上海桃浦東路下立交工程深基坑設(shè)計方案比選與施工控制

盛燦軍 中鐵二十四局集團有限公司

在現(xiàn)代高層建筑和地下結(jié)構(gòu)工程中，不可避免要出現(xiàn)深基坑，而在城市施工深基坑工程，其設(shè)計和施工方案往往會受到已有建筑、管線或者是規(guī)劃地下結(jié)構(gòu)的限制，如何在較為苛刻的條件下，采用安全、經(jīng)濟而又便于施工的基坑支護方案，已成為工程人員經(jīng)常要面對的問題。本文以上海桃浦東路下穿鐵路立交工程頂進工作坑為例，探討軟土地基條件下，SMW工法樁圍護的深、大基坑的設(shè)計方案比選與施工控制。

1 工程概況

1.1 主體工程

桃浦東路～真南路下穿鐵路立交橋位于上海市普陀區(qū)，上海火車西站西側(cè)，地道下穿既有京滬、滬昆鐵路和新建的滬寧高速鐵路共五股道，需要預制兩座49×14.6×7.05 m的鋼筋混凝土框架，將其頂入鐵路下方。

該項目的深基坑就是作為頂進箱涵的預制和頂進工作坑，位于鐵路北面交通路～真南路路口。因地道處于曲線段，工作坑需設(shè)計成不規(guī)則的四邊形，其平均長度60 m、寬度42 m，深度為9.3～10 m。

受同期滬寧高鐵工期限制以及上海世博會交通管理要求，本工程從2009年10月28日開工，要求鐵路段箱涵在2010年4月5日前頂進到位，5月30日必須恢復工作坑位置的地面道路，工期十分緊張。

1.2 周邊環(huán)境

工程區(qū)域內(nèi)主要為現(xiàn)有道路、河道、鐵路及居民樓等，基坑西側(cè)距桃浦河35 m，西南角距離京滬鐵路僅8 m，西北角距離金鼎公寓小區(qū)一幢6層磚混樓房（條形基礎(chǔ)）僅6 m，東、北側(cè)4～8 m范圍排滿了臨時改遷的煤氣、自來水、電力、信息、雨污水等地下管線。且該位置規(guī)劃有地鐵16號線，32 m規(guī)劃區(qū)域內(nèi)不能施工鋼筋砼結(jié)構(gòu)，圍護結(jié)構(gòu)只能以SMW工法樁為主。

1.3 水文、地質(zhì)情況

本工點場地屬濱海平原，地面標高4.90 m左右。場地地基土在勘察深度范圍內(nèi)均為第四系松散沉積物，主要由飽和粘性土及粉性土組成。土層由上至下為：①1素填土、②褐黃～灰黃色粉質(zhì)粘土、③灰色淤泥質(zhì)粘土、③夾灰色砂質(zhì)粉土、④灰色淤泥質(zhì)粘土、⑤1灰色粘土、⑥暗綠色粉質(zhì)粘土、⑦1草黃色砂質(zhì)粉土、⑦2灰色粉砂和⑧灰色粉質(zhì)粘土。本基坑坑底位于第④層，其承載力為60 kPa，十字板抗剪強度為36.1 kPa，滲透系數(shù)為4×10-6 cm/s，屬于典型的軟土地基。

淺部土層中的潛水位離地表面0.3～1.5 m，年平均地下水位離地表面0.5～0.7 m。深部承壓水位（第⑦1層），埋深在3～11 m之間。

2 設(shè)計方案比選

為了安全、快速的完成本工程，各參建單位及業(yè)內(nèi)專家針對頂進工作坑先后提出了三種施工方案進行比選。

2.1 三種施工方案

2.1.1 整體盆式開挖方案

該方案是為了解決基坑的水平支撐需要格構(gòu)柱而坑內(nèi)又不允許施工鉆孔樁這一矛盾而提出的。其基本思路是通過四面放坡，將基坑中部區(qū)域開挖到設(shè)計標高，再澆筑擴大基礎(chǔ)、安裝格構(gòu)柱、澆筑鋼筋砼水平支撐，最后將四周放坡面開挖到底。此工藝類似于"逆作法"(見圖1)。

