张雷
上海建工二建集团有限公司 200123
摘要：在深基坑支护工程施工完成后土方开挖前，因设计变更导致部分区域土方开挖标高加深，原基坑支护需要进行二次加固。现以实际工程为案例背景，采用多种方式进行分析与加固实施，确保深基坑支护工程在土方开挖标高加深情况下的安全性、可实施性，并结合加固产生的经济性、工期影响等因素进行考虑。
关键字：深基坑；二次加固；安全性
1工程支护概况
所建工程为地下2层，地上19层，总建筑高度为98.15m，框架剪力墙结构，基础形式采用钻孔灌注桩独立基础及整体600mm厚C40P8底板。
原支护设计土方开挖深度为5.3m~11.0m，支护形式为整体放坡+三轴搅拌桩止水帷幕+钻孔灌注桩排桩+钢筋混凝土内支撑（一层）形成的支护体系。
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图2：原支护设计剖面图
现由于桩基设计变更，导致底板结构形式发生变化，主要由多桩承台变成伐板，外墙独立承台变成条基。由底板结构变化引起的土方开挖深度改变的部位如下：
（1）基坑支护剖面AA1和 BC段结构承台开挖深度加深1.4m，基坑支护剖面A1B、DE、FG段外墙独立承台变更成条基，改变支护受力分析模式，增加开挖深度0.6m；
（2）主楼基础调整为筏板基础，部分已施工钢格构柱插入立柱桩深度减少1.4m（原锚固深度2.5米）；
针对上述土方开挖深度的变化，原基坑支护设计已不满足土方开挖安全条件，故需对已施工完成的基坑支护进行二次加固及指导施工。
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图3：底板开挖及结构变化图
2 二次加固施工技术难点
1）现场土方已开挖至首道支撑标高，首道支撑已完成，不具备在首道支撑上进行二次加固；
2）坑内底板与支护桩之间无空间进行原有支护桩基加固，坑外因紧邻施工红线亦无法采取增补支护桩措施；
3）坑内原有格构柱原在600mm厚底板上，现变更到2000mm筏板内，嵌入深度不足，且无法加深埋深；
4）首道支撑下空间不满足其它大型设备进行土体加固；
5）根据工期、成本，以及季节性气候对基坑的影响，必须及时进行土方开挖，支护加固只能穿插在土方开挖过程中施工；
3主要部位加固方案的选择
3.1支护排桩换撑部位加固（AA1段、B1C段）
方案一：预应力玻璃纤维锚索施工
已B1C段为例，经过受力验算，B1C段支护加固采用4排预应力锚索加固，加固施工示意图要求如下：
1）锚索钻孔直径?200，倾角15度，水平间隔位于支护桩之间，施工时宜分层施工；在填土、淤泥质土和含黏土角砾层中成孔时，宜采取泥浆护壁、跟管钻进、或其他有效措施，在不同地层进行试成孔，确保在不同地层顺利成孔。
2）锚索采用二次压浆，材料为纯水泥浆，水灰比0.45~0.5，采用P.O42.5普硅水泥，一次注浆采用0.3~0.5MPa常压注浆，二次压力注浆应在水泥浆初凝后、终凝前进行，二次终止注浆压力不小于1.5MPa，注浆体抗压强度不低于20MPa；
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图5：B1C段计算结果简图
经采用软件计算，以B1C部分计算为例，结果：最大位移为25.9mm，最大位移发生在相对标高为-9.7m（地面以下7.4m）处，最大正向弯矩646KN.m，最大负弯矩为-796 KN.m。满足相关规范要求。646KN.m，最大负弯矩为-796 KN.m。满足相关规范要求。
方案二：增加钢筋混凝土角撑
采用如下图所示钢筋混凝土二道角撑，支撑尺寸可同首层支撑，围檩尺寸为1400*800mm（b*h），支撑ZC4尺寸为700*800 mm（b*h），支撑CC尺寸为500*800 mm（b*h）。
经采用软件受力验算，以B1C段计算为例，计算结果：最大位移为29.4mm，最大位移发生在相对标高为-4.3m（地面以下2.0m）处，最大正向弯矩为634KN.m，最大负弯矩为-556 KN.m。满足相关规范要求。
