軟土深基坑微變形控制技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境條件下的應(yīng)用

鐘 錚

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，對城市地下空間的開發(fā)利用已成為解決城市人口、資源、環(huán)境三大危機，實施城市可持續(xù)發(fā)展的一條重要途徑。城市縱深的發(fā)展和地下空間的擴展帶來了大量的深基坑工程。近年來，基坑的規(guī)模越來越大、開挖深度越來越深，越來越多的基坑工程鄰近敏感的建（構(gòu)）筑物，由基坑工程施工引起的環(huán)境保護問題變得日益突出，按變形控制替代傳統(tǒng)按強度控制已經(jīng)成為深基坑工程設(shè)計施工的主流觀點。在我國經(jīng)濟最發(fā)達(dá)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)最密集的沿海、沿江地區(qū)，其工程建設(shè)影響深度范圍內(nèi)普遍存在一定厚度的軟土。軟土具有含水量高、抗剪強度低、壓縮性高、流變性能顯著等特點，這給沿海、沿江地區(qū)的城市建設(shè)技術(shù)提出了更高的要求。因此開展軟土城市基坑工程對環(huán)境影響微變形控制技術(shù)的專項研究具有重要的實際意義。

本文結(jié)合上海某緊鄰在建軌交車站的深基坑工程，對其建設(shè)過程中采用的微變形控制技術(shù)及環(huán)境保護措施進(jìn)行詳細(xì)闡述，希望為類似工程提供借鑒與參考。

1 工程概況

上海某辦公大樓新建工程位于普陀區(qū)金沙江路以北、大渡河路以西，北至虬江、西至華大科技園（圖1），工程用地面積為3 006 m2。大樓主體結(jié)構(gòu)設(shè)計為地下3層，地上12層，地下室為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)設(shè)計采用鉆孔灌注樁＋大底板的形式。基坑平面呈不規(guī)則梯形，尺寸約為55 m×50 m，面積2 500 m2，周長210 m，普遍開挖深度約為17 m。

圖1 基坑鳥瞰

1.1 環(huán)境情況

基地位于上海市區(qū)中心地段，東側(cè)鄰近大渡河路，路面下是在建軌交15號線大渡河路站，該站與本工程基坑局部共用圍護結(jié)構(gòu)；南側(cè)約70 m外為金沙江路，路面下是剛建成運營的軌交13號線大渡河路站，在基坑南側(cè)約30 m處設(shè)地下通道與軌交15號線車站連通；西側(cè)約12 m處為華大科技園高層建筑，地上20層、地下2層，埋深約9.4 m，采用鉆孔灌注樁基；北側(cè)約38 m外為虬江河道及防汛墻。

基地東、南側(cè)城市主干道路下方均分布有大量市政管線：東側(cè)軌交15號線車站施工前將對大渡河路現(xiàn)狀管線進(jìn)行搬遷處理，其中給水管線、通信管線、電力電纜及新增的1條110 kV電纜箱涵臨時改遷至本基坑?xùn)|側(cè)場地內(nèi)，并在車站主體結(jié)構(gòu)封頂覆土后遷回；南側(cè)金沙江路下的市政管線距離本基坑較遠(yuǎn)，均在80 m開外。此外，基地北側(cè)分布有一條30 m高壓走廊，距離本工程基坑最近18 m。

總體而言，基地周邊環(huán)境復(fù)雜，敏感建（構(gòu)）筑物密集，保護要求較高。

1.2 地質(zhì)條件

本工程場地地基土屬第四紀(jì)晚更新世至全新世沉積物，主要由飽和黏性土、粉性土和砂土組成，呈水平層理分布，為上海地區(qū)典型的濱海平原軟土地層?；娱_挖范圍內(nèi)土層主要包括第①1層填土、第②3-1層砂質(zhì)粉土、第④1層淤泥質(zhì)黏土及第⑤1-1層粉質(zhì)黏土。

場地淺部的②3-1層粉性土在一定水頭的動水壓力作用下易產(chǎn)生流砂現(xiàn)象，同時也是鄰近虬江補給地下水的良好通道，必須確保基坑圍護結(jié)構(gòu)在該土層中的止水封閉。場地深部約30 m以下的第⑦層粉砂層為承壓含水層，基坑開挖時存在承壓水突涌的可能性，工程建設(shè)時需采取相應(yīng)預(yù)防措施。

