復(fù)雜環(huán)境下深基坑淺圍護(hù)施工實(shí)踐

中信泰富（中國）投資有限公司 上海 200041

1 工程概況

1.1 建筑結(jié)構(gòu)概況

上海船廠（浦東）區(qū)域2E5-1地塊項(xiàng)目位于上海市浦東新區(qū)陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)，東鄰即墨路，南鄰東城路，西鄰浦東南路，北鄰銀城路。

本工程基坑面積30 610 m2，裙樓區(qū)域挖深20.30 m，塔樓區(qū)域挖深23.25～28.30 m。基坑分南北2個(gè)分區(qū)實(shí)施，南區(qū)基坑面積約18 000 m2，北區(qū)基坑面積約12 610 m2。先施工南區(qū)基坑，待南區(qū)基坑部分結(jié)構(gòu)出±0.00 m后，開始施工北區(qū)基坑。

1.2 水文地質(zhì)條件

本場地內(nèi)對工程有影響的地下水屬于潛水類型，地下水高水位埋深為0.50 m，低水位埋深為1.50 m。

基坑開挖至20.30 m時(shí)，本場地第一承壓含水層第⑦層承壓水對基坑產(chǎn)生不利影響，需采取相應(yīng)的降水防護(hù)措施，確保基坑安全。

本場地填土主要為灰黃色黏性土，填土相對較深，上部夾大量建筑垃圾且呈雜填土狀，局部表層有混凝土地坪；北側(cè)局部范圍內(nèi)填土較深，且回填主要是黏性土夾木屑等雜物，其上部一般為較大的碎混凝土塊、磚頭、石子等，形成大塊建筑垃圾回填區(qū)。

2 工程難點(diǎn)、特點(diǎn)分析

2.1 周邊環(huán)境保護(hù)要求高

本項(xiàng)目周邊有多幢既有建筑，與本基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最近距離為24 m，且基坑北側(cè)另有2處銀城路過街地道及頂管工作井，其中頂管工作井緊貼本項(xiàng)目基坑圍護(hù)外邊線。

由于本場地地下室邊界已基本靠近了周邊道路，周邊道路上分布的地下管線，如煤氣、雨水、電力、通信等市政管線均在基坑開挖影響范圍內(nèi)。如何在地下施工時(shí)確保周邊管線的安全，是本工程施工的一個(gè)難點(diǎn)。

2.2 深基坑施工

本工程采用順作法施工，水平支撐體系采用4道鋼筋混凝土支撐，塔樓深坑局部架設(shè)第5道H型鋼支撐。

本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻圍護(hù)，其中塔樓區(qū)域采用厚1 000 mm的地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻深36.60 m，插入比＜0.77。裙樓區(qū)域采用厚1 000 mm的地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻深36 m。南北兩側(cè)基坑分隔墻同樣采用厚1 000 mm的地下連續(xù)墻的形式，如圖1所示。

深基坑施工是本工程的一個(gè)特點(diǎn)，也是本工程施工的一個(gè)難點(diǎn)。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)及施工方案

3.1 施工關(guān)鍵技術(shù)

本工程地下連續(xù)墻深度較淺，插入比較小，隨著土方工程越挖越深，地下連續(xù)墻極易發(fā)生“踢腳”現(xiàn)象。

所謂“踢腳”現(xiàn)象就是地下連續(xù)墻根部會發(fā)生一個(gè)向坑內(nèi)發(fā)展的位移。若不及時(shí)有效地控制地下連續(xù)墻“踢腳”，隨著它往坑內(nèi)位移的數(shù)值逐漸增大，坑底的土方也將隨之向上拱起，一旦拱起數(shù)值達(dá)到極限后，將會大大影響地下連續(xù)墻及基坑的安全，更嚴(yán)重的還會導(dǎo)致基坑坍塌。所以如何控制地下連續(xù)墻“踢腳”的發(fā)展是本工程土方開挖及基礎(chǔ)底板施工時(shí)的首要任務(wù)。

圖1 工程圍護(hù)剖面示意

其次，由于本工程地下連續(xù)墻未能完全地隔斷承壓水層，繞流路徑大大減少，故在基坑施工前期做抽水試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)坑內(nèi)的承壓水因抽水下降20 m時(shí)，坑外的水位也下降了約17 m。由此可見，坑內(nèi)抽取承壓水對坑外環(huán)境等因素影響極大。在后續(xù)施工過程中，“按需降水”及有效保護(hù)周邊環(huán)境為整個(gè)降水方案的技術(shù)核心。

