上海地區某深大基坑開挖的設計實踐

繆愛偉　蔡劍韜　廖志堅

(上海地礦工程勘察有限公司　上海　200072)

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上海地區某深大基坑開挖的設計實踐

繆愛偉蔡劍韜廖志堅

(上海地礦工程勘察有限公司上海200072)

上海嘉定新城馬陸東方豪園東地塊二期項目是上海軟土地區比較典型的深大基坑，環境保護要求高，地質條件較為復雜。該工程采用鉆孔灌注樁結合五軸水泥土攪拌樁+兩道混凝土支撐的圍護結構形式，并設置施工棧橋，通過對監測數據的分析，圍護體測斜、周邊房屋變形、地下水位等各項指標均在規定值內，確保了基坑的安全和主體結構的順利施工。

深基坑；鉆孔灌注樁；五軸水泥土攪拌樁；施工棧橋

1　工程概況

上海嘉定新城馬陸東方豪園東地塊二期項目位于上海市嘉定區裕民南路以東、馬陸塘以南、寶安公路以北所圍區域內，用地面積約43 470m2。

本工程主要包括3棟樓，1#樓地上5層、地下2層，地下一層為超市百貨區，地下二層為六級人防車庫及附屬配套設施，2#、3#樓地上二層，無地下室，主要為框架結構，采用PHC管樁～筏板基礎，普遍區域底板厚度1.0m，采用Φ500的PHC管樁。

整個場地基坑面積約25 600m2，總延長米約872m，形狀不規則，南側單邊延長米接近300m。普遍區域開挖深度為10.10m，局部降板區域開挖深度達12.30m，屬深大型基坑工程。基坑周邊環境復雜，保護要求較高，擬建場地周邊環境示意圖見圖1。

2　周邊環境和工程地質

2.1周邊環境

(1)基坑紅線外為市公安局嘉定分局交警支隊二中隊大院，院內由南向北依次分布有一棟4層、1棟3層樓房及1棟1層房屋。經現場調查，3層和4層房屋均無地下室，采用淺基礎，其中3層和4層房屋與基坑的距離僅為11.8m。

(2)基坑北側紅線外即為馬陸塘，馬陸塘常年水位為+3.200水位較高，河道寬度為30m，北側東段河口線與基坑的距離僅為7.9m，并有簡單駁岸設施。

(3)周邊道路下市政管線密集，有大直徑且淺埋的煤氣管、污水管等重要的管線。

2.2本工程地質條件特點[1]

(1)擬建場地位于長江三角洲入海口東南前緣，地貌類型屬長江三角洲濱海平原地貌，土層主要物理力學性能參數見表1。

(2)坑壁主要為②、③、④層粘性土和粘性土夾粉性土，具有高含水量和大孔隙比、高壓縮性、高流變性，其抗剪強度低，在基坑開挖施工過程中，在水、土壓力、施工震動和坑邊堆土等上部荷載作用下易產生側向變形，局部區域⑥層粉質粘土缺失，⑤層粘土厚度變化較大。

(3)地下水豐富，土層含水量及滲透性較大；同時除潛水、北側河道的地表水外，仍有對工程有直接影響的第⑦層承壓水層，水頭埋深約為3.0m。

參照上海行業標準《建筑基坑支護技術規程》(JGJ120-2012)，本基坑安全等級屬于二級。

表1　土層主要物理力學性能參數

3　圍護方案設計

3.1圍護體系

3.1.1圍護樁

本工程基坑面積為25 600m2，普遍深度為10.10m，最深處達12.30m，形狀不規則，南側單邊延長米接近300m，周邊環境復雜，根據基坑情況和上海地區以往類似經驗可考慮的圍護形式為鉆孔灌注樁或者SMW工法樁結合混凝土支撐的形式[2,3]。

若采用SWM工法樁(即型鋼水泥土攪拌墻，下同)，對于普遍區域采用Φ850@600三軸水泥土攪拌樁內插H700×300×13×24型鋼，型鋼有效長度為15.50m，采用“插二跳一”的形式。普遍區域計算結果如圖3所示，單樁抗彎剛度EI為439 921kN·m2。