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图7：B1C段二道角撑设置剖面图
B1CD段支护加固方案从工期、成本、安全性综合分析对比：
1）工期对比，自首道支撑开挖到该区域底板完成
方案一，BC段自上而下4排锚杆施工，工作面土方开挖4天，第一、二排锚杆成孔、锚杆安装、二次压浆、张拉等累计12天，第三、四排锚杆土方工作面开挖3天、三、四排锚杆累计施工工期12天，余土开挖及承台施工17天，合计工期48天。
方案二，首道支撑开挖至二道支撑工作面5天，二道支持施工7天+强度养护8天（提高标号、80%强度），二道撑下余土开挖6天，承台施工14天，后期支撑拆除工期约5天，累计工期约45天。
2）成本对比
方案一：方案一增加锚杆总长约2300m，增加造价约35万元；
方案二：增加混凝土支撑工程量约230m3，增加总成本约39万元；
3）安全性对比：
方案一：理论受力分析满足安全条件。通过分析土层性质，因锚杆大多进入的为(6-1)粉砂粉土互层土，该层土内聚力C=0 kpa，结合地下水位情况，降水井施工完成后，测的静止水位标高为-6.3m~-7.3m左右，在实际施工过程中该土质将对预应力玻璃纤维锚杆的与土体的锚固力产生较大影响，另施工质量亦存在不足的影响。
方案二：支撑设计计算满足要求，支撑强度有试块强度报告保证，施工技术相对成熟，故安全可靠。
4）施工难易对比：
方案一：锚杆计算长度达15~20m，施工难度大，土层情况差，对能否达到设计张拉值产生较多不确定性；且支护桩间施工长锚索会超出场地红线范围，后期易引起争端。
方案二：采用增加角撑的方式，便于实施，施工现场仅需将首层土开挖至支撑底标高，开始进行支撑梁的钢筋绑扎、混凝土浇筑等施工工序，作业常规无难度，且可以通过技术措施，减少因钢筋混凝土支撑养护龄期占用下层土开挖的工期，例如适当提高混凝土标号、掺入早强剂、与土方开挖穿插施工等措施。该做法简便，可实施性强，且较为经济。
综上所述，充分考虑到工期成本相差不大，相比施工难易程度及安全的情况下考虑选取方案二——钢筋混凝土角撑。
3.2外墙条基施工支护加固
原外墙柱基础为1.6m*1.6m独立承台，深度1.2m，柱距6m、8m等，经设计变更后为宽1.6m米*深1.2m、长约32m的条形基础，因此支护桩根部开挖深度受力模型加深、开挖范围加大。拟采用如下方式，以DE段外墙条基施工为例，进行整体承台梁开挖及施工
方案一：设置预应力锚杆
采用单排锚固段长14.5m，设计总长18m，锚固体成孔直径200mm的2根19.5@1500mm玻璃纤维锚索组成的加固体系，如下图所示：
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图8：单层锚杆加固示意图
经采用软件计算，以DE部分计算为例，结果：最大位移为22.6mm，最大位移发生在相对标高为-4.3m（地面以下2m）处，最大正向弯矩为500KN.m，最大负弯矩为-530 KN.m，满足相关规范要求。
方案二：跳挖施工
将支护桩根部挖深部位采取跳挖的方式，如下图，一期开挖施工，间隔二期、三期的范围进行开挖，待一期基础底板浇筑完成并达到设计强度，开挖二期并进行施工，依次类推。跳挖之间满足间隔2倍的开挖长度范围，亦能满足规范要求（局部开挖）。
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图9：跳挖施工示意图（以A2B段为例）
方案三：底板垫层加强做法
经过设计计算，按原设计开挖至垫层（150mm）底并超挖150mm，此时条基基础不开挖，10m深处位移最大为37.4mm，弯矩为-113.6~1464.7KNm，剪力为-657~378.8KN。受力计算如下所示：
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图10：计算受力图
主要施工流程为：支护桩根部挖深部位连梁采取一次性快速开挖至连梁外侧设计底标高，然后设置超厚垫层（300mm厚）内配部分钢筋及垫层边梁，连梁范围设置工字钢两侧顶撑，共同作为支护桩底部加强措施，如下图所示：
