基于環境保護的基坑工程設計與監測分析

閻小明 黃 烯 徐佳煒

1. 青海省果洛州工程建設監理公司 西寧 810001；2. 上海壹城建筑設計有限公司 上海 200232；3. 上海浙鐵綠城房地產開發有限公司 上海 200062

1 工程概況

1.1 基坑概況

背景工程位于上海市奉賢區，占地面積40 687.50 m2，基坑開挖面積32 760 m2，挖深7.85～8.35 m（局部8.95～9.15 m），如圖1所示。

圖1 基坑開挖深度示意

1.2 水文地質條件

場地地層從上往下為：①1-1層雜填土、②層粉質黏土、③淤泥質粉質黏土、③夾層砂質粉土、③層淤泥質粉質黏土、④1層淤泥質黏土、④2層含黏性土粉砂、⑤層粉質黏土、⑥層粉質黏土、⑦1-1層黏質粉土、⑦2層粉砂。

本場地地層起伏較大，西北區域分布有④2層灰色砂質粉土，東側⑦1-1層砂質粉土缺失，根據④2層及⑦1-1層的有無，可分為3個地質分區。

2 基坑施工難點

1）開挖規模較大。

2）環境保護要求高：本基坑北側及東側為交通干道，其下埋設有市政管線。北側東段與待建軌交5號線延長段的車站相連，北側西段與電力管線距離小于1倍開挖深度；西側與富竹路下的通信管線距離小于1倍開挖深度；南側與小區住宅距離在2～3倍開挖深度之間，東南角地下室外墻距離煤氣管線8.60～9.90 m，因此這幾側均有一定的環境保護要求，基坑圍護需采取合適的措施，確保施工安全。

3）地層有起伏，地質情況較復雜：

（1）本基坑開挖深度范圍內存在③夾層，該層滲透系數較大，易產生流砂、管涌等不良地質現象。

（2）第③、④層為淤泥質軟土層，屬于飽和、流塑狀態。這層土抗剪強度低，靈敏度中-高，具有觸變性和流變性特點，且層厚較厚，對變形控制不利。

（3）場地西北部局部存在④2層，需考慮微承壓水對基坑的影響；東部深層⑦1-1層缺失；地層起伏較大。

4）業主的要求：地下室需整體開發；圍護結構造價上盡可能經濟；工期要求非常高。

3 基坑圍護設計方案

3.1 圍護樁設計

施工首道支撐時，表層卸土1.80 m，完成混凝土擋墻，并在墻后用好土回填。結合計算結果，采用φ850～950 mm的鉆孔灌注樁，考慮到對北側、東側道路市政管線及房屋的保護，相應位置采用950 mm的樁徑，其余位置采用850 mm的樁徑；靠邊深坑處的樁徑、樁長適當增加[1]。

3.2 止水樁設計

潛水：本基坑開挖范圍內存在③夾層砂質粉土，滲透系數較高，易產生流砂、管涌等不良地質現象，因此對止水的可靠性要求較高。本方案設計攪拌樁進入坑底7 m以上，且樁端均插入滲透系數較低的④1層淤泥質黏土層中。

（微）承壓水：擬建場地內分布有上海市第一承壓含水層第⑦層，局部有微承壓水層④2層灰色砂質粉土。計算表明，地質分區1中坑底土體不滿足抗承壓水頭穩定性要求，因此地質分區1需考慮（微）承壓水控制，本方案設置隔水帷幕將分區1承壓水全部隔斷，并設置備用降壓井。

基坑典型剖面及支撐平面布置如圖2、圖3所示。

圖2 第1道支撐處圍護剖面示意

圖3 第1道支撐布置平面示意

3.3 坑底加固

為有效控制坑內土體的深層變位，在坑內沿圍護樁設置雙軸水泥土攪拌樁加固暗墩，中樓板至坑底采用低摻量水泥土攪拌樁加固。加固區域主要為：基坑開挖面中部、陽角位置，電梯井、集水井區域。

3.4 支撐系統設計

結合本基坑形狀，南北向、東西向中部分別采用3組對撐，可較好地控制中部變形；4個角部采用角撐的形式，可形成較大的挖土空間。在2#樓、機房落深區域以及6#、7#樓區域，開挖深度為8.95～9.15 m，局部設置第2道支撐。典型剖面及支撐平面布置如圖4和圖5所示。南側的第2道支撐為開口支撐，未形成封閉圍檁，且設置有多跨角撐，圍檁和圍護樁之間剪力較大，因此對圍檁和圍護樁的連接節點進行了加強處理；另外第1道和第2道支撐不完全對齊，2道支撐局部增設了立柱[2,3]。

4 土方開挖部署及實施

本項目屬于深大基坑，土方量達2.79×105m3，如大面積同步開挖，將造成顯著的坑底回彈、周邊地表沉降。為保護周邊環境，本基坑首道支撐下的土方采用分區開挖的形式，以控制基坑單次暴露的面積。結合基坑的特點，總共分為3個區域（圖6），開挖順序為①→②→③，具體為：

