淺析城市核心區(qū)復(fù)雜環(huán)境條件下超大超深基坑開挖技術(shù)

宋煒卿 師安東 錢煒駿

（1上海建工集團(tuán)股份有限公司，上海 200080；2三門峽社會(huì)管理職業(yè)學(xué)院，河南省三門峽中等專業(yè)學(xué)校，河南 三門峽 472000）

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加速，中心城區(qū)土地資源越來越稀缺，在建設(shè)過程中除了超高層建（構(gòu)）筑物以外，為了滿足地下空間開發(fā)利用要求，也會(huì)設(shè)置多層地下室，因此超大超深基坑越來越多，基坑開挖深度大多超過20m。為滿足超大、超深基坑開挖安全穩(wěn)定性要求，設(shè)計(jì)上一般采用“鉆孔灌注樁/地下連續(xù)墻+多層內(nèi)支撐”的支護(hù)形式。在設(shè)有多層內(nèi)支撐支護(hù)形式下的深基坑，受支撐梁高度和層數(shù)限制，加上周邊環(huán)境復(fù)雜，基坑土方開挖施工難、速度慢、成本高，解決基坑內(nèi)土方開挖施工難題已迫在眉睫。

本文以上海徐家匯某工程為背景，闡述如何通過利用支撐體系增設(shè)施工道路、合理設(shè)置土方開挖分塊與順序、合理配置施工機(jī)械和施工流水組織，并根據(jù)基坑監(jiān)測(cè)情況調(diào)整開挖工況，在合理控制基坑變形的前提下高效進(jìn)行復(fù)雜周邊環(huán)境和地質(zhì)條件下的超大超深基坑的開挖。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)況

某超高超大綜合體工程位于上海市徐家匯商圈核心地帶，總用地面積66017m2；地鐵區(qū)間隧道橫穿地塊北部，基坑?xùn)|側(cè)緊貼地鐵車站。項(xiàng)目由兩幢辦公塔樓及商業(yè)裙房組成，其中，T1 塔樓43 層，高220m；T2 塔樓70 層，高370m；酒店15 層，高76m；裙房7 層，高56.5m；地上建筑面積529706m2，地下建筑面積250487m2，總建筑面積780193m2。本工程基坑共分16個(gè)區(qū)，主體建筑地下室6層，普遍挖深31.5m。因工程基坑分區(qū)較多，本文以4-1和4-3兩個(gè)基坑為研究對(duì)象，開展深基坑土方開挖施工技術(shù)研究。圖1為基坑分區(qū)圖。

圖1 基坑分區(qū)圖

1.2 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

1）工程地處市中心商圈繁華地帶，周邊高樓林立，四周被市政道路包圍，環(huán)境復(fù)雜。

2）運(yùn)營(yíng)中的地鐵區(qū)間隧道穿越場(chǎng)地，位于一層地下室下方，距離西北側(cè)地下室外墻10m，距離6層地下室外墻30m。運(yùn)營(yíng)中的地鐵車站地下主體結(jié)構(gòu)與本工程基坑一墻之隔。基坑開挖施工過程中對(duì)地鐵車站、區(qū)間隧道的安全運(yùn)營(yíng)保障極為重要，對(duì)基坑變形控制要求高。

3）基坑面積大，開挖深度深，開挖土方量大。4-1區(qū)和4-3區(qū)基坑，挖土普遍深度31.5m，設(shè)七道鋼筋混凝土支撐；4-1區(qū)基坑面積1.16萬m2，局部深坑挖深達(dá)到39.1m，總土方量368617m3,4-3區(qū)0.48萬m2，總土方量155729m3，土方開挖過程中要施工7道鋼筋混凝土水平支撐體系，其施工難度大、歷時(shí)長(zhǎng)，對(duì)基坑變形控制要求高，因此如何控制大體量的土方卸載引起的周邊環(huán)境變形需要深入研究并制定有效措施。

4）本基坑超深，承壓水含水層厚度大，地下連續(xù)墻的深度不能夠隔斷承壓水層，基坑施工降水對(duì)周邊環(huán)境的影響大。

1.3 水文地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)地內(nèi)潛水位的動(dòng)態(tài)變化主要受降雨、地表水等影響，年水位的變化幅度一般在1.0m左右。場(chǎng)地淺部土層中的地下水屬潛水類型。地下水穩(wěn)定水位埋深介于1.10～2.20m之間（相應(yīng)絕對(duì)標(biāo)高2.02～3.03m之間）。

圖2 工程地質(zhì)剖面圖

擬建場(chǎng)地內(nèi)地下水主要包括賦存于淺部土層中的潛水、第⑦層中的第Ⅰ承壓含水層、第⑨層中的第Ⅱ承壓含水層和第?與?層中的第Ⅲ承壓含水層。第Ⅰ及第Ⅱ承壓含水層相連通，故在考慮承壓水對(duì)基坑開挖影響時(shí)應(yīng)整體綜合考慮；第Ⅲ承壓含水層因埋深較深，對(duì)本工程基坑無影響。第⑦層初始水位埋深約6.05～6.19m；第⑨層初始水位埋深約6.17m。

