某复杂条件下地下室拆除后基坑加深工程案例

已有旧3层地下室底板埋深15m，原有基坑支护结构紧邻红线，残存支护桩和局部锚索，需拆除原有建成地下室，改造原有基坑支护结构改造并加深5m，为复杂旧基坑加深改造支护工程提供案例借鉴。

1工程概况

原设计旧地下室为3层，基坑支护已施工完成，地面以上主体结构一直未施工，地下室已建成近 15年。

原基坑开挖深度13~16m，采用桩撑支护，支撑采用钢管支撑（钢管支撑已拆除），支护桩采用1.2m人工挖孔桩，桩顶比地面低2~4m，西侧支护桩间距为1.8m，桩长约19.3m，嵌固深度9m，一排?23@1.8m的锚索残存，桩后有一排三重管旋喷桩，桩端标高为原基坑底；东南北3侧支护桩桩间距为2.0m，桩长约17.3m，嵌固深度6.5m，无止水帷幕。

建设单位重新规划设计此场地,新建大厦场地占地面积约5300m ² ，主楼30~31层，设4~5层地下室，框剪结构。基础桩采用钻（冲）孔桩。基坑支护周长约293m，面积5096m ² ，深度17.0~21m，为超深基坑。原地下3层结构需拆除，并增加一层地下室，基坑深度加深4~5m，由原来的13~16m加深为17~21m。基坑加深后，西侧老支护桩嵌固深度4m，北侧嵌固深度2.5m，南侧和东侧嵌固1.5m。

该场地位于市中心区，基坑周边环境复杂，北侧为城市主干道，下有地铁穿过，埋深15m，地铁离基坑最近距离为20m，在地铁安保区管辖范围内。

东侧为次路，下有给水、雨水、污水等管线，次路往东为河道，河道深约6m，离基坑距离约22m。

南侧为高层建筑，有地下2层，桩基础，与基坑之间的位置4~5m宽，为人行道兼消防道路，下有小区管线。

西侧为已建30年的多层民宅，独立基础，距离基坑7m左右，地面比大厦正负零高4m，红线处为一个4m高的毛石挡墙，局部墙体已经开裂，墙底即为已施工旋喷桩顶部，存在安全风险。基坑安全等级和周边环境风险均为一级。

2地质概况

2.1?地层土层

根据地质勘察报告，地下土质条件从上至下为素填土、淤泥、粘土、粗砾砂混粘性土、卵砾石混粘性土、花岗片麻岩强风化带、花岗片麻岩中等风化带、花岗片麻岩微风化带。

2.2?地下水

稳定水位6.71?~5.10m。场地地下水属孔隙潜水和基岩裂隙水，前者赋存于第四系冲洪积层粗砾砂混粘性土及卵砾石混粘性土中，后者赋存于花岗片麻岩的强、中等风化带裂隙中，主要接受大气降水和新洲河的补给。

3基坑加深总体设计方案

3.1?基坑加深改造的难点

工程位于市中心区，环境风险高，基坑加深改造的技术难点主要体现在以下几个方面。（1）项目年代已久，老支护桩和旧锚索质量和可利用程度存在不确定性。（2）北侧地铁隧道变形控制应小于5mm，对支护结构要求高。（3）基坑东侧有河道，存在较大渗漏的风险。（4）基坑西侧为独立基础民房，且存在一个已经开裂的毛石挡墙，风险很大。（5）周边管线众多，有给水、雨水、污水等老旧管线，存在破损的风险。（6）南侧小区已经将围墙设置到本工程的红线内，并压到支护桩顶部，如何支护是一大难点。（7）支护桩的嵌固深度为1.5~3.5m，不满足规范规定的最小要求，存在踢脚风险。（8）止水帷幕设置，确保基坑不渗水。

3.2?老支护结构的检测

（1）旧桩施工时间已达16年，根据设计要求施工单位委托检测单位，随机抽取3根桩进行桩长和混凝土抗压强度检测，3根桩桩长与旧桩竣工图纸相符，但其中2根桩的混凝土抗压强度为C30，另一根为C20，可以考虑使用。

（2）旧基坑只有西侧有止水帷幕，且在挡墙底部，无法检测。

（3）旧锚索埋入了旧基坑里面，无法检测。

根据检测结构，支护桩考虑使用，不考虑使用旧锚索，止水帷幕需要大幅度加强。

3.3?设计方案与选型

通常基坑支护结构分3大类：水平支挡构件、竖向支挡构件和止水帷幕，分析如下。

（1）水平支挡构件：考虑到本基坑四周环境复杂，周边有地下室、有独基房屋、有地铁、有城市主干道，有管线，有河道，不能采用锚索方案，故只能采用水平内支撑支护结构。

（2）竖向挡土构件：基坑四周已有一圈老的钢筋混凝土支护桩，离老地下室外墙约1.5m，离新地下室外墙0.5~1.0m，新地下室外墙与旧桩之间无新支护桩施工空间，旧桩紧邻用地红线，支护桩不能占用红线外场地，故只能在旧桩位置施工原支护桩或利用旧桩。旧桩加冠梁最长约20.3m，几乎无可能将旧桩打掉，故继续使用旧桩。