圖4 局部2道支撐處圍護剖面示意

圖5 局部第2道支撐布置平面示意

圖6 分區開挖平面示意

1）卸土2.50 m，至首道支撐底標高，澆筑支撐系統；

2）待支撐達到設計強度后，分層、分塊開挖①區土方至第2道支撐底標高，澆筑第2道支撐；

3）待第2道支撐達到設計強度后，分層、分塊開挖①區土方至坑底標高，澆筑墊層及底板；

4）分層、分塊開挖②區土方至坑底標高，澆筑墊層及底板；

5）分層、分塊開挖③區至第2道支撐底標高，澆筑第2道支撐；

6）待第2道支撐達到設計強度后，分層、分塊開挖③區土方至坑底標高，澆筑墊層及底板；

7）待底板及傳力帶達到設計強度后，拆除局部第2道支撐；

8）向上施工B2層地下室及中樓板傳力帶，待中樓板及傳力帶達到設計強度后，拆除第1道支撐。

坑中臨時邊坡留設時，坡比小于1∶1.5，中間平臺寬度不小于3 m，并采用鋼絲網細石混凝土護坡。立柱樁應避開斜坡面，但在開挖過程中，坡頂作為施工道路承受較大的車輛荷載，而坡面未經固化處理，暴雨浸水后，出現了小范圍的滑坡，后采用鋼板樁在坡腳位置進行了加固，但開挖至坑底后，仍有部分工程樁樁頂出現了偏位。

5 監測結果分析

5.1 測斜數據分析

圖7為北側03地塊1道支撐區（CX2）和南側05地塊2道支撐區（CX13）開挖至坑底標高時，2個測斜點的監測數據。這2個點的數據可作為本基坑圍護樁變形的代表值。首道支撐落低2.50 m，由于大面積卸土后，未及時澆筑支撐，且期間經歷了臺風暴雨，導致樁頂位移較大。部分區域開挖至坑底時，未及時澆筑墊層，坑底土暴露時間較長，也導致坑外地表有較明顯的沉降。墊層及底板完成后，變形得到有效控制。直至拆除首道支撐時，南側小區住宅樓的沉降監測點大部分小于15 mm，距離基坑1～1.5倍開挖深度范圍的小區附屬建筑沉降略大，在30 mm左右。

圖7 測斜孔監測數據

5.2 支撐軸力分析

圖8中2個監測點ZL05和ZL18位于南側1道支撐區域南北向對撐上。2013年12月10日，該區域開挖至基礎底標高；2013年12月下旬至2014年1月上旬，陸續完成底板澆筑。由圖可見，隨著開挖深度的增加，支撐軸力不斷增大，且開挖至坑底后，仍在持續發展。底板完成后，支撐軸力逐漸穩定。與計算值相比，支撐軸力普遍偏小，最大值為1 500 kN。綜合分析原因為：由于無支撐暴露時間長，圍護樁樁頂發生了一定的變形，圍護樁吸收了原本主要由支撐體系承擔的應變能，故支撐完成后，其軸力會有所下降。

圖8 支撐軸力監測數據

5.3 立柱豎向位移監測分析

圖9為立柱豎向位移監測數據，LZ06和 LZ19均位于南側1道支撐區域，其中LZ06位于邊桁架位置，LZ19接近基坑中心。由圖可知，立柱均表現為向上隆起，累計位移約10 mm，靠近基坑中心的LZ19累計位移量較LZ06略大。開挖至坑底標高后，位移量逐日增加，即使底板完成后，仍有所發展，可以推斷，坑底隆起已進入塑性狀態。

圖9 立柱豎向位移監測數據

6 結語

就基坑自身安全和周邊環境而言，本項目實施過程較為順利，有幾點經驗可供類似項目參考[4,5]：

1）基坑開挖過程中，應嚴格按照分層、分塊的原則，坑內臨時邊坡應滿足穩定性要求，如作為臨時車道，必須進行加固處理，避免邊坡失穩造成工程樁傾斜。工程樁糾偏不僅延長工期、增加投資，且使得基礎底板無法及時封閉，對基坑安全非常不利；

2）立柱作為水平支撐體系的豎向承載系統，是整個支護體系的核心構件。基坑開挖時，應特別注意對立柱的保護，立柱周邊的土方應對稱、均勻開挖，避免立柱承受水平附加荷載；立柱周邊如出現臨時超挖的落深區，應有加固措施；

3）深大基坑存在明顯的時空效應，土體應力松弛，徐變變形顯著，且風險源較多，因此，開挖至支撐、基礎設計底標高后，應立即澆筑支撐、墊層及底板，縮短無支撐、無底板暴露的時間，降低基坑風險；

4）深基坑大體量卸土后，坑底土體將不可避免地發生回彈，同時帶動立柱體系向上隆起。支護體系設計中應適當考慮立柱隆起對支撐體系承載力的影響。