圖1 整體盆式開挖

2.1.2 方案二：一分為二開挖方案

其基本思想是保留兩箱之間的6 m寬土體，通過兩道工法樁墻體將一座大基坑分為兩個小基坑，再采用常規(guī)方法分別對兩座小坑分層開挖、支撐(見圖2)。

圖2 一分為二開挖

2.1.3 方案三：中隔墻對稱開挖方案

與一分為二法類似，不同的是中間不保留土體，僅在大基坑的中間施工一道工法樁墻，兩側(cè)同步分層對稱開挖、支撐。中間一道工法樁墻起到格構(gòu)柱的作用(見圖3)。

圖3 中隔墻對稱開挖

2.2 三種方案的優(yōu)缺點對比

三種方案的優(yōu)缺點對比見表1。

表1 三種方案的優(yōu)缺點對比表

因本基坑緊鄰鐵路和居民樓，安全風險很大，同時工期又非常緊張，綜合考慮安全和時間因素，最終選用第三種方案。圍護結(jié)構(gòu)大部分采用SMW工法樁，但在地鐵規(guī)劃線位以外、緊靠鐵路和居民樓的區(qū)域，考慮到建筑物附載和列車動載因素，以及臨近鐵路干線施工時大型設(shè)備的安全風險，采用的是鉆孔樁+高壓鉆噴樁圍護。

基坑圍護平面布置見圖4（單位：m）。

圖4 基坑圍護平面布置圖

3 實施情況

3.1 圍護結(jié)構(gòu)形式

工法樁設(shè)計采用Φ850×600三軸水泥土攪拌樁，樁長25 m，內(nèi)插 H700×300×13×24 m 型鋼，型鋼布置形式為"隔一插二"，后靠背位置因需要承受箱涵頂進的反推力，型鋼采取"密插"方式。頂部設(shè)1×1 m截面的圈梁；基坑上下共設(shè)2道水平支撐，第一道采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，與圈梁形成整體框架，第二道采用Φ609鋼管撐，通過鋼圍囹傳力。

靠近鐵路和樓房的鉆孔樁直徑1 200 mm，樁長25 m，與雙排Φ600高壓旋噴樁結(jié)合，形成圍護+止水體系。

經(jīng)過理論計算，各工況均安全可靠，各項安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

3.2 施工步驟

(1)先施工工法樁和鉆孔樁圍護墻體，接著進行坑底水泥攪拌樁加固；

(2)同步進行圍護體圈梁和第一道支撐澆筑、養(yǎng)生；

(3)對稱開挖第一層土體至第二道支撐底標高，深度約5 m，同步安裝兩側(cè)鋼支撐，對稱均衡施加預壓力（210 kN）；

(4)進行坑內(nèi)井點降水，使地下水位降至設(shè)計坑底標高以下1 m左右；

(5)對稱開挖第二層土體至設(shè)計坑底標高，快速封底，澆筑滑板和頂進后背；

(6)待滑板達到設(shè)計強度，拆除第2道鋼支撐，預制箱涵；

(7)采用專用鋼梁加固鐵路，基坑前部圍護體開洞，將箱涵頂入鐵路下方；

(8)現(xiàn)澆工作坑內(nèi)的暗埋段箱體，達到設(shè)計強度后，采用小粒徑砂夾碎石快速進行基坑回填；

(9)拔除工法樁內(nèi)的H型鋼，拆除鋼筋砼圈梁和支撐，恢復地面道路。

3.3 重要工序施工

3.3.1 SMW工法樁

SMW工法樁是在水泥土攪拌樁內(nèi)插入工H型鋼或其他種類的勁性材料，從而增加水泥土樁抗彎、抗剪能力，并具有擋水、擋土、工藝簡單、操作方便、造價經(jīng)濟等特點的基坑圍護施工方法，其在松軟地層施工5～10 m的基坑應用較多。

