超大面積深基坑工程半逆作法施工實踐

上海建工四建集團有限公司 上海 201103

0 前言

隨著城市建設的快速發展，周邊環境復雜的超大、超深基坑越來越多。上海地區為軟土地質地區，地質環境差，地下軌道線路復雜，地上交通網絡縱橫交錯，建筑物密度高，建筑工地對環境影響比較突出。針對上海地區基坑工程的特點，確保基坑變形穩定和施工安全，減少對周邊環境的影響，逆作法這一基坑工程施工形式越來越得到推廣[1-4]。

1 工程概況

森蘭商都二期（D5-3、D5-4）項目位于上海浦東新區外高橋保稅區森蘭園區內，西臨森蘭商都，東臨蘭谷路，北側為擬建啟帆路，南側為規劃河道，二期項目分為D5-3和D5-4兩個地塊，兩地塊基坑連為一體，本工程建設內容為新建商業用房及配套設施，擬建6幢商業用房，地上2～6層，地下2層，框架結構，建筑高度約23.95 m。基坑面積約為38 680 m2，場地呈扇形，總建筑面積約為136 800 m2，其中地上建筑面積約58 800 m2，地下建筑面積約78 000 m2，采用樁筏基礎，鉆孔灌注樁擋土，外設三軸水泥土攪拌樁止水帷幕，坑內利用地下室主體結構梁板件作為水平支撐，框架半逆作法施工，開挖深度約為11.70 m，局部落深1.2～1.7 m（圖1）。

圖1 工程項目周邊環境示意

2 工程特點和難點

1）基坑安全等級為一級，環境保護等級為二級，基坑變形控制要求高。基坑東側蘭谷路下市政管線離基坑最近的為6.4 m，該側另有一鋼管架空線，高7.6 m，距離基坑3.4～4 m，東南角椿樹浦橋距離基坑約為11 m，橋面及河底預埋多條管線，南側和西側為椿樹浦河，距離基坑分別為5.0 m和5.1 m，此區域水位較高，地下土質差異大，必須做好地下降水，合理安排挖土。基坑北側和蘭谷路東側藝術島項目即將開工，開挖深度接近，相距較近，需要協調好工期關系。

2）本工程的結構設計和圍護設計是分開的，結構設計又分為人防設計和非人防設計，圍護設計和結構設計配合協調任務繁重，前期結構設計需要在圍護設計的基礎上進行深化設計，這部分時間更為緊張，對施工單位的工期有一定的影響。由于采用半逆作法施工，圍護設計擬在部分梁柱節點上增加配筋處理，而結構設計不允許截面加大，配筋的加大處理，導致鋼筋穿格構柱的難度增大，同時給混凝土澆筑帶來困難。

3）本工程工程樁共計為2 688根，其中需要插入鋼立柱的有975根，臨時鋼立柱尺寸為460 mm×460 mm，垂直度在1/300內；“一樁一柱”鋼立柱尺寸為480 mm×480 mm，垂直度在1/500內。數量多，精度要求高，定位和調直任務重；鋼立柱間隔小，給取土工作帶來諸多不便，影響挖土速度。

4）本工程超大面積基坑采用鉆孔灌注樁擋土、地下室主體結構梁板件作為水平支撐圍護的半逆作法施工方法，在上海地區十分罕見，缺少一定的施工經驗，需要在實踐中探索。

3 基坑圍護設計

3.1 圍護結構

本工程基坑圍護設計要求在技術可行的前提下，盡量減少造價和縮短工期，結合該區域周邊環境影響、地質勘測狀況、基坑面積大小、開挖深度等現場情況，最終圍護設計思路是：鉆孔灌注樁擋填土，三軸水泥土攪拌樁止水帷幕，地下室主體梁板結構作為水平支撐，柱和外墻板等豎向結構順作。

圍護區域普遍采用φ1 000 mm、φ1 100 mm、φ1 150 mm、φ1 250 mm鉆孔灌注樁擋土，外設φ850 mm三軸水泥土攪拌樁止水帷幕，鉆孔灌注樁有效樁長為26.45～28.95 m，三軸水泥土攪拌樁樁長為18.70～19.90 m。坑內被動區、集水井及電梯井區域采用φ700 mm深層攪拌樁加固，坑底以上水泥摻量為8%，坑底以下水泥摻量為13%。基坑四周區域，-6.85～-13.30 m 水泥摻量為8%，13.30～-17.10 m水泥摻量為13%。圍護鉆孔樁與三軸攪拌樁的縫隙、坑內被動土區域與圍護鉆孔灌注樁的縫隙采用壓密注漿，電梯井坑底采用壓密注漿封底。

