护结构短边两头，待两头分块区基础底板浇筑完毕后，再开挖长边跨中分块，出土口位于长边跨中一侧或两侧。

7、根据权利要求1所述的软土地基条件下大面积带内支撑坑中坑开挖方法，其特征在于：所述步骤四包括坑中坑内“扇形”退进挖土，边挖边撑，其具体步骤及协调配合方法为：

之一：首先从基坑四角对称“扇形”内弧开挖，挖机向基坑中部方向行进，内弧线矢高控制不大于角撑间距；

之二：再从两侧短边向围护结构长边跨中方向“扇形”内弧退挖，内弧线矢高控制不大于1.2倍支撑间距；

之三：待两侧分块区底板浇筑完毕后，向出土方向“扇形”外弧退挖长边跨中分块土，完成挖土工作。

之四：反铲退挖土行进过程中当“扇形”内弧线顶点接近或略超过下一支撑位置时（此时未加支撑部位围护墙内侧尚有一定量待挖土）暂停挖土，交由塔吊吊装标准支撑，如此往复协调退进直至支撑安装完，基坑开挖完。

8、根据权利要求1或7所述的软土地基条件下大面积带内支撑坑中坑开挖方法，其特征在于：所述“扇形”退进挖土是指土方开挖坡面底口线成“扇形”弧线，反铲挖机退行开挖，相对反铲挖机站位而言底口线呈“扇形”内弧线或“扇形”外弧线，

9、根据权利要求1所述的软土地基条件下大面积带内支撑坑中坑开挖方法，，其特征在于：所述步骤五包括根据分块挖土顺序及时浇筑基础底板，坑中坑分块见底至基础底板浇筑完毕持续时间不应超过7天，基坑越深分块面积越大，时间应越短。 

本发明中的“扇形”弧线退进开挖，边挖边撑的方法，体现了一种换撑开挖概念，突破了传统软土中先撑后挖局限，很好地解决了开挖效率及安全问题；同时分块开挖、“扇形”弧线退进挖土、及时封底方法的采用，充分利用基坑内待挖土、支撑、围护结构的相互关系，及协调配合的时机效应，主动有效地控制开挖过程中基坑的变形发展。本发明避免了先撑后挖带来的支撑下挖土工况，大大降低了挖土难度，提高了挖土效率，降低了施工成本；同时通过分块开挖、“扇形”退进挖土、及时封底等方法，主动控制基坑变形发展，确保基坑安全。本发明带内支撑坑中坑挖土方法在现有技术背景条件下，有很大的推广应用空间。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明所述的基坑布置简图；

图2为本发明所述的扇形开挖示意图。

具体实施方式

请参照图1和图2，本发明一种大面积带内支撑坑中坑开挖方法，实施方法及原理如下：

步骤一：对基坑内软土进行加固，改善其工程性能；

步骤二：设置塔吊方便快捷安装支撑；

步骤三：对称分块同步开挖；

步骤四：“扇形”退进挖土，边挖边撑；

步骤五：及时分块浇筑基础底板。

所述大面积带内支撑坑中坑开挖方法，所述步骤一包括对基坑坑底及待挖软土进行加固，增加土体强度，提高基坑底隆起抗力及挖土放坡坡度。土体加固及改善性能要求：

a）对于天然含水率ω﹤50%，天然空隙比e﹤1.5，渗透系数k＞10^-6 cm/s,土粒构成及渗透性适于降水的一般性软土，可采用深井或轻形井点疏干降水方法来固结改善土体强度；

b) 对于天然含水率ω＞50%，天然空隙比e＞1.5，渗透系数k＜10^-6 cm/s,土粒构成及渗透性不适于降水的特殊类软土，甚至是流塑状淤泥，可采用深层水泥搅拌桩“网格”桩排桩加固坑底及坑内土方法改善土体强度。水泥搅拌桩加固范围一是基坑底以下一定厚度，起到增强基坑抗隆起能力，二是加固坑底以上开挖土部分土体，提高土体自身抗剪性能，保证在开挖时能留设较陡的坡度而不置于产生滑坡或者产生土体蠕动引发工程桩断桩或倒桩。

