大型住宅小區大面積淺基坑圍護設計方案優化

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0 引言

在大型住宅小區工程建設中進行地下空間的開發利用已成為主流，但作為軟土地基城市，軟弱土層深厚，地下水位埋藏淺，環境條件敏感復雜，從而造成該類基坑工程設計與施工中有以下特點[1-6]：

（a）軟土地區的基坑設計應以變形控制為主導，如何因地制宜采用適合的基坑圍護結構形式，合理選用設計參數，不僅關系到工程的造價、工期，對基坑的變形控制更起到十分關鍵的作用。

（b）對面積巨大的基坑而言，空間效應顯著，同時基坑施工周期長，軟弱土體的流變特性將進一步加大基坑開挖對周邊環境的影響，因此在設計與施工過程中均應合理考慮時空效應的影響，優化施工參數，采取控制措施。

（c）與城市中獨立的地下建筑不同，住宅小區地下室的空間布局受地面上住宅建筑的影響較大，由于上部住宅須滿足建筑容積率、基礎埋深等技術和使用要求，基底開挖面往往深淺不一，有時地下室的布局甚至對基坑圍護造成不利，只有將兩者合理匹配方可取得地下空間開發的最佳效益。

（d）此類基坑越來越多地出現在場地嚴重受限的城市中心等地區，因而施工場地緊湊，有些地方甚至緊貼城市規劃紅線；基坑周邊環境復雜敏感，臨近大量管線、建筑與地鐵構筑物等。這些都對基坑工程的圍護體系提出了更高的要求。

（e）基坑圍護作為臨時性結構，其設計的安全儲備系數相比永久性結構本來就較小，而該類基坑工程由于挖深不大，在設計及施工中往往由于缺乏足夠的重視而加大了工程隱患。

綜上所述，綜合地質條件，從安全、造價、施工工藝以及工期進度角度綜合考量，開展軟土地區大型淺基坑圍護設計優化研究，尋求最佳的圍護設計方案已成為一個迫切而重要的課題。

1 淺基坑圍護方案的比較與分析

在多年的城市建設實踐中，巖土工程界針對軟土地基不同的基坑開挖深度、場地土質及水文狀況、周邊環境等條件，形成了相對成熟的圍護形式、設計計算方法與配套施工技術，在淺基坑工程中常見的圍護結構類型主要有以下幾種：復合土釘支護、水泥土攪拌樁重力式擋墻、鋼板樁、鋼筋混凝土板樁、鉆孔灌注樁；近年來還開發了型鋼水泥土攪拌墻（SMW工法）等。這些圍護結構各有優缺點和適應范圍，見表1。

從表1中不難發現，各種類型的圍護形式在適用條件、施工便捷性、造價經濟性等方面各有特點，因此需綜合考慮每個工程項目的規模、周邊環境、工程水文地質條件等因素對基坑圍護結構方案進行合理選型。

2 基坑圍護方案選型影響因素分析

（a）工程地質水文條件[7]。工程地質勘察提供的場地土性指標、不良地質現象、地下水的埋藏條件及滲流特性等有關參數，是進行基坑支護結構設計、坑內地基加固設計、降水設計、土方開挖等的重要依據。

（b）周邊環境條件。在建筑物密集、管線眾多的地區，環境保護是基坑工程的重要任務之一。了解受影響區內的紅線、道路、市政管線、建（構）筑物的詳細資料，從而合理選擇圍護寬度，留設施工空間，確定基坑變形敏感程度，評估基坑開挖對周邊環境可能產生的影響，為采取針對性的保護措施提供依據。

（c）建筑結構設計[8]。建筑結構的設計資料是基坑圍護設計必不可少的依據，它決定了基坑的挖深、規模、開挖面各區域的高差情況以及基坑與周邊環境之間的平面關系等。

表1 常用圍護結構優缺點比較

3 大面積淺基坑圍護設計優化

在影響基坑圍護結構選型的三大主要因素中，工程地質條件和周邊環境條件都是客觀條件，在工程建設地點確定以后是不可改變的，而建筑結構設計則是主觀條件，是可以優化的。因此在基坑圍護方案設計中除了關注工程地質和周邊環境條件外，還應注重建筑結構設計。筆者在一些大型住宅小區基坑圍護方案設計中，通過與設計單位的協商和溝通，以建筑總體布局優化和大型結構設計優化來降低基坑工程造價，縮短施工工期，取得了良好效果。

3.1 建筑總體布局優化

不少大型住宅小區傳統的建筑總體布局為利于居民出行，多采用號房居中、地庫環繞周邊的形式。但這種建筑布局存在明顯缺陷：形成基坑的中間淺、周邊深，使基坑圍護方案只能按照較大挖深選型，導致成本增加，工期延長。