若采用鉆孔灌注樁，則對于普遍區域采用Φ800鉆孔灌注樁結合水泥土攪拌樁止水，灌注樁有效長度16.10m，普遍區域計算結果如圖4所示，單樁抗彎剛度為603 186kN·m2。因此，相比于SWM工法樁，采用鉆孔灌注樁作為圍護樁時，圍護樁變形小，圍護結構剛度大，而且隨著時間的增長，樁身強度逐漸增強。另外這兩種圍護形式圍護結構造價對比見表2。

表2　圍護結構造價對比

另外由于本工程從圍護樁施工開始到地下室施工結束工期為10個月，表2中型鋼為不超過6個月的造價，根據上海地區市場情況，超過6個月型鋼租賃費用一般按3元/t/d計算，則超過工期的租賃費為100萬元，因此SWM工法樁總費用為906萬元，因此無論是從安全性還是經濟性角度，對于本工程圍護結構采用鉆孔灌注樁更為合理。

本基坑開挖深度為10.10m～12.3m，根據開挖深度和周邊環境不同，結合計算和以往工程經驗，采用Φ800、Φ850鉆孔灌注樁結合水泥土攪拌樁止水，灌注樁根據挖深、土質和環境保護要求不同采用相應的樁長，Φ800鉆孔灌注樁有效長度為16.1m，Φ850灌注樁有效長度為17.5m。以滿足基坑抗隆起、抗傾覆和整體穩定性要求。其中東北角，由于⑥層粉質粘土層缺失，且北側7.9m外為河道和東側11.8m外1層房屋，圍護樁入土深度比較普遍區域適當增大，同時為控制變形和保持圍護結構整體性，在灌注樁頂部設置1 100×700壓頂梁。圍護普遍側剖面圖見圖4。

3.1.2止水帷幕

目前在軟土地區用作止水帷幕的攪拌樁常見的有雙軸水泥土攪拌樁、三軸水泥土攪拌樁以及五軸水泥土攪拌樁。

雙軸水泥土攪拌樁僅采用2臺低功率(37kW)電機，動力不足，施工深度只能到18m，攪拌樁鉆頭部分僅有2道葉片，攪拌均勻性差。雙軸水泥土攪拌樁雖采用兩噴三攪工藝，但施工時間長，功效低，施工過程中可能出現的冷縫幾率大，易出現漏水現象。

三軸水泥土攪拌樁樁體強度低，造價較高，若遇到砂性地層，漿液容易離析，從而造成漏水現象，而且三軸水泥土攪拌樁會產生大量的置換土，體量會達到施工方量的1/4～1/3。

五軸水泥土攪拌樁[4,5]吸收了雙軸和三軸水泥土攪拌樁的優點，克服了傳統工藝的缺點。

(1)圖5為這3種工藝在7d齡期、14d齡期和28d齡期攪拌樁芯樣平均強度對比，從圖中可以看出，無論在哪個階段，三軸水泥土攪拌樁的強度最低，五軸水泥土攪拌樁的強度最高。

(2)圖6為這三種工藝的功效對比，從圖中可以看出，五軸攪拌樁的功效達到800m3/d，遠遠大于其他兩種工藝的功效，原因在于五軸水泥土攪拌樁設置五道鉆桿，單次施工效率大大提高，另外五軸水泥土攪拌樁采用“一上一下”工藝，大大縮短了施工時間。

(3)其經濟效益對比，詳見表3。

表3　三種施工工藝造價對比

從表3可以看出五軸水泥土攪拌樁工程量跟三軸水泥土攪拌樁接近，但單價優勢明顯，故總價要低。另外五軸水泥土攪拌樁水泥摻量僅為13%～15%，又不會產生置換土，因此五軸水泥土攪拌樁無論在止水效果還是經濟上都具有明顯的優勢，因此本工程采用五軸水泥土攪拌樁作為止水帷幕。