c) 软土加固后土体工程性能有相应提高，软土加固改善后其含水率目标宜控制在40%以下，C、φ值目标宜控制在30.0Kpa和15.0°以上，使挖土放坡比例能控制在1:1左右，确保反铲挖机能一次性开挖至基底设计标高。土体加固效果越好挖土临时留置边坡可以越陡，在开挖深度一定情况下挖机臂长可以越短，反之挖机需选择长臂，挖土及支撑安装配合变得困难。

d) 结合“步骤三”中对称分块设置，坑中坑内设置“十字形”高密度加固区，强化地基承载力，预备用于出土车辆或挖机行驶道路；尤其是跨中分块区特别加固，一来作为最后基坑出土道路，二来在开挖过程中作为围护结构长边跨中临时支撑土坝，能有限约束跨中围护结构变形。

所述大面积带内支撑坑中坑开挖方法，其特征在于：所述步骤二包括在基坑外边设置合适塔吊，用于快捷吊运、安装钢管支撑。塔吊起重量及有效起吊半径根据塔吊设置位置及所选用的标准钢管支撑最长单节重量、支撑至塔吊距离来选定；塔吊宜设置于围护结构长边近跨中处，且位于跨中出土侧；塔吊型号选择应留有必要安全储备，软基中塔吊基础应利用已有工程桩或增加设置钻孔灌注桩，必须稳定可靠。

所述的大面积带内支撑坑中坑开挖方法，所述步骤三包括对大面积坑中坑进行细化分块，分块原则是对称均衡，每小块面积在30m见方以下（结合基础底板形式），随着基坑深度的增加分块面积宜进一部减小。对类似矩形坑中坑，应沿围护结构长边均匀分块，先对称同步开挖围护结构短边两头，待两头分块区基础底板浇筑完毕后，再开挖长边跨中分块，出土口位于长边跨中一侧或两侧。对称分块同步开挖的好处在于：1）将大方量土分解成相对小块土，便于挖、运机械，割桩机械及辅助人力的协调配套，能有效控制挖土节奏，提高挖土效能；2）利用临时留置土，缩短围护结构水平跨距，主动调整支护体系的受力及变形发展，主动延缓支护体系达到设计受力状态及变形的速率；3）分块后留置的待挖块区土的自重很好地约束坑底的隆起变形发展；4）将大基坑转化为小基坑，各个击破，方便坑底快速浇筑结构底板，确保基坑安全，每块分区面积正适于大体积混凝土底板分块跳仓施工的要求，也为结构施工创造有利条件；5)对称、同步开挖能使围护结构的变形均匀发展，确保围护结构及支撑体系的稳定。

所述的大面积带内支撑坑中坑开挖方法，所述步骤四包括坑中坑内“扇形”退进挖土，边挖边撑。“扇形”退进挖土指土方开挖坡面底口线成“扇形”弧线，反铲挖机退行开挖，相对反铲挖机站位而言底口线呈“扇形”内弧线和“扇形”外弧线。对类似矩形坑中坑“扇形”退进挖土，边撑边挖的具体步骤及协调配合方法为：

a) 步骤一：首先从基坑四角对称“扇形”内弧开挖，挖机向基坑中部方向行进，内弧线矢高控制不大于角撑间距；

b) 步骤二：再从两侧短边向围护结构长边跨中方向“扇形”内弧退挖，内弧线矢高控制不大于1.2倍支撑间距；

c) 步骤三：待两侧分块区底板浇筑完毕后，向出土方向“扇形”外弧退挖长边跨中分块土，完成挖土工作。

d) 反铲退挖土行进过程中当“扇形”内弧线顶点接近或超过下一支撑位置时（此时未加支撑部位围护墙内侧尚有一定量待挖土）暂停挖土，交由塔吊吊装标准支撑，如此往复协调退进直至支撑安装完，基坑开挖完。