2 基坑總體設(shè)計方案

本工程基坑地處城市中心繁華地段，基坑深度大，周邊環(huán)境保護要求高，需要選擇一種安全可靠且有成熟施工經(jīng)驗的基坑支護方案。

根據(jù)軟土地區(qū)已實施的大量基坑工程的成功實踐經(jīng)驗，類似基坑工程一般采用板撐支護體系。考慮到本工程基坑開挖深度普遍超過15 m的實際情況，因此采用剛度大、整體性好的地下連續(xù)墻作為周邊圍護體，受力段插入基底以下16 m。為最大限度減小降承壓水對周邊敏感環(huán)境的影響，在地下連續(xù)墻受力段下方再增加長約13 m的素混凝土構(gòu)造段，頂部嵌入第⑧不透水黏土層不少于1.5 m（圖2）。

圖2 基坑圍護結(jié)構(gòu)剖面示意

根據(jù)本工程變形控制要求嚴(yán)格的特點，結(jié)合基坑平面形狀及分區(qū)特點（圖3），在A區(qū)采用了鋼筋混凝土十字對撐的平面布置形式，具有支撐剛度大、傳力直接、受力清楚等優(yōu)點；在B區(qū)選用鋼管對撐的布置形式，有利于土方開挖，配合帶軸壓伺服系統(tǒng)鋼支撐能很好地控制基坑變形。

圖3 基坑開挖分區(qū)示意

3 基坑微變形控制技術(shù)

3.1 分區(qū)開挖支護技術(shù)

本工程基坑?xùn)|側(cè)緊鄰在建軌交15號線大渡河路車站，二者局部區(qū)段需共用圍護地下連續(xù)墻，并存在交叉施工工況，但場地周邊敏感建（構(gòu)）物較多，施工及保護要求均較高，因此必須遵循“時空效應(yīng)”原理[1]，合理制訂基坑分區(qū)分坑方案，整體籌劃與地鐵車站開挖搭接的施工工序及實施節(jié)點，嚴(yán)格控制卸載過程中所產(chǎn)生的地層變形，方能達(dá)到基坑本體和周邊環(huán)境雙安全的目的。

3.1.1 分區(qū)方案

將整個基坑分為2個大、小分區(qū)A、B，分別獨立支護、先后開挖：西側(cè)的A區(qū)為結(jié)構(gòu)主樓區(qū)域，開挖面積約1 950 m2；東側(cè)的B區(qū)為鄰近地鐵所劃分的寬14 m隔離保護帶，開挖面積約500 m2。方案通過加大與保護對象的距離、減小深層滑移帶寬度，來有效控制A區(qū)大基坑卸荷對環(huán)境的影響；通過B區(qū)窄基坑卸荷深層滑移帶無法產(chǎn)生的原理，達(dá)到保護對象嚴(yán)苛的微變形控制目標(biāo)[2]。

3.1.2 實施步序

基坑開挖應(yīng)按照環(huán)境敏感程度由低到高進(jìn)行，按限時、跳倉的方式確定施工節(jié)點：在軌交15號線車站北端井結(jié)構(gòu)回筑至B2層梁板后先行開挖A區(qū)基坑，待A區(qū)結(jié)構(gòu)底板澆筑完成后方可進(jìn)行地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)段的開挖施工；在軌交15號線車站主體及周邊附屬設(shè)施地下結(jié)構(gòu)施工完成并回搬管線后，方可進(jìn)行B區(qū)基坑的開挖施工。這種安排降低了基坑開挖疊加變形的影響，充分調(diào)動和利用了土體自身的強度，能有效控制基坑墻體和坑周地層的總體變形。

3.1.3 開挖要求

考慮到軟土的流變特性，基坑按照“分區(qū)、分塊、對稱、平衡、限時”原則[1]指導(dǎo)微變形控制開挖。A區(qū)基坑采用盆式開挖的方式；圍護墻一次暴露長度不超過20 m且不超過2個支撐間距，分層開挖的分層厚度不應(yīng)大于4 m；沿地鐵側(cè)留土寬度不少于4倍的單層挖深，且最后挖除；單塊土體的開挖支撐施工時間控制在24 h內(nèi)。B區(qū)基坑采用分層分段連續(xù)開挖的方式；首層土方可采用大開挖，其余各層土方分段開挖長度不宜超過6 m；單根鋼支撐的開挖支撐時間嚴(yán)格控制在12 h以內(nèi)。開挖至基底時，要求各區(qū)域邊挖邊形成墊層，快速形成底板，以控制圍護結(jié)構(gòu)的位移和坑底回彈。

3.2 鋼支撐軸力補償技術(shù)