本工程采用ZKD85-3型履帶式三軸攪拌樁機進行工法樁施工，50 t履帶吊機插拔H型鋼。水泥采用普硅42.5級，摻量為20%，配備環(huán)保型水泥自動攪拌注漿機制備和壓注水泥漿液，水灰比控制在1.5：1。經(jīng)鉆芯檢測，攪拌樁水泥土的28天無側(cè)限抗壓強度在1.2 MPa左右。

采用SMW工法樁作為圍護墻，其關(guān)鍵要保證水泥土樁體的抗?jié)B能力，且H型鋼的剛度需滿足基坑安全要求。所以施工中必須控制好水泥摻量、噴漿壓力和下沉、提鉆速度。鉆進攪拌速度一般在1 m／min，提升攪拌速度一般在1.0～2.0 m／min，在樁底部分重復攪拌1 min注漿，提升速度減慢，避免出現(xiàn)真空負壓、孔壁塌方等引起周邊地基沉降。為保證基坑止水效果和H型鋼能順利下插，三軸攪拌樁應采用全斷面套打的方式，即相鄰樁應完整的復攪一軸。

本工程型鋼采用國標H700×300×13×24，在樁機成樁移機后的最短的時間內(nèi)，采用履帶吊車將定尺的H型鋼吊起，插入指定位置，依靠H型鋼的自重下插到設(shè)計規(guī)定深度。不能自然下沉到設(shè)計深度的，則借助液壓鎬頭機輔助下沉。型鋼下插時用經(jīng)緯儀控制垂直度，傾斜度應小于0.5%。

3.3.2 高壓旋噴樁

本基坑工程的高壓旋噴樁是作為止水帷幕，與鉆孔樁結(jié)合組成圍護墻。常規(guī)工藝中，高壓旋噴樁的噴漿壓力一般為20～30 MPa，提鉆速度0.1 m/min，水泥摻量需達到25%以上可形成較完整的樁體。但本工程施工旋噴樁的位置都在緊靠樓房、地下管線或鐵路的敏感地帶，若采用常規(guī)工藝，必將造成周圍土體隆起或平移，從而危及房屋、管線和鐵路安全，因此必須對施工工藝進行合理調(diào)整，使其在滿足止水要求的前提下，不至造成土體的明顯變形。

本項目使用XP-20型雙重管高壓旋噴鉆機，經(jīng)多次試驗后，采取如下工藝措施：

采用雙排高壓旋噴樁設(shè)計樁徑60cm，雙向各搭接20 cm，施工時按照先外后內(nèi)的順序進行，待外側(cè)樁體全部完成并達到一定強度后再施工內(nèi)側(cè)一排樁。外排樁體施工前，在其外側(cè)先鉆應力釋放孔，施工方法為：采用高壓旋噴樁機，自上向下噴射高壓水，邊鉆邊噴水進行擴孔，使孔徑達到40 cm左右，孔深20 m，間距60 cm。在工程樁施工前，先完成2-3個應力釋放孔。內(nèi)側(cè)一排樁施工則先從上至下噴水擴孔，置換出部分土體，然后再從下至上噴漿成樁。工程樁施工時，將噴漿壓力適當減小到18 MPa。

施工時對周邊土體進行同步不間斷監(jiān)測，當日變化量達到警戒值立即停鉆，待土體回縮穩(wěn)定后，再進行釋放孔和工程樁作業(yè)，此工藝每24 h成樁4-5根。雖工效較低，但能保證成樁質(zhì)量和周邊鐵路、房屋等重要設(shè)施安全。