对类似矩形基坑，首先从四角 “扇形”内弧开挖，弧线矢高控制在不大于角撑间距，能很好的稳固角部围护结构的初始变形宜，对整个基坑围护结构总体变形控制非常有利；从围护墙短边向长边跨中“扇形”内弧退挖，一方面能扩大开挖面，增加挖机占位空间，一方面能延缓支护墙趾坑底土体隆起变形，及墙体内倾变形。当基坑土加固效果较好时，采用边挖边撑方案。当“扇形”内弧顶点退行至下一支撑位置，或略超过下一支撑位置时，暂停挖土，塔吊开始安装支撑，此时挖土坡面底口弧线线基本与内支撑上下对齐，围护墙趾留有部分待挖土，支撑安装完毕后继续“扇形”内弧退进挖土，由于“扇形”内弧的存在，使支撑加设后，中部仍有挖机下铲空间，使支撑墙角处余土开挖变得相对容易，整个过程类似于循环换撑式挖土，对坑底稳定及围护墙长边变形控制非常有利；在即将退进至基坑围护墙构跨中收土位置时，由内弧“扇形”退挖，改为外弧“扇形”退挖，一方面收土口位置通常变窄，布置挖机数量减少，出土缓慢，收拾墙趾部位余土时间较长，一方面基坑即将全部成形，随着坑内土的减少，四周支护结构外围的土压力及附加压力作用下，坑底隆起变形理论上会向峰值上增大发展，而且滑移半径成增大趋势发展，外弧“扇形”退进挖土，能减慢基坑中央部位取土速度，稳定基底变形发展速度。

所述的大面积带内支撑坑中坑开挖方法，其特征在于：所述步骤五包括根据分块挖土顺序及时浇筑基础底板。基坑内挖土是产生基坑变形的本质原因。基坑坑底隆起有两方面的原因：一是坑内外土压力平衡打破，坑外土会绕支护结构作圆弧移动；二是坑底饱和土卸压后在自身孔隙水压力及土体内弹性压缩部分出现回弹。这两种原因产生的变形都是不可逆的，而且隆起变形量与基底暴露时间成正比，尤其是在软土层中这中正比关系表现更加明显。因此尽最快的速度进行基础结构底板施工，对坑底进行封底，利用钢筋混凝土自重平衡土压力，非常关键重要。在分块开挖的软基深基坑群中，必须做到基坑见底一块底板浇筑一块，绝对不能让基底暴露太长时间。坑中坑分块见底至基础底板浇筑完毕持续时间不应超过7天，基坑越深分块面积越大，时间应控制越短。

实施例

如图所示：某钢板有限公司酸洗-轧机生产线工程中，轧机区深基坑群采用阶梯式分层组合支护方式，其中轧机地下油库区坑中坑位于基坑群中央，坑中坑采用钢板桩+钢管内支撑支护，支护范围为-5.7m~-10m，-5.7m至自然地面外围基坑四周采用重力式挡墙支护。坑中坑长90m，宽40m，面积较大，土方开挖量1.5万方。坑中坑内支撑为φ609×12标准钢管支撑，支撑间距4.5m，基坑角部设角撑间距3m。基坑区域为流塑淤泥，含水率w=30~90%，平均58.8%；孔隙比e=1.625,压缩系数a_v1-2=1.223MPa^-1；压缩模量Es=2.0MPa,天然密度ρ₀＝1.6g/cm3,粘聚力C_k=7.5KPa,内摩擦角Φ_k=4.1°。