3.2 南坑土方開挖工況

為縮小圍護(hù)變形、保證基坑安全，根據(jù)盆式開挖法先對撐后角撐的原則，采取跳倉土方開挖方式。合理分區(qū)、分塊開挖，確保工程進(jìn)度。

首層土方的開挖采用退挖的方式。局部由于需要形成棧橋須先行開挖，整體開挖原則為自西向東退挖（圖2）。

圖2 首層土方開挖分區(qū)示意

第2層的土方開挖流程為：第1道支撐混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%，水位降至-9.85～-10.85 m，開挖1區(qū)，隨挖隨施工該區(qū)支撐；1區(qū)開挖完成后，挖掘機(jī)器設(shè)備及人員移至2區(qū)，開挖2-1區(qū)，相繼開挖2-2區(qū)，隨挖隨施工該區(qū)支撐；2區(qū)開挖完成后，挖掘機(jī)器設(shè)備及人員移至3區(qū)，開挖3-1區(qū)，相繼開挖3-2區(qū)，隨挖隨施工該區(qū)支撐；3區(qū)開挖完成后，挖掘機(jī)器設(shè)備及人員移至4區(qū)，開挖4-1區(qū)，相繼開挖4-2區(qū)，隨挖隨施工該區(qū)支撐；4區(qū)開挖完成后，挖掘機(jī)器設(shè)備及人員移至5區(qū)，開挖5-1區(qū)，相繼開挖5-2區(qū)、5-3區(qū)，隨挖隨施工該區(qū)支撐；5區(qū)開挖完成后，挖掘機(jī)器設(shè)備及人員移至6區(qū)，開挖6-1區(qū)，相繼開挖6-2區(qū)，隨挖隨施工該區(qū)支撐。第3層及第4層土方開挖的流程與第2層土方開挖流程類似（圖3）。

圖3 第2～4層土方開挖分區(qū)示意

本工程圍護(hù)墻較淺，未隔斷承壓水水層。考慮到過多、過早開啟降壓水井對環(huán)境、基坑本身都有不利影響，因此在第5層土方開挖時(shí)，采用“先淺后深”的方式進(jìn)行施工。先將坑內(nèi)承壓水水位降至淺區(qū)底板以下，并完成淺區(qū)底板施工，待淺區(qū)底板全部施工完成后，再開啟深坑處降壓井，使得深坑處承壓水位下降至深坑以下，進(jìn)而施工深坑處基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)。值得一提的是，考慮到基坑面積較大，為有效控制基坑變形，先對圖4中的1區(qū)進(jìn)行開挖并及時(shí)施工基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)，從而將南區(qū)基坑分為東西2塊，通過減少基坑面積，有效地控制圍護(hù)的變形。然后再將東西2塊基坑分別依據(jù)“先淺后深”的原則進(jìn)行基礎(chǔ)底板的施工。

圖4 第5層土方開挖分區(qū)示意

3.3 淺圍護(hù)體系降水施工技術(shù)

本工程共分為南北2個(gè)基坑施工，南側(cè)基坑相比于北側(cè)基坑挖深更深，安全隱患更大，故降水方案主要是針對南側(cè)基坑。

南側(cè)基坑約18 000 m2，共設(shè)置47口疏干井，28口承壓井。潛水抽取原則為控制在開挖面以下1 m，以滿足挖土及支撐施工需要即可。而承壓井的開啟主要是先通過穩(wěn)定性驗(yàn)算，勘察報(bào)告顯示，本基坑第⑦層最淺層面埋深為28.60 m。根據(jù)附近工程抽水試驗(yàn)成果和基坑降水的經(jīng)驗(yàn)，該地區(qū)承壓水頭埋深約為8.35 m。因此，本著要保證工程項(xiàng)目安全又節(jié)省工程造價(jià)的原則，本次計(jì)算地下水位埋深在驗(yàn)算時(shí)取8.35 m，安全系數(shù)取1.1。

1）驗(yàn)算第⑦層承壓含水層的穩(wěn)定性。

2）根據(jù)上海市《基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)程》（DGJ 08-61—1997），基坑底板的穩(wěn)定條件為基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應(yīng)大于承壓水的頂托力，即公式：

