用系统工程方法对待地下工程设计与施工

张幸洪 赵红卫 李果红

(广东大德通建筑工程有限公司，广东 珠海 519000)

目前建筑市场较为普遍的现象是总包单位擅长主体结构的施工组织管理，而将桩基、土方、基坑等专业性强的项目分包给专业队伍，往往出现总包单位考虑主体结构的成分过多，而忽视分包工程的专业特点及要求，顾此失彼；
反之，专业分包队伍过分强调自身的施工需要而忽视整体的协调推进。虽有总包的领导及协调，但内耗难免，工序衔接粗糙生硬，或问题暴露后，方仓促应对，缺乏前瞻性或系统性筹划，无疑造成工期耽搁或成本增大，甚至直接导致较大质量、安全事故。

如何解决这些问题，笔者认为单靠强调某一方主体的责任心、专业能力、配合意识是不够的，而是要将地下工程任务要求、施工条件、各方主体、各工种工序等要素纳入到系统中来，统一筹划、综合布局、协调推进，即按系统工程方法处理地下工程，方能达到系统最优。

1.1 从勘察设计源头抓起

1.1.1 勘察

一般勘察报告大都在用地红线以内布孔勘察，这对指导桩基设计是基本满足的，但对基坑支护设计是不够的。按基坑支护技术规程，勘察布孔需在基坑边界以外(1～2)H范围内(H为基坑开挖深度)，对于软土，钻孔布置范围尚应扩大；
对于锚杆结构，钻孔布置范围应满足锚杆的设计与施工对岩土特性的要求。勘察不仅需提供基坑周边的地质条件，还需通过物探、槽探、或到档案馆查资料的方式，获取基坑四周地下管线埋设及分布的详细资料，掌握周边既有建构筑物地下室及桩基设计资料，并在勘察报告中反映出来，即勘察报告要为基坑支护设计服务。

1.1.2 桩基

我们平常看到的桩基设计一般包括：桩基平面布置图、桩身结构大样等内容。至于桩基在哪个工作面施工，挖土对桩基的影响及如何保护，基坑支护结构与桩基施工的相互影响及规避，则设计文件中鲜有提及。

在沿海地区，广泛分布着深厚淤泥区，在此类地区打管桩，无论作业面在地表还是在坑底，均面临地基松软，桩机下陷的问题。为此，通常在桩机作业面上铺(换)填一层碎石土或建筑垃圾垫层。在地表打桩铺填垫层，基坑开挖时又要挖除，会造成成本无谓的增加，更大的问题是在淤泥层开挖土方时，因淤泥的蠕动、流动，易造成管桩的倾斜、剪切破坏。要杜绝此类现象发生，常采用的方法有两种：(1)先对场区软土进行地基处理，如，塑料排水+堆载预压方案，对基坑底淤泥采用格栅状搅拌桩加固方案，再在地表或坑底打桩。(2)先支护并开挖基坑至设计底标高，然后往下换填0.8m～1.5m厚的碎石土垫层，再进行坑底打桩。在坑底打桩，还面临边桩施工工作面的问题。这些问题最好在设计中加以解决，但在桩基设计中解决似不合适，而基坑设计显然就责无旁贷了。

1.1.3 土方

至于土方开挖工程，通常都没有上升到设计的高度。普遍认为土方开挖是个“力气活”，而不是个“技术活”，一般仅在施工组织设计里面编制一个土方开挖方案即可。实际施工中，总包方往往选择有当地资源的土方老板分包，只要土方老板有足够的挖机、车辆，能搞定交警环保即可，而土方老板则是从如何快速高效出土为衡量标准，至于开挖方式是否按设计要求，有没有对桩基或支护结构带来危害，则是他们容易忽视的内容，这恰恰是地下工程的一个重大误区或“黑洞”，很多基坑或桩基出问题都是因土方开挖而起。

事实上，土方开挖是支护结构的一部分，如边坡放坡、土钉墙或锚杆施工分层开挖深度等，在设计图纸中一般都会明确表达，施工中需严格按图施工。

1.1.4 基坑

同样，在基坑支护设计中，一般只提供支护结构的平面、剖面图，并附上支护结构设计及施工要求的文字说明，至于桩基、土方施工对支护结构施工的影响及克服，甚至对支护结构安全带来的伤害及防范，则少有触及。

基坑设计不仅要考虑诸多因素对支护结构带来的影响，更要将桩基施工、土方开挖、地下主体结构施工中可能出现的问题囊括进来，通过基坑设计提前加以系统解决，从而为地下工程施工保驾护航。

1.2 重视地下工程施工前的设计技术交底

地下工程难度大、风险高，涉及专业分包内容多，施工工艺、工序多而复杂，这就要求相关施工单位能充分了解该地下工程设计技术要求，充分领会设计意图；
了解必须达到的指标，必须规避的问题或隐患；
了解各专业工程施工的时空关系、相互影响、相互铺垫、相互制约及各工艺、工序如何紧密衔接。