如上海浦江鎮125-1地塊住宅小區就采用了這種建筑總體布局，如圖1所示。該工程基坑總面積約7.9 萬m2，周長約1 113 m，總體呈較規則的正方形。基坑緊鄰市政道路，周邊市政管線密集，尤其在臨近基坑東北側分布有一煤氣管線，與基坑邊最近距離僅6 m。盡管居于小區中央的號房基坑開挖深度只有3.45 m，但是分布在外圍的地庫區域的普遍挖深為5.40～5.80 m。經過綜合比選，采用了板式圍護結合豎向斜撐的支護方案，如圖2所示。這樣不但圍護結構成本比較高，而且地下工程需要分2 期先后施工，施工工期比較長。

圖1 浦江鎮125-1地塊住宅小區地下室方案

圖2 浦江鎮125-1地塊基坑支護結構剖面

針對傳統住宅小區建筑總體布局存在的缺陷，我們在后續浦江鎮128-2地塊中對建筑總體布局進行了優化：即采用地庫居中、號房環繞周邊布置的形式，如圖3所示。這種建筑布局具有明顯優勢：基坑中間深、周邊淺；基坑圍護方案按周邊號房較淺的挖深選型即可，圍護方案選擇范圍大；內部地庫深坑開挖時僅需在高差較大處進行局部加固即可，相對施工成本可大幅度降低、且工期也大大縮短。

圖3 浦江鎮128-2地塊住宅小區地下室方案

浦江鎮128-2地塊基坑總面積約7.5 萬m2，周長約1 124 m，總體呈較規則矩形。盡管居于小區中央的地庫區域的開挖深度也有5.2 m，但是位于周邊的號房開挖深度只有3 m左右。經過綜合比選，采用了放坡開挖結合輕型井點降水的圍護方案，其內部坑中坑高差區域則采用土釘墻支護，不單獨占用空間，能貼近已有建筑物開挖，如圖4所示。相對浦江鎮125-1地塊，優化了建筑總體布局的浦江鎮128-2地塊基坑圍護結構成本大大降低，施工環境明顯改善，施工工期顯著縮短。

圖4 浦江鎮128-2地塊基坑支護結構剖面

3.2 內部高差處結構方案優化

由于功能需求的不同，不少住宅小區內部的號房地下室和地下車庫緊鄰區域往往存在較大的高差，倘若對高差處的建筑結構基礎形式和基坑的圍護設計能統籌考慮，將對工程經濟合理性的實現有重要意義。現以浦江鎮128-3地塊住宅小區工程實例解析如下。

浦江鎮128-3地塊住宅小區項目擬建37 棟小高層、2 棟多層商業建筑，均為單層地下室，并與地下車庫連接成一個整體。由于地下車庫上有覆土要求，其頂板標高與小高層地下室頂板有1.8 m左右的高差，另外，地下車庫層高為3.6 m，小高層地下室層高為2.8 m，兩者地下室底板也存在2.5 m左右的高差，有較大的錯層，使得結構水平力傳遞復雜。為了在復雜的結構中尋求合理且經濟的結構方案，我們采用了3 種基礎方案進行對比分析：

方案一，小高層設置2 層地下室，地下室底板標高與地下車庫底板標高拉齊，此方案施工簡單，受力合理，傳力明確，但也將帶來內部號房挖深的增加，導致工程造價也較高。

方案二，因為地下室頂板無法作為小高層的嵌固層，所以將基礎梁做高，以達到滿足小高層的嵌固要求，此方案結構材料費用較省，但要保證小高層的水平力合理傳遞至基礎，使得坑底加固成本較高，另外由于梁高較大，施工也非常麻煩。

方案三，將住宅地下1層的墻體落至地下車庫底板標高，但結構底板仍在地下1層底標高，使得基礎底板與基礎梁錯開1 層（圖5），此種方案使得結構設計非常復雜，號房挖深增大，但施工相對簡單，且工程造價較低。

圖5 內部高差處基礎方案3示意

綜合考量施工及造價的影響，本項目最終選擇結構設計最難的方案3，但大大節約了工程造價。

4 結語

本文在對于軟土地區大型住宅小區基坑工程存在的面積巨大、基礎底板深淺不一、環境敏感復雜等特點進行總結的基礎上，對適用圍護類型的優缺點及選型影響因素進行了詳細的研究、分析和歸納，結合近年來開發的上海軟土地區多個大面積住宅小區基坑的工程實踐，針對性地提出能有效降低項目成本，縮短施工工期的2 個優化措施，可為同類住宅小區大面積基坑工程的設計與施工提供有益的借鑒和參考。