式中：h——坑底以下隔水層的覆土厚度，m；

γsi——基坑底至承壓含水層頂板間的各層土的重度，kN/m3；

H——承壓水頭高度至承壓含水層頂板的距離，m；

γw——水的重度，取10 kN/m3；

Fs——抗承壓水頭穩(wěn)定性安全系數(shù)，取1.1。

根據(jù)穩(wěn)定性計(jì)算，若初始水位按8.35 m計(jì)算，當(dāng)基坑開挖至地面以下16.48 m處時(shí)，上覆土壓力約為222.75 kPa，基坑底板處于臨界狀態(tài)，應(yīng)陸續(xù)開啟降壓井，以保證基坑開挖的安全。

在滿足基坑安全的前提下，承壓井應(yīng)依次有序且盡量少開啟。根據(jù)上述原則，在南側(cè)基坑開挖第4層土方時(shí)，首先開啟5口承壓井，在開挖第5層土方（淺區(qū)底板區(qū)域）時(shí)，再開啟9口承壓井，最后在開挖深坑土方時(shí)，開啟7口承壓井，以滿足現(xiàn)場施工要求。

為了更加有效地減少基坑施工時(shí)由于抽取承壓水對周邊環(huán)境的影響，在基坑南側(cè)又增設(shè)了12口回灌井。

傳統(tǒng)的回灌井回灌是采取一種加壓回灌，即對回灌水源施加約0.1 MPa的壓力，而結(jié)合本工程的實(shí)際情況，若仍采取加壓回灌的措施，肯定會對地下連續(xù)墻施加一個(gè)額外的側(cè)向壓力，大大加劇其變形。同時(shí)考慮到基坑周邊施工場地狹小，回灌井設(shè)置離基坑相對較近，亦不宜采取加壓回灌措施。

根據(jù)上述幾點(diǎn)綜合考慮，本工程回灌井運(yùn)用了自然回灌的一種方式，即不施加任何外部壓力，僅靠水的自重所產(chǎn)生的壓力進(jìn)行回灌。在開挖第5層土方時(shí)，開啟坑外的12口回灌井。采用自然回灌的每口回灌井起初回灌量平均為1.20 m3/h，后期回灌量漸漸趨于穩(wěn)定，回灌量約1.00 m3/h。在回灌3周的時(shí)間內(nèi)，坑外觀測井水位上升約100 mm[1-3]。

4 施工效果

本工程深基坑目前已全部完成大底板澆筑并回筑至±0.00 m，根據(jù)現(xiàn)有監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：圍護(hù)測斜最大變形值為80 mm；煤氣管線最大位移變化量為-16.89 mm（圖5）。

圖5 圍護(hù)測斜監(jiān)測

同時(shí)地下連續(xù)墻的根部位移量最大為25 mm，由此可見，在淺圍護(hù)深基坑施工過程中，圍護(hù)測斜的變形量還是相當(dāng)可觀的，及時(shí)形成支撐體系且合理分區(qū)是確保基坑順利施工的最根本原則。同時(shí)從圖中也可看出，“踢腳”現(xiàn)象是明顯存在的，但通過“由淺到深”地安排土方及基礎(chǔ)底板施工，能有效并及時(shí)地控制“踢腳”的發(fā)展。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，回灌井的設(shè)置數(shù)量、回灌壓力及位置需根據(jù)現(xiàn)場不同的環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的布置及壓力的控制，在滿足提升水位的要求下，盡量減少對圍護(hù)墻體的影響是首要關(guān)注因素。

因此，在有效的措施應(yīng)對和合理的施工布置下，本工程基坑施工成功地克服了前期預(yù)見、中期遇到的各種困難，在保護(hù)周邊環(huán)境和確保施工安全的前提下，成功地完成了這樣一個(gè)深基坑工程的施工工作[4,5]。

5 結(jié)語

本工程在地下連續(xù)墻插入比較小的情況下，安全有效地完成了深基坑的施工，為今后同類基坑施工提供了有效的參考經(jīng)驗(yàn)及施工方式。但需要指出的是，地下連續(xù)墻入土深度的增加對墻體的變形、內(nèi)力分布和基坑穩(wěn)定性都是有好處的。當(dāng)然，地下連續(xù)墻的入土深度在滿足強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定性的要求之后，再增加墻長的作用并不明顯，并且墻體總長度的增加，必然會增加造價(jià)。一言以蔽之，如何在安全可靠和滿足使用要求的前提下，尋找最合理、最優(yōu)化、最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)，才是工程前期必須考慮的問題。