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图12：方案三：垫层加强剖面图
上述方案综合对比分析：
方案一，设置预应力锚杆应注意土体内摩擦角大小，本次土体锚杆杆体发挥锚固力的土层主要为黏土层，内摩擦角?=5°，偏小，且黏土层下部存在淤泥质粉质黏土，内摩擦角?=1.8°，理论计算安全可控，但实际施工存在锚固力不确定性因素。
方案二，跳挖施工虽能从规范角度满足一次性开挖至基底设计标高的要求，但分块跳挖施工周期长，留土较多，且后期二次开挖、内转土操作较为不便，对工期影响较大，且底板施工存在较多施工缝，施工质量难以保证，整个过程需耗费大量时间、机械、人工费用。
方案三，采取垫层加强措施，可借助原设计垫层厚度，配置部分余料钢筋，适当提高垫层厚度及垫层混凝土强度，内配部分工字钢作为顶撑，可基本实现一次性开挖，施工速度快，解决了上述方案二的弊端。此方式操作性强，基坑变形未超过设计允许范围，成本小，施工难度小，节约工期。
3.3钢格构立柱加固
主楼伐板区域已施工完成的钢格构立柱插入立柱桩深度因减少1.4m，部分区域需对钢格构底部采取一定的加固处理措施。因钢格构立柱主要承受因基坑变形导致支撑位移的抗拔力，需将钢格构与下部立柱桩进行有效锚固连接，采用的加强做法如下：
1）需要加固的钢格构立柱应逐个加固，避免全部挖出来一次性加固处理。
2）加固的钢格构立柱四周土体开挖至设计标高后，立即分区域破除立柱插入立柱桩处的混凝土，格构柱单边土方开挖露出桩体主筋，迅速将所有外露主筋与钢格构侧壁进行焊接处理，依次轮换其它边主筋焊接。
3）加强立柱部位的沉降、水平位移的观测。
主要做法如下图所示：
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图13：钢格构立柱加固示意图
4、实施效果：
针对支护排桩换撑部位加固，在钢筋混凝土支撑实施过程中，以CDE段支护桩测斜CX03/CX04点位为例，通过对支护结构进行第三方变形观测，结果显示：
（1）开挖前，测斜CX03点累计变形最大在孔深8m处，累计位移19.65mm，变形速率为-0.31mm/d；
开挖后（3d内），测斜CX03点累计变形最大在孔深8m处，累计位移21.21mm，变形速率为0.67mm/d；
（2）开挖前，测斜CX04点累计变形最大在孔深6m处，累计位移23.97mm，变形速率为0.80mm/d；
开挖后（3d内），测斜CX04点累计变形最大在孔深6m处，累计位移23.56mm，变形速率为-0.48mm/d；
上述数据在开挖后数次监测中，结果显示变形速率均稳定在1 mm/d以内，充分说明优选支护加固做法满足基坑安全性要求。
5、结语
因原基坑支护施工已完成，在改变土方开挖深度后，需要对原设计支护体系安全稳定性进行验算，当验算发现安全稳定性不满足设计及规范要求，影响基坑施工安全的情况，需要对原支护进行二次加固，在加固过程中结合实际施工经验，应注意如下几点内容：
（1）应充分分析基坑侧壁所处土层性质，结合地质勘察报告及地下水位情况，充分考虑相关加固措施的可行性、安全性；
（2）在满足安全性的情况下，结合施工工艺的要求，选取核实的加固措施，往往常规的加固方式能带来更好的安全效果、操作效果及经济效果；
（3）在加固措施实施前，应进行技术优化，将影响工期的关键线路上的关键工序进行技术改进，通过满足规范要求的方式，达到提前进入下一步工序的开始时间点，从而达到节省工期；
（4）从增加钢筋混凝土角撑、垫层加厚加强、钢格构立柱加固等措施来看，存在各道工序相互衔接的先后关系，应遵循先撑（加固）后挖的原则进行实施，注意基坑施工时空效应，部分加固应快速得到实施，才能确保基坑各工序的安全实施。
（5）注意加固部位加强基坑监测的实施。
参考文献：
[1] 工程的设计图纸、工程地质勘察报告等。
[2] 《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）
[3] 《建筑地基基础工程施工规范》（GB51004-2015）
[4] 《建筑基坑工程监测技术标准》（GB50497-2019）