復雜周邊環境下的深基坑設計方案比選

孫海忠

(上海巖土工程勘察設計研究院有限公司，上海 200070)

0 引言

地下建筑是一種結構空間取代巖土空間的工程活動，深基坑支護成了實現這一工程活動的重要技術手段。隨著時代的發展，舊城改造項目越來越多，深基坑的開挖深度越來越大，基坑周邊環境越來越復雜，環境保護等級也越來越高。如果支護方案選擇不當或者施工中稍有不慎都會引起周邊緊鄰原有建筑物的開裂、變形、傾斜，造成重大經濟損失。因此，如何選擇既安全可靠又經濟合理的基坑支護方案，具有現實意義［1-3］。許多學者對復雜周邊環境下基坑方案進行了研究:姜艷紅［4］針對某不規則地鐵基坑的支護方案進行了優化選擇;郭建君［5］從施工角度對復雜周邊環境條件下的深基坑支護問題進行了探討。

本文以位于上海市外灘歷史文化風貌保護區的外灘源項目為例，從支護方案選擇及施工的角度分析深基坑支護的安全問題，并提出解決辦法。

1 工程概況

1．1 工程簡介

本工程位于上海市外灘歷史文化風貌保護區的核心地塊，是外灘“萬國建筑博覽”的北端起點，工程設計以“重現風貌、重塑功能”為宗旨，通過對地塊內眾多保護建筑、歷史保留建筑的修繕和保護，以及新建筑和歷史建筑的整合，形成和諧的有機體再現外灘風貌。

本次新建4號樓為21層(總高60 m)商業和辦公樓，是在保留已有美豐洋行靠北京東路和圓明園路兩側外墻基礎上改建而成。本工程±0．000相當于絕對標高+2．450 m，自然地面標高為+3．000 m，基坑周長102 m，面積為600 m2，基坑開挖深度為8．55 m。

1．2 施工現場周邊環境

基坑北側西半部分緊鄰已建3號地下室(挖深13．3 m)，基坑需開挖到3號外墻外邊線。北側東半部分基坑內邊線距離安培洋行(已采用錨桿靜壓樁加固)最近距離約3．58 m;基坑東側內邊線距離該側保護外墻最近距離4．1 m，距離外墻保護鋼架最近距離2．3 m;基坑南側內邊線距離該側保護外墻最近距離4．4 m，距離外墻保護鋼架最近距離2．6 m。基坑西側內邊線距離中實大樓最近距離約2．46 m，圍護樁外側幾乎緊貼中實大樓已有工程樁。

基坑周圍各建筑物所在方位如圖1所示，基坑周邊建筑物信息如表1所示。

根據上海市工程建設規范DG/T J08-61-2010基坑工程技術規范［6］，本基坑工程安全等級為二級，環境保護等級為一級。

1．3 工程地質條件

根據《巖土工程勘察報告》，本工程場地屬典型的濱海平原相地貌，地層形態單一。第①層填土，系近期人工堆填，上部以雜填土為主，局部含混凝土地基、碎石、碎磚等雜物，土性不均勻，該層土最大厚度達到3．70 m;第②1層灰黃色粉質粘土，土質不均勻;第②3層灰色粘質粉土，夾薄層粘性土，局部夾砂質粉土，該層土滲透系數較大，比貫入阻力平均值為 2．24 MPa，最大值為3．13 MPa，圍護結構在該層中施工時應注意采取合理措施確保施工質量，如合理控制水泥摻量及鉆頭的提升、攪拌速度等，避免降水及土方開挖過程中出現滲漏、流砂等現象，對周邊環境產生不利影響;第④層灰色淤泥質粘土，夾少量薄層粉砂。基坑底部位于該層，該層土靈敏度較高，具有觸變性和流變性，坑底容易產生回彈和隆起變形，對基坑變形控制較為不利，應采取坑內加固，增加墊層厚度，及時澆筑墊層等技術措施減小對坑底土的擾動;第⑤1層灰色粉質粘土;第⑤3層灰色粉質粘土夾粉砂;第⑤4層灰綠—深灰色粉質粘土，該層厚度較薄，僅局部分布;第⑦層灰色砂質粉土，局部夾薄層粘質粉土、粉砂及粘性土，土質不均勻。