3.3.3 基坑降水

本基坑位置主要為淤泥質(zhì)粘土，其具有高含水率、高壓縮性、低承載力、低滲透性的特點，對深基坑安全很不利，需采用真空井點法降低地下水位、疏干土體內(nèi)水分，以提高土體穩(wěn)定性和承載力、避免開挖時發(fā)生塌方、隆起等現(xiàn)象。本工程在開挖到5 m深度后，采用輕型井點降水，兩個小基坑各安裝了3套井點設(shè)備。為不影響箱涵預制，井點管沿坑壁在坑內(nèi)呈環(huán)狀布置，間距1.5 m，井點管長度9 m，每套井點箱控制不超過40根井點管。一周時間將坑內(nèi)水位降至設(shè)計標高。

3.3.4 工況轉(zhuǎn)換

本基坑是鐵路箱涵預制和頂進的工作坑，因此存在一個動態(tài)變化的過程。主要表現(xiàn)在：

(1)基坑封底后，需要拆除5 m深度的第二道鋼支撐，才能預制和頂進箱涵。此時水平支撐體系從標高0 m、-5 m兩道變化為0 m和-9 m（封底砼）兩道，整個基坑的受力狀況發(fā)生改變。

(2)箱涵頂進前，需要拆除臨近鐵路一面的圍護樁，使基坑從四面封閉變成一側(cè)開口。

施工中，為了防止基坑在工況轉(zhuǎn)化時發(fā)生失穩(wěn)，特別采取了以下控制措施：

(1)必須等封底砼達到設(shè)計強度后，才能拆除第二道鋼支撐；

(2)鋼支撐分步、分批拆除：先"隔一松一"，觀察基坑無異常變化后，再解除另一半支撐的預應力、拆除全部鋼支撐，但保留不影響箱涵預制的斜撐和角撐。

(3)頂進前拆除前端圍護鉆孔樁時，注意保留了其頂部的圈梁（該段圈梁在澆筑時，已在其兩側(cè)和底部均作了配筋處理），使其功能從圈梁變化成水平支撐，保持了支撐體系的完整和圍護體水平受力均衡。

4 施工監(jiān)測情況

4.1 監(jiān)測報警值

本基坑安全等級為一級，根據(jù)上海市《基坑工程技術(shù)規(guī)范》，確定以下主要監(jiān)測報警值（H為基坑開挖深度）(見表2)。

表2 主要監(jiān)測報警值

4.2 監(jiān)測內(nèi)容

上海同濟建設(shè)工程質(zhì)量檢測站對本深基坑施工進行了全過程安全監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容主要包括：周邊建筑物變形、地面沉降、圍護結(jié)構(gòu)樁頂位移、樁體深部水平位移（測斜）、支撐軸力、地下水位、鐵路變形、周邊地下管線沉降等。監(jiān)測單位每天向施工單位反饋監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)異常及時報警，實現(xiàn)信息化施工。

4.3 監(jiān)測結(jié)果

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，圍護樁體的最大水平位移主要在底板開挖面附近，工法樁最大水平變形37.3 mm，鉆孔樁最大水平變形31.1 mm，均小于規(guī)范允許最大位移值4‰H。

水平支撐最大實測軸力251 kN，施工過程中未出現(xiàn)支承軸力超出報警值現(xiàn)象。

距離基坑最近一棟房屋最大沉降12 mm，小于安全限值20 mm，且沉降比較均勻，墻體無明顯裂紋。

施工過程中，整個基坑都比較干燥，圍護樁墻壁沒有發(fā)生冒砂、涌水現(xiàn)象，坑外地下水位也未發(fā)生明顯變化。

監(jiān)測結(jié)果表明，本工程的深基坑設(shè)計方案和施工控制是科學合理的。

5 結(jié)束語

軟土地區(qū)的深基坑工程受各類客觀條件限制，安全風險相對較大。設(shè)計和施工過程中應根據(jù)實際情況慎重選擇方案，合理運用工藝，加強過程控制和安全監(jiān)測，在科學理論指導下，進行信息化施工。