中心城區軟土深基坑分區設計關鍵技術與對策

張竹庭

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

上海某辦公大樓工程，不僅地處沿海軟土地基中心區域，周邊建筑、管線、軌道交通結構眾多，且基坑需與緊鄰的在建軌交15號線車站進行同步交錯施工。復雜的周邊環境、不利的土質條件、較深的開挖深度、緊張的施工工期，這些都給基坑設計及施工帶來難度。本文結合該基坑工程，分析總結與地鐵交錯施工的軟土深基坑分區設計關鍵技術與對策，可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況及特點

1.1 基坑規模

項目擬建建筑為1幢12層辦公樓，設置整體3層地下室，其中南側為辦公樓主樓地下室，北側為純地下車庫。基坑總面積4 058 m2，平面形狀呈不規則梯形，普遍開挖深度約17 m。

1.2 水文地質條件

本工程地基土為濱海平原軟土地層，基坑開挖范圍內土層包括①1填土、②3-1砂質粉土、④1淤泥質黏土、⑤1-1粉質黏土。其中，②3-1層是北側虬江補給地下水的通道，在動水壓力作用下易產生流砂，對施工降水及圍護成槽影響較大，圍護結構須確保該層土區域的止水有效性；此外，第⑦1-2、⑦2層為承壓含水層，第⑦1-2層面埋深最淺30 m，勘查期間水位埋深4.6 m，承壓含水層厚約12 m。經驗算，開挖至普遍基底時，抗承壓水突涌穩定性不滿足要求，故需采取合理的地下水處理對策，確保基坑安全。

1.3 周邊環境條件

項目東側有城市主干道大渡河路和路面下眾多市政管線，以及在建的軌交15號線車站，該軌交車站標準段及附屬結構的基坑邊線與本工程東側基坑邊線重合，并擬與本工程局部共用圍護結構；南側貼近軌交15號線附屬結構，南側74 m處為金沙江路及路面下的已建軌交13號線；基坑西側為華大科技園及園內市政管線，華大科技園采用樁筏基礎，距本基坑14 m；基坑西側5.5 m為虬江，設有防汛墻（圖1）。本項目周邊環境復雜，保護要求非常高，且基坑位于軌交安全保護區范圍內，基坑除了滿足各項常規要求外，還需滿足軌交嚴格的位移控制要求。

圖1 基坑總平面及周邊環境

1.4 場地內部條件

本項目內部場地局促，基坑幾乎占滿了整個基地，且項目與東側軌交15號線交錯施工，基坑施工時存在變形疊加及多作業交叉。故在設計時需充分考慮與軌交的相互影響，同時合理利用有限的場地資源。

此外，本項目基地北部的純地下車庫區域上空有220 kV高壓走廊，其高壓線東西向橫跨本項目，使基坑有近一半的區域位于高壓線控制帶內。故基坑設計時，需考慮施工機械高度對圍護選型的限制，確保施工可行性。

2 關鍵技術與對策

2.1 基于微變形控制的分區籌劃

軟土深基坑實踐數據及理論分析證明，小型窄條形深基坑的坑周地表沉降量為圍護結構最大側向變形量的0.7～1.0倍，沉降影響范圍為3.0H～4.0H（H為基坑挖深）；而大面積深基坑坑周地表沉降量為圍護結構最大側向變形量的1.0～2.0倍，沉降影響范圍為1.5H～2.0H。基于此變形特性形成的基坑工程微變形控制分區支護設計技術[1]，在上海等軟土地區工程實踐中收到了良好效果。

本工程東側緊鄰變形敏感的軌交15號線大渡河路車站。為確保軌交結構安全，對本工程進行分區籌劃，即將本工程基坑分為大、小2個分坑（圖2），并采用明挖順作法施工。A區為遠離軌交的大坑，基坑面積約3 500 m2；B區為緊鄰軌交的窄條形小坑，基坑面積500 m2，基坑寬度14 m。基坑開挖時，先開挖遠離軌交的A區大基坑，再施工緊鄰軌交的B區窄條基坑，使窄條基坑卸荷的深層滑移帶無法生成；在A區開挖時，B區亦可作為A區基坑與軌交之間的隔離保護帶，加大了大坑與軌交之間的距離，從而有效控制基坑開挖卸載對軌交的不利影響。