圖1 4號基坑周圍環境

表1 基坑周圍建筑物綜合信息表

本場地淺部地下水屬潛水類型，主要補給來源為大氣降水、地表徑流。基坑圍護設計時地下水位按地面下0．5 m考慮。

2 基坑支護設計分析

2．1 工程難點分析

1)工程位于市區，施工場地狹小，圍護結構選型需考慮周邊已有保護建筑物、兩片保留外墻、外墻保護鋼架以及地下室與保護外墻之間的工程樁，圍護結構允許占用的工作面緊湊，圍護方案的選型受到極大限制。

2)基坑平面尺寸不大，長33．2 m，寬17．9 m，較小的平面尺寸對變形控制相對有利。

3)周邊有兩棟保護建筑、一棟保留建筑和一棟局部外墻保留建筑，上述建筑物對基坑圍護施工引起的變形控制要求較高。

4)上海屬軟土地區，本工程基坑開挖深度內均以軟弱的粘性土為主，變形控制難度大，基坑圍護成本較高。

2．2 圍護形式選型

本基坑周圍的環境條件極其復雜，對圍護結構自身變形以及周邊環境產生的附加變形控制要求較高，同時本工程地下空間較為緊湊，基坑圍護結構在確保工程安全的前提下需盡量少占用空間。為確保基坑圍護結構及周邊各保護建筑物的安全，基坑圍護結構必須選擇一種能確保安全、有成熟設計與施工經驗的基坑圍護方案。

由于本工程施工場地狹小，需考慮施工設備與外墻保護鋼架之間的施工凈距限制，主要空間因素為:東側基坑內邊線距離保護鋼架凈距2 300 mm;南側基坑內邊線距離保護鋼架凈距2 596 mm，西側基坑內邊線距離中實大樓凈距2 460 mm。圍護方案的選擇需同時滿足上述三邊的施工可行性。

以下對可供選擇的圍護形式逐一進行比較分析，以便確定較為合理的圍護形式。

1)咬合樁。

根據施工單位考察情況，咬合樁最小施工直徑1 000 mm，施工操作面最小需要1 800 mm(東、西側)/2 200 mm(南側，樁中心至外墻保護鋼架，考慮轉角樁施工，兩邊操作面有所區別)，則機械施工空間+圍護結構寬度=1 800/2 200+1 000/2=2 300/2 700 mm，基坑東、西兩側均滿足施工距離要求，南側施工距離(主要為基坑轉角處)不滿足要求。此外由于地下構筑物的存在，采用其他施工工藝需進行專項清障，考慮到清障難度大、靠近保護鋼架距離近，有一定風險性，如果采用咬合樁方案可不進行專項清障。

因此，考慮東側以及西側地下構筑物區域采用咬合樁方案(由于場地狹小，咬合樁每天只能施工1根，若全部采用咬合樁，除轉角部位無法解決外，工期也無法滿足要求)。

2)雙排三軸水泥土攪拌樁套打灌注樁。

灌注樁直徑采用850 mm，雙排3φ850@1 200三軸水泥土攪拌樁寬度1 500，三軸攪拌樁外緣與外墻保護鋼架凈距控制700 mm，則機械施工空間 +圍護結構寬度 =700+1 500=2 200 mm，此方案技術上總體可行。但是對于基坑轉角區域，部分三軸攪拌樁無法施工，需采用高壓旋噴樁代替。

因此，三軸水泥土攪拌樁套打灌注樁方案總體可行。

3)鉆孔灌注樁擋土+三軸攪拌樁止水。

灌注樁直徑采用850 mm，止水采用3φ850@1 200三軸水泥土攪拌樁，灌注樁與攪拌樁凈距控制在150 mm，三軸攪拌樁外緣與外墻保護鋼架凈距控制在700 mm，則機械施工空間+圍護結構寬度=700+(850+150+850)=2 550 mm。基坑東、西兩側不滿足施工距離要求。

因此，鉆孔灌注樁擋土+三軸攪拌樁止水方案不滿足要求。

4)SMW工法。

采用3φ850@1 200三軸水泥土攪拌樁內插H700×300型鋼，考慮到型鋼起吊因素，三軸攪拌樁外緣與外墻保護鋼架凈距控制在1 500 mm，則機械施工空間+圍護結構寬度=1 500+850=2 350 mm。但是采用該方案在4號基坑場地內無法設置型鋼堆放場地，而且型鋼無法拔除，圍護體剛度較鉆孔灌注樁小，且無經濟性優勢。