地下工程施工前的设计技术交底原则上由业主方召集，设计、勘察、基坑专业设计单位、总包、专业分包出席。在此交底会上，应突出基坑专业设计单位的核心地位。

1.3 施工过程的控制

施工单位需根据图纸、技术交底精神，编制详细施工组织设计，重点理清各专业工程平行或交叉作业的时空关系。

以基坑设计为载体，本已规范了各专业工程施工顺序及注意事项，但施工中偏离主旨思想，各行其道者时有发生。往往是土方违规、野蛮施工的多。如，在边坡开挖时不分层分段；
在淤泥层开挖时，勾机在边坡上作业，挤压土体滑移，造成管桩倾斜；
勾机抓斗快速摆动，碰坏管桩等，这些不良行为威胁基坑安全，损坏桩基础，导致成本上升，将直接影响项目有序推进。因此监理对现场行使检察监督，总包对各方矛盾分歧进行沟通协调显得尤为重要。当然把土方、桩基、基坑一起打包给一家基础公司专业分包，也是系统处理地下工程的一种有效措施(合同措施)。

通过第三方监测，随时掌握基坑位移变形情况，是基坑工程必不可少的一环。一旦监测数据异常，则需告知并询设计处理意见，出现危及基坑安全的较大变形，则需启动应急预案，召集多方讨论确定方案，并立即付诸实行。

既然地下工程诸分项各自为政，而总包单位编撰的施工组织设计又缺乏专业性和权威性，那就应该有一项专业设计，除表达自身专业设计内容外，还应充当地下工程各分项工程间相互联系的纽带。一方面规范和梳理各分项工程开展的技术要求、时空顺序、协调配合关系，即如何有效而紧密衔接，从而达到系统最优；
另一方面规避因缺失的统筹可能带来的效益损失，乃至质量安全事故。这一角色非基坑设计莫属。从系统大局着眼，统筹考虑基坑的设计对地下工程顺畅运行起着驾护航作用。

2.1 基坑设计对土方开挖及回填的考虑

(1)土方放坡为支护结构型式的一种，在场地条件允许的前提下，能放坡则优先考虑放坡开挖方案。

(2)锚杆、土钉等支护结构，决定了土方开挖必须分层分段进行，不得超挖。

(3)关于基坑边缘承台开挖：对密集承台分布区，基坑设计深度按原基坑深度加上承台厚度考虑；
对存在一定间距或稀疏承台分布区，则按原基坑深度设计考虑，但要求土方开挖中，对边缘承台跳挖，每挖好一个承台，则立即浇筑垫层、砌筑砖胎模。

(4)关于电梯井等坑中坑，原则上需设计有二次支护结构；
对存在标高显著变化(如一、二层地下室)的临界面，也需设计支护结构。土方开挖时，原则上先挖深坑、后挖浅坑。

(5)若在淤泥区坑底打桩，需对坑底淤泥换填1m～2m厚度，换填土有关参数、方式方法均应在基坑设计中表达出来。

(6)巧用淤泥蠕变、流变特点。淤泥具有蠕变、流变特点，这对边坡稳定是不利的，但发生蠕变、流变需要一定时间，假如在施工中，把时间控制得较短，不给蠕变、流变发生的机会或抗剪强度衰减很小，则设计勿需为此大费周折。在淤泥区坑底换填土，只要换填及时，则基坑计算深度勿需全部加上换填厚度。同理，对基坑边缘的单个承台，采取随挖随浇垫层砌砖胎模的紧密工序，也不需增加基坑设计深度，但对于紧挨着或连片分布的边缘承台，则需加大基坑设计深度。

(7)在淤泥区的基坑开挖，若原始地面标高不够，在基坑支护及地下室结构完成，需回填土方时，要避免因土方回填方式的错误，对建筑结构桩基础形成水平推力而造成桩基的剪切破坏。

2.2 基坑设计对桩基础的考虑

2.2.1 在自然地表施工桩基础

原则上桩基施工在前，支护桩施工随后。若先施工支护桩，在边缘基础桩施工时，需考虑挤土效应对支护(帷幕)桩的影响，尤其是帷幕桩强度低，易被挤压破坏。因此，从桩基施工顺序安排上，应从基坑边缘区向中间区推进，或从已施工支护(帷幕)桩的闭口侧向尚未施工支护(帷幕)桩的开口侧推进。