2.2 交錯工況及圍護體系施工順序

基坑東側的軌交15號線車站設施包括標準段、風亭和出入口等附屬結構，這些設施對基坑變形要求嚴苛；此外，軌交車站工期緊張，且由于場地限制及共墻等，其工期與本工程工期有相互制約的關系，故基坑設計時除須考慮環境保護外，還需滿足軌交15號線車站的工程進度，確保不影響軌交線路如期運營。

因此，經與軌交管理部門及相關參建方溝通后，施工順序為：開挖軌交15號線車站端頭井及標準段→開挖軌交1號及2號風亭→開挖軌交7號出入口及換乘通道→待軌交所有附屬結構頂板回筑達到設計要求強度后，方可進行本工程A區基坑的土方開挖→待本工程A區基坑的頂板回筑達到設計要求后，方可進行本工程B區基坑的開挖。此外，本基坑東側區域與軌交互相共用圍護結構，即B區基坑東側及南側利用軌交地下連續墻作為圍護結構，軌交利用B區北側及A區東側全線的圍護結構作為其圍護結構，因此雖然本工程基坑開挖須在軌交結構完成后進行，但基坑東側區域圍護結構須在軌交計劃開挖日期前施工完成。

圖2 基坑分區籌劃平面布置

為控制施工擾動對周邊環境的影響，對圍護體系的施工順序也提出要求：槽壁加固→地下連續墻成槽及墻體施工→坑內被動區土體加固→主體結構工程樁。其中，主體結構工程樁在坑內加固完成后及時套打。通過這樣“由外向內”的施工順序，使先施工的圍護結構在后續施工中起到保護作用，從而減少加固體及工程樁等施工對周邊敏感環境的擾動影響。

2.3 圍護結構設計及承壓水處理對策

根據基坑開挖深度及周邊環境，本工程選用地下連續墻作為圍護受力結構，墻體厚度除西側為800 mm外，其余均為1 000 mm。由于第⑦層承壓含水層具有突發性、高壓性、易發性這“三性”特點，在高水頭壓力下，若圍護結構存在縫隙通道或薄弱處，砂和粉土就易隨水土一起流入，并在短時間內形成突涌。因此，本工程采用基坑外圍護結構“隔斷承壓水”的方案，以隔斷坑內外承壓水聯系，并通過一些加強止水措施，確保形成止水封閉系統。

A區基坑南部主樓區域及B區基坑采用地下連續墻“受力段＋構造段”的形式，以隔斷承壓水。地下連續墻兩側采用三軸水泥土攪拌樁進行槽壁加固，加固深度與坑內加固底平；地下連續墻外側槽段接縫處增加品字形高壓旋噴樁對承壓水加強止水。

A區北部純地庫區域上空有高壓線，對大型機械施工及吊裝造成限制，故采用“地下連續墻受力＋外側TRD（等厚度水泥土攪拌墻）隔斷承壓水”的形式。地下連續墻插入基底以下16 m，滿足受力要求；TRD嵌入第⑧層黏土不少于1.5 m，滿足隔水要求；地下連續墻槽壁加固亦采用TRD。TRD設備高度較小，可滿足高壓線凈空要求；同時，在查清高壓線的弧垂高度的基礎上，對北部受高壓線影響區域的地下連續墻鋼筋籠采用分節吊裝，每幅墻分4節，每節鋼筋籠高度不大于9 m，墻幅間分節節點錯開布置并避開受力集中處，確保施工安全及可行性。

本工程設計時對擬利用的軌交地下連續墻進行了資料調查及現場探查，發現B區南側一幅擬利用的既有地下連續墻長度僅35 m，未隔斷承壓水，故在該幅地下連續墻側增設5根直徑2.4 m、定角度180°的MJS（全方位高壓旋噴）樁，與既有地下連續墻的槽壁加固搭接形成止水封閉，確保隔斷⑦層承壓水（圖3）。同時，在其余地下連續墻冷縫處增加MJS樁，確保形成無縫隙止水封閉系統。