本工程五軸水泥土攪拌樁樁端進入不透水層，且不小于普遍區域坑底以下7m，本項目普遍區域取16.20m，降板區域取17.50m。

本工程地下水位較高，基坑北側馬陸塘水位較高，北側東段與河道的最近距離僅為7.9m，采用五軸水泥土攪拌樁作為止水帷幕，經現場施工實踐證明該工藝止水效果好，施工速度快，為本工程的順利進行打下了良好的基礎。

3.2支撐體系

3.2.1水平支撐體系

本工程豎向設置二道鋼筋混凝土支撐，采用邊行架結合角對撐的布置形式。通過沿基坑兩個方向設置的對撐基本上控制了基坑中部圍護體的變形，角部位置通過設置角撐的方式進行解決，可縮短支撐的跨度，增加角部支撐剛度，有利于控制短邊跨中基坑變形。如此布置形式，各個區域的受力均明確，且相對獨立。

由于本工程地下室面積較大，而施工場地空間有限，因此需要通過設置施工棧橋來滿足施工道路和材料堆放的要求，而施工棧橋需要同基坑的支撐設計與布置結合起來，盡可能節省工程造價，同時滿足基坑土方開挖的要求，并確保整個支撐體系的受力可靠。

施工棧橋設計需考慮出土口位置和施工車輛的走向，同時要滿足各個區域挖土要求。本工程棧橋寬度取10m，棧橋面積約6 285m2，棧橋分布均勻，從而方便土方開挖。施工棧橋區域棧橋板厚250mm，采用雙層雙向配筋，棧橋梁高為950mm。施工過程中嚴格按照荷載限值控制棧橋荷載，滿載車輛按照60t、堆載區按照20kPa控制，支撐施工棧橋平面圖詳見圖7，支撐信息表見表4。

現場施工證明，該棧橋設計既經濟又合理，為施工提供了很大便利，為本工程地下結構工程縮短工期足足一個月，大大提高了施工效率。

3.2.2豎向支承體系

土方開挖期間需要設置豎向構件來承受水平支撐的豎向力，本工程中采用臨時鋼立柱及柱下鉆孔灌注樁作為水平支撐系統的豎向支承構件。臨時鋼立柱采用由等邊角鋼和綴板焊接而成的角鋼格構柱，非棧橋下角鋼規格為4L140×14，棧橋下角鋼規格為4L160×16，其截面均為480×480，鋼立柱插入作為立柱樁的鉆孔灌注樁中不少于3m。

由于本工程主體結構工程樁為PHC管樁，故立柱樁全部采用加打灌注樁，非棧橋區域鋼立柱及立柱樁僅考慮受兩道鋼筋混凝土支撐重量，未考慮施工荷載，加打立柱樁為Φ700鉆孔灌注樁，樁頂4m范圍內擴徑至Φ800，有效樁長為25m；棧橋區域采用Φ800鉆孔灌注樁，有效樁長為34m。

3.3地基加固

由于基底主要位于④層淤泥質粉質粘土、⑤層粘土，坑底土十分軟弱，為了減少基坑開挖過程中坑底隆起和增加被動區土體被動區抗力，在基坑內部四周設置Φ700@500雙軸水泥土攪拌樁進行加固[6]，以提高坑底被區動土體抗力。加固體呈格柵布置，平面寬度5.2m，基底至第二道支撐底標高，被動區加固體與圍護樁之間采用壓密注漿充填，注漿孔間距1.0m。

3.4地下水處理

本工程的坑底為粘性土層，承壓水主要賦存于⑦層，由于承壓含水層頂板埋藏在19m左右，而基坑普遍區域開挖深度為10.1m，勘察期間測得承壓水水位埋深為5.90m～5.93m，承壓水按最不利3m考慮，按照普遍區域計算，ky= 1.04<1.05，故承壓水可能引起基坑的突涌，尤其對集水坑，電梯井等局部落深部位，由于開挖深度加大，產生基坑突涌的可能性就越大。

本工程采用真空深井進行降壓降水，施工時加強對施工期間的承壓水水頭的監測[7]，并根據當時的水頭來驗算承壓水對基坑的影響，以此來決定減壓井的降水進程，防止基坑和基坑壁的失穩。對于集水井、電梯井深坑處均需要采取封底加固措施。