2.2.2 在坑底施工桩基础

在坑底施工桩基础因其独特优势，而越来越受到基坑设计者亲睐。但需考虑以下因素。

(1)受坑底作业面限制，边桩需在自然地表先打。纳入先打的边桩范围与施工工艺有关，如静压桩机所需作业面较大，则静压桩机施工所需的最小宽度即为前期需先打的边桩范围。

(2)若坑底恰好处于淤泥层，则需对坑底表层1m～2m厚淤泥先换填碎石土，方能满足桩机作业要求。在基坑设计深度上也需考虑换填土的厚度。

(3)在坑底施工锤击桩，纳入地表先施工的边桩，除了需考虑锤击桩桩机作业面宽度外，还需考虑锤击振动对支护结构的影响。

2.2.3 坑内外均有工程桩的情形

因上部建筑分区，经常遇到坑内坑外同时有工程桩的情形，这对基坑支护设计带来较大麻烦：一则坑外桩肯定会限制部分支护结构型式的采用，如锚杆、放坡、占用宽度较大的重力式挡墙等；
二则对支护结构变形提出更高要求，因为较大边坡位移将会影响坑外工程桩的垂直度。

可用如下方案应对。

(1)坑外桩先不打，待地下室土方回填后再打。

(2)若坑外桩范围不大，可将坑外桩全部纳入到基坑支护开挖范围内，在坑底施打这些“坑外桩”，待地下室外剪力墙完成，先将坑外桩接长至设计标高，再回填土至相应标高。

(3)先在自然地表施工支护桩及坑外桩，支护桩采用刚性好、变形小、宽度不大的结构，甚至可考虑将坑外桩桩顶底板外延，与支护桩锚固成一体，可有效控制边坡及坑外桩位移。

2.3 基坑设计需考虑土方开挖对工程桩的影响

基坑设计还需考虑土方开挖对桩基础的影响。尤其在淤泥区开挖土方，需考虑淤泥的流动会推歪桩体或对桩基造成剪切破坏。

2.3.1 基坑设计对水的考虑

南方地区受降水影响，地下水位变化较大。地下水水位过高对基坑工程有百害而无一利，事实上，很多基坑工程出事都是因水而起。水是基坑安全的头号大敌。

若能降水或降低土层含水量，则土体物理力学性质指标立刻大为改善。但降水对渗透性好的土层经济有效；
对粘性土层，则降水是个漫长的过程，而降低其含水量则更是件困难的事，需辅之以电渗、塑料排水板等法，性价比不高。

在基坑设计中，往往存在一个误区，就是地下水不应流入基坑，需设置止帷幕将其拒之基坑外，止水帷幕的顶标高，取决于丰水季水位高。这一理念势必带来基坑成本的增加及安全隐患的增大。万物同理，疏通总比堵塞好。在不影响周边环境的前提下，对地下水能降则降，水位高度能低则低。

基坑设计可考虑采用如下方法。

(1)在不影响周边环境的前提下，坑外尽量降低地下水水位。设计上可通过坡顶放坡，并在坡面埋设泄水管，尽量降低止水帷幕桩顶标高的方法实现。在此需特别强调，泄水管的埋设要严格按设计要求，确保真正起到泄水作用。

(2)做好地表截水、排水设施，避免雨水下渗。对边坡出现的裂缝需及时修补。

(3)对周边有给排水管、消防水管的边坡，需严格控制边坡位移，避免拉裂水管，造成动水对边坡的直接冲击。

(4)注意水对砂层的掏蚀。在强透水性地层，不建议采用止水帷幕加放坡的方案，因为帷幕渗漏将逐渐掏蚀坡体，而且很难发现渗漏点，很难封堵，最后有可能使放坡体荡然无存。

(5)若止水帷幕临空面出现涌水、流砂现象，则采用先堵砂、后止水的方式；
为堵住砂，则对涌水采用先疏后堵的方式。

(6)止水帷幕在坑底以下出现管涌现象，则可采用注浆加速凝剂等法封堵地下渗漏点。

(7)当基坑底为饱和砂层时，应进行抗管涌验算；
当基坑底位于承压水之上时，应进行抗承压水验算。

(8)在基坑底也一样，在成本可控的前提下，地下水位宜尽量降低，一则可增加被动区有效土压力，有利基坑稳定；
二则为坑底承台、电梯井开挖等工序创造良好作业条件。

2.3.2 基坑设计对地下室结构的考虑

基坑设计可根据地下室平面布置及结构设计，采用逆作法、中心岛法等方法，这些方法充分表达了地下室结构与基坑支护结构如何融为一体，互相依靠、共同作用，从而满足地下工程系统顺利、安全、经济运行的需要。

(1)用系统工程方法对待地下工程设计与施工，可达省时、省力、省钱的系统最优效果。

(2)基坑设计可充当地下工程各分项工程间相互联系的纽带，规范和梳理了各分项工程的技术要求、时空顺序及协调配合关系，对地下工程顺畅运行起着驾护航作用。

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