因此，不建議采用SMW工法樁方案。

5)地下連續墻。

采用600 mm厚地墻(兩墻合一)方案，內外側采用3φ650@900三軸攪拌樁作為槽壁加固兼止水帷幕。三軸攪拌樁外緣與外墻保護鋼架凈距控制在700 mm，則機械施工空間+圍護結構寬度=700+650+600=1 950 mm，施工距離可以滿足要求。此外，如考慮采用地下連續墻方案，4號基坑場地內部不具備鋼筋籠加工條件，需借用3號基坑北側場地進行鋼筋籠加工后通過3號基坑頂板運至4號基坑，需考慮以下幾方面因素:

a．施工單位吊運鋼筋籠需配備150 t塔吊，3號基坑上部的逃生通道、泄爆口必須拆除，所有管線需重新翻排，經過協調，拆除逃生通道和泄爆口無法通過審批。

b．為保護3號地下室，需要在其頂板頂部另設施工棧橋。

c．為確保塔吊運行，3號和4號基坑場地不能有高差，地面標高需要按現有場地的最高標高(3號基坑頂板頂部的施工棧橋)進行控制，從而也導致4號基坑導墻需要高出現有地面，施工單位認為高導墻方案有一定的風險性。可見，在本工程中地下連續墻方案不可行。

經綜合考慮，本工程擬采用如下圍護方案:雙排850三軸水泥土攪拌樁套打鉆孔灌注樁+咬合樁方案(局部利用已建3號基坑地下連續墻)+一道混凝土支撐+一道型鋼支撐。

2．3 圍護方案介紹

本圍護方案具體圍護形式如下:

1)擋土體系。

圍護體系一般區域采用雙排3φ850@1 200水泥土攪拌樁套打鉆孔灌注樁，攪拌樁長度18 m，鉆孔灌注樁一般區域采用φ850@1 050，長度20 m，基坑東側及西側局部區域考慮到地下構筑物清障問題，采用φ1 000@800咬合樁，長度20 m。具體平面布置如圖2所示。

圖2 基坑平面布置圖

2)止水帷幕。

雙排3φ850@1 200三軸水泥土攪拌樁兼做止水帷幕，局部轉角區域三軸水泥土攪拌樁無法施工，采用高壓旋噴樁代替，東側及西側局部區域咬合樁兼做止水帷幕。

3)支撐體系。

本工程設置兩道水平支撐，支撐桿件設計參數如表2所示。

表2 支撐體系截面尺寸一覽表

支撐系統混凝土強度等級C30，棧橋平面布置見第一道支撐平面圖，如圖3所示，立柱共4根，直徑850 mm，長度20 m，坑底以上采用4L140×140×13×21鋼格構柱，斷面尺寸480×480，長度9 m，格構柱插入樁頂下2．5 m。

3 基坑監測

本基坑處于市中心，施工場地狹小，周邊條件復雜，在基坑開挖過程中，采取信息化施工，對坑邊圍護樁頂進行了監測，監測點布置如圖3所示，監測結果如圖4所示。

圖3 監測點布置圖

圖4 基坑邊水平位移曲線

監測數據表明，基坑圍護結構水平位移均在預警值(15 mm)之內。在基坑施工過程中，同時還進行了周邊建筑物的監測，監測數據也滿足相關規范要求。

4 結語

在保護建筑眾多的老城區中心進行深基坑開挖，基坑周邊鄰近既有保護建筑及相關重要管線，這對基坑圍護設計、施工等參建單位帶來了挑戰。實踐表明，本案采取雙排850三軸水泥土攪拌樁套打鉆孔灌注樁結合咬合樁的圍護形式，在精心組織施工的條件下，有效地控制了基坑位移，確保了周邊建筑物的安全。

［1] 王曙光．深基坑支護事故處理經驗錄［M］．北京:機械工業出版社，2006:136-152．

［2] 曹景福．軟土地區基坑支護方案［J］．山西建筑，2010，36(21):52-56．

［3] 孫 箐．復雜基坑圍護結構的設計［J］．建筑與施工，2006(15):116-118．

［4] 姜艷紅．某地鐵不規則基坑支護方案優化選擇［J］．山西建筑，2012，38(14):65-67．

［5] 郭建君．對建筑工程深基坑支護問題探討［J］．工程技術，2012(7):92-94．

［6] DG/T J08-61-2010，基坑工程技術規范［S］．