圖3 既有地下連續墻側增加MJS止水示意

2.4 支撐及棧橋設計

本工程支撐根據A、B區的分坑進行設置。A區基坑設3道鋼筋混凝土水平支撐，平面布置形式為十字對撐，具有剛度較大、傳力直接的特點。由于場地局促，基坑占滿了整個基地，因此結合第1道支撐布置施工棧橋（圖4），解決了挖土平臺及材料堆場缺失的問題，并在棧橋轉角處根據預設的車輛作業行駛路線設置倒角，方便施工車輛轉彎。B區基坑設4道水平支撐，支撐形式為對撐，除首道采用鋼筋混凝土支撐外，其余均采用鋼管支撐。每根鋼管支撐帶有軸壓自動補償系統及1個帶回鎖功能且壓力量程達3 000 kN的油壓泵。對油壓泵壓力進行預設，當工作壓力變化幅度大于100 kN，或壓力大于設計值時，系統控制油壓泵自動加壓或卸壓，使鋼管支撐在基坑開挖過程中始終保持軸力恒定，從而確保鄰近軌交設施及管線變形的可控[2]。B區鋼支撐作為無圍檁支撐體系，平面布置時須確保“一墻兩撐”，即每幅地下連續墻在平面上設置2個支撐點，以平衡圍護墻上水平作用力，確保圍護體系的整體穩定。

圖4 第1道支撐及棧橋平面布置

2.5 中隔墻換撐及拆除技術

A區基坑及B區基坑之間設有中隔墻，由于基坑外圍已形成止水封閉，中隔墻無需再隔斷承壓水，墻體深度僅需滿足受力要求即可。A區及B區地下室回筑時，中隔墻兩側須設置底板及樓板換撐結構，主體結構完成后，需進行中隔墻拆除，實現兩側地下室的連通。中隔墻的換撐及拆除過程是結構體系與支護體系之間的力系轉換過程，本基坑中隔墻換撐結構從基礎底板開始，隨地下結構一起“由下而上”逐層澆筑，待中隔墻兩側地下室頂板澆筑并連通后，“由上而下”逐層拆除中隔墻，并逐層對樓板、底板進行連接。此外，在分隔墻鑿除過程中，由于B區樓板存在懸挑工況，故對B區分隔墻一側的樓板設置臨時換撐鋼柱，為懸挑樓板提供豎向支承，臨時換撐鋼柱隨著中隔墻的拆除而逐層拆除。

2.6 挖土及降水要求

本工程土質具有明顯的軟土流變特性，挖土時須遵循時空效應原理，按照“分區、分塊、對稱、平衡、限時”原則并盡早澆筑墊層、形成底板，縮短變形穩定時間，挖土順序按照離軌交“先遠后近”進行。A區基坑由于東西向寬度僅50 m，且基坑中間設有棧橋，無法滿足盆式開挖條件，故采用分塊開挖，每個分塊面積約1 000 m2，各分塊之間跳倉開挖；分層開挖時分層厚度不大于4 m，每層邊坡的坡比不大于1∶1.5。

基坑開挖前，須進行不少于三周的預降水，以驗證圍護結構的止水封閉性。若發現圍護體有滲漏，先找到滲漏位置，采用高壓旋噴樁加固或雙液注漿等措施進行處理。基坑實施期間，須對承壓水水頭進行監測，在圍護形成隔斷封閉后，在坑內配合進行疏干降水及殘余降壓。坑內降水嚴格按照“適時、適量、有控制”的要求。

3 結語

對于中心城區緊鄰軌交等敏感設施的軟土深基坑，設計及施工過程中除應考慮基坑本體的安全穩定外，還需采取針對性措施加強對周邊環境的保護[3]。本工程基坑緊鄰在建軌交并與軌交交錯施工，施工工況復雜，保護要求嚴苛。筆者結合工程經驗，對設計過程中的關鍵技術與對策進行分析，總結了一系列針對性控制設計技術，包括基于微變形控制的分區支護設計、交錯工況及圍護體系施工順序、圍護結構設計及承壓水處理對策、支撐及棧橋設計、中隔墻換撐及拆除技術、挖土及降水要求。本文所述多項技術措施可確保基坑工程的順利實施及對周邊環境的有效保護，對類似工程具有很好的借鑒及參考意義。