近年來，在許多緊鄰軌交等生命線工程的深基坑開挖施工中均成功運用了軸力伺服系統(tǒng)（圖4）進(jìn)行鋼支撐的軸力補償，該系統(tǒng)主要由液壓系統(tǒng)模塊和自動控制系統(tǒng)模塊組成，能夠?qū)⑸罨愉撝蔚妮S力由被動受壓和松弛變形轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃蛹訅赫{(diào)控變形，并根據(jù)緊鄰深基坑保護對象的變形控制要求主動進(jìn)行基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形調(diào)控，保證緊鄰深基坑保護對象的安全使用[2]。

圖4 鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)

本工程B區(qū)基坑開挖階段四周均緊貼重點保護對象，對圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形有嚴(yán)苛的要求，故采用了鋼支撐體系結(jié)合軸力自動伺服系統(tǒng)進(jìn)行微變形控制。在施工操作中有以下要點：

1）鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)應(yīng)對基坑的每個支撐軸力24 h不間斷實時監(jiān)控，軸力值允許在合理的設(shè)定范圍內(nèi)波動。

2）要求油缸為雙作用油缸，系統(tǒng)能滿足雙向自動補償?shù)墓δ堋?/p>

3）軸力實時補償用的液壓油缸置于支座套箱中，支座套箱與鋼支撐可靠連接，實現(xiàn)支撐軸力增減的高效傳遞。

4）鋼支撐油缸安裝加載應(yīng)遵循時空分步加載的原則，每幅墻體2根支撐建議以設(shè)計軸力的30%交替平衡加載，當(dāng)加載到設(shè)計軸力的100%時，應(yīng)及時將機械鎖鎖緊。

3.3 適應(yīng)性土體加固技術(shù)

本工程基坑開挖深度范圍內(nèi)分布有第④1層淤泥質(zhì)黏土、第⑤1-1粉質(zhì)黏土等土層，孔隙比大、力學(xué)強度低、壓縮性高，不利于圍護結(jié)構(gòu)變形控制。為避免開挖卸荷引起鄰近眾多保護建（構(gòu)）筑物過大的沉降變形、開裂甚至破壞，采用土體加固技術(shù)是一個直接有效的手段。通過對被動區(qū)土體針對性的改良處理，能夠有效提高土體承載力和基坑抗變形能力，達(dá)到保證基坑開挖面穩(wěn)定和環(huán)境微變形控制的目的。為體現(xiàn)方案的經(jīng)濟性，根據(jù)保護對象和控制要求的不同，基坑在各區(qū)域綜合采用了多種加固方式（圖5）：

圖5 基坑被動區(qū)加固平面示意

1）A區(qū)基坑?xùn)|側(cè)鄰近地鐵區(qū)域變形控制要求較高，故在該側(cè)坑底以下5 m范圍內(nèi)采用φ650 mm@450 mm三軸水泥土攪拌樁進(jìn)行了裙邊加固，為控制每步開挖期間的圍護結(jié)構(gòu)變形，還對第2道支撐底至坑底范圍內(nèi)的土體采取了抽條加固措施。

2）A區(qū)基坑其余3側(cè)保護要求相對較低，故僅在各邊中部坑底以下5 m的被動區(qū)范圍內(nèi)采用了攪拌樁墩式加固。

3）B區(qū)基坑周邊緊貼地鐵車站，且在車站設(shè)施施工完成后開挖，變形控制要求嚴(yán)苛，故在其坑底以下5 m采用了攪拌樁滿堂加固形成有效封底，還對第2道支撐底至坑底范圍內(nèi)的土體采取了抽條加固措施，加固平面與鋼支撐掏槽抽條開挖相對應(yīng)，控制每道支撐架設(shè)期間的圍護結(jié)構(gòu)變形。

3.4 地下水控制技術(shù)

本工程場地范圍內(nèi)普遍分布第⑦承壓含水層，層面埋深約23.2 m，層底埋深約35.7 m?？辈炱陂g設(shè)觀測孔對第⑦層承壓水頭進(jìn)行了測量，其水位埋深約為4.6 m。經(jīng)計算表明，開挖至基坑普遍基底時抗承壓水突涌穩(wěn)定性不滿足要求，需采取合理的地下水處理對策。