（3）止水帷幕：可选择的余地不大，已有支护桩，空间狭窄，不能采用三轴搅拌桩和咬合桩；仅西部的旧支护结构采用了桩后三重管旋喷桩止水帷幕，旋喷桩施工灵活，需要的施工空间小，且可以引孔，可以考虑在桩后或桩间加旋喷桩作为新的止水帷幕。

3.4?支护结构最终方案

（1）水平支护构件：采用钢筋混凝土格构式对撑加角撑，坑深17~21m，3道支撑即可满足稳定和强度要求，但项目局部支护桩嵌固只有1.5m，因此为加强支护桩的稳定性，设置4道支撑，如图1所示。

图1?基坑支护总平面示意

（2）竖向挡土构件采用旧桩为竖向挡土 构件。

（3）止水帷幕：地铁侧采用桩间和桩后双层止水帷幕；西侧原桩后已有1层止水帷幕，在桩间增加1层止水帷幕，东侧和南侧在桩间增加1层止水帷幕。

3.5?支护结构设计尺寸

基坑西侧深度约21m，原有支护桩直径1.2m间距1.8m，支护桩嵌固新的基坑底3.5m，设置4层内支撑，支撑净间距最大仅3.5m，桩顶冠梁外侧以上有4.2m高的毛石挡墙，采用混凝土面板加固，原桩后已经有1排旋喷桩止水帷幕，在桩间增加1排三重管旋喷桩止水帷幕同旧桩深度，如图2所示。

图2?基坑支护典型截面示意1

基坑东侧、南侧、北侧深度约18m，原有支护桩直径1.2m间距2.0m支护桩嵌固新的1.5m基坑。支撑设置同基坑西侧，在桩间和桩后增加2排三重管旋喷桩止水帷幕入坑底3.5m，如图3所示。

图3?基坑支护典型截面示意2

3.6?计算结果

原支护桩迎土侧配筋为11根HRB33525的钢筋，临空侧配筋为18根HRB33525的钢筋，计算内容为旧桩配筋（前提条件）、在支撑层数为4层的情况下，按弹性法计算基坑西侧迎土侧最大弯矩为648kN·m，配筋2775mm ² （HRB33525），按弹性法计算基坑西侧迎土侧最大弯矩为648kN·m，配筋2775mm ² （HRB33525），旧桩实配5397mm ² ，临空侧最大弯矩为5396kN·m，临空需配 筋8780mm ² （HRB33525），旧桩实配8838mm ² ，旧桩临空侧配筋刚好满足规范要求。剪力最大值为681.9kN，需配筋1073mm ² ，旧桩配筋503mm ² ，不满足要求。

整体稳定性、抗倾覆验算、抗隆起结果：当支护桩嵌固深度1.5m时，整体稳定安全系数 k _s =2.0>1.3，抗倾覆最小安全 k _s =5.6>1.2，抗隆起验算 k _s =1.72<1.8，以上安全系数除了抗隆起安全系数稍小于规范要求外，其余的均满足规范要求。

3.7?支护桩嵌固深度分析

根据JGJ120—2012《建筑基坑支护技术规程》，对于多支点支挡式结构，挡土构件的嵌固深度不宜小于0.2倍基坑深度。按规范要求工程支护桩的嵌固深度应不小于4m，实际基坑最少的嵌固深度只有1.5m，因此小于4m，同时按规范计算验证的抗隆起安全系数一级基坑应大于1.8，基坑计算安全系数1.72，略小于1.8。

事实上在支护桩嵌固深度满足规范要求的情况下，基坑应设置3道内支撑以满足稳定性要求。由于支护桩的嵌固深度只有1.5m，为了确保基坑的稳定性，应增加一道支撑即设置4道支撑。也就是说在基坑嵌固深度不满足规范的要求的情况下，可在基坑下部采用加撑方式解决基坑稳定性。