实施步骤如下：

步骤一、结合整个基坑群的土体加固方案，对坑中坑部位坑底以下及以上坑内土采用深层水泥搅拌桩加固。搅拌桩水泥掺量：坑底以下4m范围内15%，以上至自然地面部分5%，即加固桩下部15%，上部5%，通过搅拌桩基喷浆提升速度来控制不同掺量。搅拌桩采用湿法，四搅两喷法成桩，桩机为2φ700双轴搅拌桩机。搅拌桩按“井”字形网格式排桩，相临桩体咬合搭接，网格间距2.5m。坑中坑长、短边中线设置“十”字形，两条搅拌桩加密带，加密带宽6m，以期增强局部土体强度预留作出土通道。加固养护40天后，抽测桩体芯样无侧限抗压强度平均值0.4~0.6 Mpa。

步骤二、在坑中坑北侧跨中近出土口附近设置TC6020塔吊，用于支撑分节吊装；塔吊起重能力满足最重单节标准钢管支撑的起吊要求，起吊半径能覆盖基坑范围；塔吊基础桩借用新建的厂房柱基础承台（承台位于-10m坑中坑围护结构外侧，承台底标高-6.8m，承台基础为8根φ600PHC桩），经验算，塔吊基础满足稳定性要求。

步骤三、如 “坑中坑内支撑平面布置简图”、“坑中坑扇形退进开挖示意简图”中，沿坑中坑长向将基坑分成①、②、③三块开挖，每块面积约1200平方米，跨中块面积减小。其中第①、②块同时对称开挖，第③块待第①、②块基础结构底板浇筑完毕后再开挖。第③块留在最后开挖，一是将大基坑分解成小基坑，减少坑底隆起量，二是解决了出土道路问题，三是在基坑围护结构跨中形成支撑“土坝”，能有效约束围护结构变形。

步骤四、根据步骤三分块挖土顺序，先同时对称开挖①②块，分别从101轴、106轴“扇形”内弧方式向第③块退挖，当开挖至第③块时，减少挖机数量，改为“扇形”外弧退挖第③块，此时挖土速度减慢，保证第③块土的留置时间，待①②块底板浇筑完毕后，再快速开挖收底。开挖第①②块时首先布置4台挖机从角部开始向中心方向“扇形”内弧退挖，当“扇形”内弧最高点接近或略超过下一支撑位置时，停止挖土开始吊装角撑，角撑安装完毕后继续内弧退挖，当角撑部位基坑土挖完后改为图示步骤二方式挖土；图示步骤二方式挖土时，两台挖机平行站位，“扇形”内弧线退挖，挖土行进过程中内弧矢高h大约为支撑间距1.2倍时（即弧线最近点超过下道支撑约1m）停止挖土，塔吊安装支撑，此时两侧围护墙脚部分留有待挖土起到支撑作用。支撑安装完毕后继续“弧线”内弧退挖，进行下一挖土、安装支撑的循环。第③块“扇形”外弧挖土时挖机数量减少为1台，“扇形”外弧退挖收土。10m深3600平方米坑中坑全部开挖见底后，基底隆起量最大值在50mm以内，坑中坑围护钢板桩最大位移在60mm以内，基坑变形控制得非常理想。

步骤五、及时分块浇筑基础底板。坑中坑分块开挖见底，分块浇筑基础底板。挖土→加支撑→再挖土是一个连续进行的过程，按照第①②块开挖见底的退进方向，随时紧跟浇筑基底垫层，准备基础底板施工。由于本工程基础结构底板较厚，钢筋、混凝土量较大施工周期相对较长，第①②块同步“扇形”退进开挖速度较快，为尽量减少基底暴露时间，第①②块中每块再分两块浇筑底板，使基坑分块暴露时间进一步缩短（每小块底板施工时间4天），基坑暴露面积进一部缩小。

本工程坑中坑部位挖土、安装支撑、至基础底板全部浇筑完毕共用时28天，短于原预想的至少40天，实测基坑变形全部控制在设计允许范围内，可见大面积带内支撑坑中坑开挖方法使基坑施工效率及安全性得到很大提升。