3.2 支撐體系

支撐采用φ800 mm鉆孔灌注立柱樁（一柱一樁），有效樁長為36.00 m（44.00 m），臨時鋼立柱采用內插160 mm×16 mm等邊角鋼。棧橋下立柱樁采用同樣直徑和樁長的鉆孔灌注立柱樁（一柱一樁），鋼立柱采用內插180 mm×16 mm等邊角鋼。立柱樁采用樁端注漿工藝，單樁水泥用量2.0 t。

鉆孔灌注樁所用混凝土設計強度等級為水下C30；φ850 mm三軸水泥土攪拌樁水泥摻量為20%，用P.O 42.5水泥，水灰比為1.5；φ700 mm深層攪拌樁采用P.O 42.5水泥，水灰比為0.55；壓密注漿采用P.O 42.5水泥，水灰比為0.55[5,6]。

4 施工技術措施

4.1 “一柱一樁”施工技術措施

本工程結構施工采用逆作法施工，故對立柱施工中的垂直度要求極高。針對這一問題，總結以往施工經驗，傳統的法蘭校直架施工成本較低，但施工難度大、偏差大，且存在安全隱患。因此，通過考察學習，最終將在隧道項目施工中控制偏差的SIS426雙軸傾角儀，運用到本工程校正立柱的工作中。

鋼立柱采用460 mm×16 mm和480 mm×16 mm兩種等邊角鋼拼裝而成，內填混凝土設計強度等級為水下C30，采用無收縮混凝土，鋼立柱內填混凝土實際灌注高度比設計鋼立柱混凝土頂標高高出2.0 m或以上。垂直度要求為1/500，立柱中心線偏差±5 mm（圖2）。

圖2 校正器調垂系統示意

本工程鋼立柱共975根，數量多，精度要求高，在施工過程中須嚴格質量管理和加強監控，調節精度控制在20～30 mm之間，控制精度傾角儀的X軸、Y軸讀數一般為0.12°，基本滿足設計要求的1/500。

4.2 降水施工技術措施

根據本工程的開挖深度及開挖剖面土層分布情況分析，降水疏干的土層分別為②褐黃-灰黃色粉質黏土、③灰色淤泥質粉質黏土夾灰色黏質粉土，基底埋深土層為③淤泥質黏土層的上部。綜合土層土質情況分析，又考慮到工期緊，最終采用深層真空井點降水方案。

基坑開挖深度為11.7 m，由于基坑內部分區域采用雙軸攪拌樁土體加固及壓密注漿，其有效降水面積約為38 680 m2，共布置196口深井，開挖前20 d開始降水，水位降至開挖面500 mm時開挖，根據不同開挖面深度，實時監測、控制水位高度，減少坑底隆起和圍護結構的變形量，防止坑外地表過量沉降。

4.3 基坑圍護監測和環境監測

基坑開挖過程中對周邊地面道路、地下管線、建（構）筑物等有一定的影響，需進行變形監測。為有效防范基坑施工對工程周邊環境及基坑圍護本身的危害，采用先進、可靠的儀器及有效的監測方法，對基坑圍護體系和周圍環境的變形情況進行監控，為工程實行動態化設計和信息化施工提供所需的數據，從而使工程處于受控狀態，確保基坑及周邊環境的安全。

1）基坑圍護體系包括：圍護樁頂水平及垂直位移監測；圍護樁和坑外土體測斜監測；立柱垂直位移監測；支撐軸力監測；坑外地下水位監測。

2）周邊環境保護體系包括：基坑周邊地表沉降監測；鄰近地下管線沉降變形監測；鄰近建（構）筑物沉降監測。

5 逆作挖土施工技術措施

5.1 挖土分區及開挖原則

根據圍護設計說明的相關要求，將地下室分為A、B、C 3個分區（圖3）。

圖3 地下室分區示意

基坑總挖土量約5×105m3。基坑土方開挖之前，根據支護結構的計算工況（-3.15 m設置B0板，-7.70 m設置B1板）來安排分層開挖的順序。支護結構設計要求先撐后挖。即挖土至支撐設置標高時，停止挖土，待支撐架設完畢并能起到作用后，再繼續往下開挖土方[7,8]。

1）本工程基坑土方按照時空效應理論指導挖土支撐，“分區、分層、對稱、抽條、平衡”開挖并支撐，隨挖隨撐，不超挖，待支撐養護達設計強度且基坑降水達到開挖面以下1 m，才開始下一皮土體的開挖。

2）各施工區域或工作面內采用盆式開挖方式，盆邊土的留土寬度為30 m，開挖面的高差控制在3 m以內，采用1∶2放坡，最后挖除。立柱周邊對稱掏空，防止立柱受力不均勻。墊層混凝土以及混凝土支撐及圍檁均隨各層土方開挖而跟進施工。