4　實踐效果分析

根據第三方監測結果，以上做法取得了很好的效果：①有效控制圍護樁的變形，保證最大累計變形值在設計范圍以內，見圖8。本工程東側所取的4個代表性監測點CX1～CX4(圖1)測斜數值最大分別為29.0mm、28.1mm、29.2mm、26.8mm，與設計值吻合。②有效控制東側房屋變形，房屋最大沉降為12.76mm，確保了基坑開挖期間該側房屋的安全,見圖9。③有效控制基坑地下水位的變化，SW1為基坑北側靠近河道監測點，SW2和SW3為基坑東側靠近房屋一側監測點，從圖10可以看出基坑開挖期間坑外水位穩定，變化小，且地下水位累計變化均在報警值(1 000mm)范圍內，表明本工程采用五軸水泥土攪拌樁能有效地阻止河水滲入，止水效果好。

5　結論

(1)本工程場地地下水位較高，基坑北側馬陸塘水位較高，且基坑與馬陸塘距離較近，止水在本工程施工中起著重要的作用，本工程采用五軸水泥土攪拌樁作為止水帷幕，經現場施工和監測結果表明該工藝止水效果好，施工效率高，而且十分經濟，為其他類似的工程提供了很好的借鑒。

(2)本工程基坑開挖深度較深，面積較大，形狀又不規則，單邊長度超過300m，周邊環境保護要求高，而且本工程場地主要為②、③、④層粘性土和粘性土夾粉性土，土性較差，采用鉆孔灌注樁結合砼支撐的圍護形式整體性好，支護結構剛度大，控制變形能力強，能夠確保基坑安全。另外本工程東側為淺基礎房屋，地下結構施工過程中該房屋變形小，采用該圍護結構確保了基坑開挖期間房屋的安全。

(3) 本工程基坑面積大，周邊施工場地空間有限，為滿足場地施工道路布置要求、材料堆放的要求以及土方開挖的要求，本工程設置施工棧橋，并與基坑支撐設計緊密結合，確保了整體受力要求，提高了施工效率，從而節省了工期和工程造價。

[1]化學工業巖土工程有限公司.上海嘉定新城馬陸東方豪園東地塊二期(新薈廣場)地塊巖土勘察報告[R].

[2]劉國彬,王衛東.基坑工程手冊(第二版)[M].北京: 中國建筑工業出版社,2009.

[3]蔡劍韜，陳尚榮，廖志堅.型鋼水泥土墻結合鋼支撐在基坑工程中的設計實踐[J].巖土工程學報，2010,32(增刊):359-362.

[4]DBJ/63-2012 城地五軸水泥土攪拌墻應用技術規程[S].上海：上海新標工程建設咨詢有限公司，2013.

[5]張勁松.水泥土攪拌樁復合地基應用研究[D].南京：河海大學,2004.

[6]黃茂松.軟土地下工程與深基坑研究進展[J].土木工程學報,2012,45(10): 146-161.

[7]楊林德，仇圣華，楊志錫.基坑圍護位移量及其穩定性預測[J].巖土力學，2001,22(3)：266-270.

Design practice of deep foundation pit excavation in ShangHai

MIAO AiweiCAI JiantaoLIAO Zhijian

(Shanghai Geological Engineering & Geology Institute Co,Ltd,Shanghai 200072)

The second project of east block of Malu east verde in Jia Ding of Shang Hai is a typical deep foundation pit in soft soil area.The pit needs the strict environmental protection and it has complicated geological conditions.It uses pile combined with Five-Axis Mixing and concrete bracing system,meanwile it sets pier construction .Through the analysis of the monitoring data,slop monitoring,the displacement of houses,underwater indicators are within the prescribed values,the safety of the foudation ande the constrution of the main structure are ensured.

Deep foudation;Bored piles; Five-Axis Mixing; Pier construction

繆愛偉(1988-)，男，工程師。

E-mail:ru2008dong@163.com

2016-03-04

TU4

A

1004-6135(2016)04-0066-05