滿足基坑工程設(shè)計安全穩(wěn)定要求所需的地下連續(xù)墻受力段端部已進(jìn)入第⑦層一定深度，考慮到基坑周邊敏感建（構(gòu)）筑物較多、環(huán)境保護要求較高的情況，擬采用在地下連續(xù)墻底部設(shè)置加長構(gòu)造段“隔水”＋坑內(nèi)布置降水井“疏干”的方式進(jìn)行承壓水抗突涌處理。這種方法隔斷了坑內(nèi)外承壓含水層之間的水力聯(lián)系，將降水、降壓區(qū)控制于基坑內(nèi)部范圍，坑內(nèi)的水位升降不會對坑外的水位產(chǎn)生影響，在技術(shù)上安全、可靠，對周邊環(huán)境的影響也較小。在基坑開挖過程中還需采用信息化施工手段，密切觀測坑內(nèi)外水位變化及周邊環(huán)境的變形等，對監(jiān)測數(shù)據(jù)及時分析判斷，注意是否為承壓水問題所造成，并采取針對性技術(shù)措施。

3.5 信息化監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)

在本基坑開挖施工全過程中必須采用自動化監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)，隨時掌握工程施工對基坑支護結(jié)構(gòu)及鄰近保護對象的影響，實現(xiàn)信息化施工和動態(tài)控制，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，及時調(diào)整、優(yōu)化設(shè)計及施工措施，做到提前預(yù)警、過程控制、安全施工。

根據(jù)基坑工程的特點及保護對象的微變形控制要求，擬選擇以下監(jiān)測項目，并對關(guān)鍵部位實施重點監(jiān)測。

1）基坑本體：墻頂變形、支撐軸力、墻體深層水平位移、立柱豎向位移、地下水位等。

2）周邊環(huán)境：地表豎向位移、地下管線位移、建（構(gòu)）筑物豎向位移、建（構(gòu)）筑物傾斜等。

3）地鐵結(jié)構(gòu)：水平位移、沉降或隆起、水平直徑收斂變化量。

在工程實施前尚需根據(jù)基坑工程的支護結(jié)構(gòu)、周邊環(huán)境、重點被保護對象要求、施工方案、場地條件等情況，預(yù)先制訂應(yīng)急搶險方案，備妥各類應(yīng)急物資及搶險材料，一旦發(fā)現(xiàn)土體位移過大、地表開裂、圍護滲漏等危險情況及時啟動現(xiàn)場應(yīng)急預(yù)案，積極組織搶險。

3.6 有限元數(shù)值分析技術(shù)

基坑微變形控制以環(huán)境保護為核心，在正式開挖前為明確基坑方案對周邊土工環(huán)境的影響，通常采用有限元數(shù)值模擬分析基坑開挖卸荷產(chǎn)生的微變形情況，對圍護結(jié)構(gòu)變形、坑內(nèi)土體回彈及坑周建（構(gòu)）筑物變形進(jìn)行預(yù)估，并根據(jù)分析結(jié)果，調(diào)整設(shè)計施工方案以使其最大限度地滿足坑周敏感對象的微變形控制要求。

在本工程基坑有限元分析中，土體采用適用于基坑開挖的Hardening-Soil（硬化土）模型[3]，圍護結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，在參數(shù)方面考慮了主偏量加載引起的塑性應(yīng)變、主壓縮引起的塑性應(yīng)變以及彈性卸載/重加載的卸荷模量。就A區(qū)基坑開挖階段對西側(cè)華大科技園高層建筑及東側(cè)軌交15號線車站北端井結(jié)構(gòu)的變形影響，與B區(qū)基坑開挖階段對周邊地鐵車站結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施的變形影響進(jìn)行了數(shù)值分析（圖6）。

變形分析結(jié)果如表1所示，表中變形值對照規(guī)范及相關(guān)管理部門允許的控制值均有一定余量[4-5]，表明采用的微變形控制措施能有力保證基坑本體及坑邊敏感對象的安全。

圖6 基坑結(jié)構(gòu)及保護對象變形矢量圖

表1 數(shù)值分析主要結(jié)果匯總

4 結(jié)語

針對軟土地區(qū)密集城市環(huán)境中深大基坑開挖施工過程中面臨的微變形控制難題，以上海中心城區(qū)某辦公大樓新建工程為背景，結(jié)合筆者多年來承擔(dān)的軟土地區(qū)深大基坑工程實踐，總結(jié)了包括分區(qū)開挖支護技術(shù)、鋼支撐軸力補償技術(shù)、適應(yīng)性土體加固技術(shù)、地下水控制技術(shù)、信息化監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)以及有限元數(shù)值分析技術(shù)在內(nèi)的一系列微變形控制設(shè)計施工措施[6]，以滿足施工期間周邊敏感環(huán)境和設(shè)施的嚴(yán)格保護要求。本研究有助于軟土地區(qū)基坑工程微變形控制成套技術(shù)的成熟與形成，具有較好的工程意義和社會效益。