3）為確保基坑施工安全，地下各層盆邊土在36 h內完成，采用小挖機配合駁運至棧橋邊位置，隨后由棧橋上挖機抓斗取土裝車外運。挖土過程中隨時測定標高，嚴禁超挖，支撐隨挖隨搗。

4）挖土前降水水位在開挖面1 m左右，符合挖土條件，保證施工機械進出場道路通暢和場地排水系統通暢，降水水位定時監測，保證水位高度。

5）挖土采用挖機與加長臂挖機配合施工。淺層通過設置坡道和走道板，由挖機至挖土面進行施工；深層由挖機將土駁至棧橋空當間的出土口，由棧橋上的加長臂挖機運出基坑。挖土機械的通道、挖土順序、土方駁運、土方堆載等都應避免引起對圍護、支撐、立柱和周圍環境的不良影響。嚴禁挖土機械碰撞圍護、支撐、立柱和井點。

6）圍護墻無支撐暴露時間控制在48 h內，開挖面圍護墻無支撐暴露長度不大于30 m，墊層隨挖隨澆筑。

7）除真空深井降水措施外，開挖面及坑內采取排水明溝與集水井相結合的排水措施。基坑邊嚴禁大量堆載，地面超載控制在20 kN/m2以內。

5.2 施工工況

根據本工程土方開挖原則、場地特點和施工工期等因素，共分為10個工況進行施工。待圍護樁、三軸止水帷幕、被動區土體加固等施工完畢，且降水水位達到開挖條件后，即開始進行挖土施工。

1）工況一：開挖A區和C區盆中，挖至標高B1板底（-7.70 m），盆邊各自留土30 m，二級放坡，坡度為1∶2，完成A區和C區盆中B1梁板結構施工（圖4）。

圖4 工況一

2）工況二：待A區和C區盆中B1梁板結構完成后，B區盆中開挖，挖至標高B1板底（-7.70 m），B區盆邊留土30 m，二級放坡，坡度1∶2，完成B區盆中及A區、C區與B區相交位置的B1梁板結構施工。

3）工況三：待A區、B區、C區盆中B1梁板結構施工完畢后，A區、C區盆邊挖土，抽條分塊跳挖，開挖至B0梁底（-3.15 m），完成A區、C區盆邊B0梁板結構施工。

圖5 工況四

4）工況四：B區盆邊土開挖至B0梁板底（-3.15 m），抽條分塊跳挖，完成B區盆邊B0梁板結構施工；完成A區、C區盆中B0梁板結構施工（圖5）。

5）工況五：完成B區盆中B0梁板結構施工；B0梁板結構全部完成；A區、C區南北側盆邊土開挖至B1梁板底（-7.70 m），抽條分塊跳挖，完成A區、C區南北側盆邊B1梁板結構施工。

6）工況六：B區盆邊土開挖至B1梁板底，抽條分塊跳挖，完成B區盆邊B1梁板結構施工；A區、C區東西側盆邊土開挖至B1梁板底，抽條分塊跳挖，完成A區、C區盆邊B1梁板結構施工；B1梁板結構全部完成。

7）工況七：待B1梁板結構養護完成后，A區、C區盆中開挖至底板（-13.30 m），盆邊留土20 m，二級放坡，坡度1∶2，完成相應底板結構（圖6）。

圖6 工況七

8）工況八：A區、C區盆邊土開挖至底板（-13.30 m），抽條分塊跳挖，完成相應底板結構施工。

9）工況九：B區盆中開挖至底板，盆邊留土20 m，盆式開挖，二級放坡，坡度1∶2，完成相應底板結構施工。

10）工況十：B區盆邊土開挖至底板，抽條分塊跳挖，完成相應底板結構（圖7）；底板結構全部完成后，轉入豎向結構順作施工。

圖7 工況十

6 結語

在上海軟土地基超大基坑施工中，突破傳統的地下連續墻圍護結構的全逆作法，采用鉆孔灌注樁圍護結構的半逆作施工，相對于地下連續墻，灌注樁造價低；相對于整個基坑開挖的順作施工，逆作法施工節省了大量支撐和拆除費用，創造了巨大的經濟效益。森蘭商都二期項目從2013年6月開始樁基施工，至2014年9月挖土施工B0梁板，僅用了10個月即完成了地下室結構施工，為2016年5月竣工打下了扎實基礎。另外采用逆作施工，保證了基坑變形控制，減少了揚塵，保護了周邊環境，為自貿區建設作出了貢獻[9-12]。