3.8?设计方案的特点和优点

（1）造价节省约500万元：利用原围护桩作为竖向支护结构，无需再施工新的围护桩，造价约节省500万元。 

（2）节约工期约2个月：如新做的围护桩，只能采用冲孔桩，冲孔桩的施工工期至少需要2个月。

（3）最大化扩大了地下室空间：由于无需新建围护桩，故新地下室基本可与老地下室面积相当。

（4）对周边环境保护较好：格构式对撑，稳定性强、变形小，能较好地保护周边建筑物、地铁及道路。

4?有限元分析

基坑开挖过程模拟一共分为5个荷载步骤，各个荷载步骤的荷载变化情况如图4、图5所示。

图4?开挖完成计算模型

图5?基坑围护结构模型

步骤1：初始荷载步骤，计算基坑初始应力场，激活支护桩单元、地铁结构单元。

步骤2：施工第1道支撑，拆除地下2层。

步骤3：施工第2道支撑，拆除地下2层、地下3层和底板。

步骤4?：施工第3道支撑，开挖土体到第4道支撑。

步骤5：施工第4道支撑，并开挖基坑到底。

基坑开挖过程中，支护结构位于基坑中间位置的水平位移大于拐角位置的水平位移，基坑东侧的水平位移大于其他3侧。基坑开挖到底时，北侧水平位移7.552mm，南侧水平位移7.459mm，西侧水平位移7.773mm，东侧水平位移15.098mm，如图6所示。

图6?基坑各侧水平位移分析

开挖过程中，基坑的沉降呈东小西大的变化趋势，基坑的最大沉降位于基坑东侧中间位置，约为2.29mm，北侧沉降2.0mm，南侧沉降1.72mm，西侧沉降1.85mm，如图7所示。

图7?基坑各侧沉降分析

通过三维计算可知，在基坑开挖过程中对地铁影响较大的主要是水平位移。开挖过程中，地铁隧道结构的最大水平位移为1.491mm，如图8所示。

图8?地铁隧道位移和沉降图

在基坑止水帷幕完好、无渗漏的情况下，基坑开挖降水对地铁隧道下方区域地下水无影响，不会造成因地下水流失而产生附加沉降，如图9所示。

图9?地下水位渗透线

5?基坑施工工况和监测结果

5.1?施工工艺

立柱桩：地下1至地下3层均需布置搭设满堂脚手架。在立柱处逐层凿穿已有地下室的楼板和底板，再将钻孔桩机移到顶板面，进行立柱桩的施工。

地下室凿除：老地下室内的脚手架不拆除，立柱桩施工完成后，采用炮机分层凿除楼板和外墙。

桩基础：第2层内支撑施工完成后，将原来的老地下室全部拆除再施工工程桩，工程桩采用冲孔桩机施工。

由于第2层内支撑离老地下室底板底只有6.27m，满足不了正常的桩基9m的高度的要求，于是对支撑下部桩机进行改造，将其高度降至6m，满足支撑净空的要求，便于施工支撑正下方的桩基础。

5.2?施工工况

基坑工程开挖深度超深、难度高、周边环境复杂，从正式基坑开挖到地下室回填，历经18个月，基坑使用时间较长。

基坑开挖及回填共分为12个工况：工况1，在老地下室里面搭设脚手架后在顶板上开孔，施工立柱，同时施工桩间和桩后止水帷幕；工况2，拆除老地下室负1层，并支模施工第1层内支撑；工况3，拆除原地下室负2层，施工第2道支撑；工况4，拆除原地下室负3层及底板，并施工新楼桩基础；工况5，施工第3层内支撑；工况6，土方开挖至第4层内支撑顶部，开槽施工第4层内支撑；工况7，基坑开挖到坑底；工况8，施工地下室底板，换撑后拆除第4道支撑；工况9，施工地下4层换撑后拆除第3道支撑；工况10，施工地下3层换撑后拆除第2道支撑；工况11，施工地下2层换撑后拆除第1道支撑；工况12，施工地下1层并回填。

5.3?监测内容

工程内容监测：桩顶位移、地面和支撑沉降、支撑系统应力、地下水位等，对地铁隧道进行了沉降和位移的监测，地铁隧道监测点主要布置在隧道两侧和道床底部。

5.4?监测结果

（1）基坑监测结果。 桩顶位移：最大值16mm。 地面和支撑沉降：34.5mm。 地下水位：–1.61。 支撑系统：6300kN。

（2）地铁隧道水平位移监测结果。 位移累计最大值：10mm。 沉降累计最大值下沉：4.08mm。

以上监测结果均小于规范允许值。

6结束语

（1）在复杂环境的中心城区，对旧基坑或者废旧地下室拆除的并加深改造利用是可行的。

（2）以支护桩原有配筋、周边环境保护、地下室现状、经济性等作为约束条件，布置4道内支撑有效地解决了支护结构的强度、变形和稳定性要求。

（3）新建设的基坑大于旧基坑深度，旧基坑竖向支护结构可能不满足现状的要求，可以采取比常规基坑更多层内支撑或锚索的方式，解决基坑稳定性的要求。

（4）采用有限元软件模拟基坑开挖施工过程及其对地铁隧道的影响，结合与基坑和地铁监测体系的对比，确保了施工期间基坑支护结构和地铁的安全。