根據(jù)工程勘察報(bào)告，擬建場(chǎng)地勘察最大深度150.0m，地基土均屬于第四紀(jì)沉積物，場(chǎng)地均位于古河道沉積區(qū)，從其結(jié)構(gòu)特征、土性不同和物理力學(xué)性質(zhì)上的差異，可以劃分為11個(gè)工程地質(zhì)層及若干亞層。工程地質(zhì)剖面如圖2所示。

2 降水施工

1）4-1區(qū)和4-3區(qū)基坑均采用真空深井泵降水措施，降低基坑內(nèi)淺層潛水。每口真空深井降水范圍不大于200m2。基坑開挖過程中，逐層割除疏干井管，并保證坑內(nèi)水位低于開挖面1m。

2）4-1區(qū)和4-3區(qū)基坑普挖深度31.5m，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，承壓水含水層最淺埋深42.9m，抽水試驗(yàn)期間承壓水水頭埋深6m，依照抽水試驗(yàn)期間承壓水頭埋深6m進(jìn)行驗(yàn)算，基坑需抽降承壓水。根據(jù)計(jì)算，在開挖第⑥層土之前開始降承壓水，同時(shí)開啟基坑周邊的回灌井進(jìn)行回灌，開啟數(shù)量隨開挖深度及水位監(jiān)測(cè)情況動(dòng)態(tài)調(diào)整，保證將周邊環(huán)境影響降到最低。

3）4-1區(qū)布置79口井，其中減壓井32口，疏干井47口。4-3區(qū)布置28口井，其中減壓井13口，疏干井15口，其孔徑、井徑、井深、濾管詳見表1。降水井平面布置圖詳見圖3和圖4。

表1 降水井?dāng)?shù)量及參數(shù)表

圖3 4-3區(qū)降水井平面布置圖

圖4 4-1區(qū)降水井平面布置圖

4）現(xiàn)場(chǎng)配備2臺(tái)備用發(fā)動(dòng)機(jī)，確保施工現(xiàn)場(chǎng)因突發(fā)事件停電時(shí)在15分鐘內(nèi)切換供電。

3 土方開挖

充分考慮土方開挖對(duì)基坑變形、周邊環(huán)境影響及施工便利性，根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙及施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分析，4-3區(qū)將土方開挖分為5個(gè)區(qū)域，采用由南向北開挖方式。針對(duì)軟土地基基坑工程中存在時(shí)空效應(yīng)的特點(diǎn)，“限時(shí)、對(duì)稱”地進(jìn)行土方開挖和設(shè)置支撐，同時(shí)遵循“分層、分塊、盡早形成支撐或底板”的原則，盡量減少基坑在無支撐情況下的暴露時(shí)間，嚴(yán)格控制基坑變形。

首先開挖1-1區(qū)，形成兩根對(duì)撐，開挖1-2區(qū)，形成一根對(duì)撐，三根對(duì)撐形成后，基坑?xùn)|西方向變形基本得以控制。開挖1-3區(qū)、2區(qū)和3區(qū)，并及時(shí)形成南北方向7根支撐，南北方向基坑變形得以控制。東西三根對(duì)撐和南北七根對(duì)撐形成后，整個(gè)基坑支撐體系形成。開挖角部4區(qū)和5區(qū)，及時(shí)形成角部支撐。整個(gè)土方開挖過程連續(xù)，各區(qū)土方開挖完成后，及時(shí)進(jìn)行土方開挖收底、鋪模板、綁扎支撐鋼筋和澆筑支撐混凝土。

圖5為4-3區(qū)2-7層土方開挖分塊次序圖，圖6為4-3區(qū)2-7層支撐澆筑次序圖。

圖5 4-3區(qū)基坑2-7層土方開挖分塊次序圖

圖6 4-3區(qū)基坑2-7層支撐澆筑次序圖

采用在首道支撐上設(shè)置臨時(shí)棧橋作為施工道路，施工機(jī)械停靠在棧橋上挖土的深基坑開挖方式。4-3區(qū)東西方向設(shè)置一道棧橋，南北方向設(shè)置兩道棧橋，施工機(jī)械停靠在棧橋上取土，并由渣土車運(yùn)出施工現(xiàn)場(chǎng)，取土口的數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及施工機(jī)械配備情況確定。臨時(shí)棧橋的設(shè)置不影響基坑內(nèi)7道混凝土支撐施工，機(jī)械和車輛的便利通行加快了出土速度，大大提高了出土效率，有效減少了基坑無支撐暴露時(shí)間和基坑變形，從而確保了基坑安全。表2為4-3區(qū)各分塊土方量及取土口數(shù)量統(tǒng)計(jì)。

表2 4-3區(qū)各分塊土方量及取土口數(shù)量統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況、各層土方量及鋼筋、混凝土、模板工程量，優(yōu)化配置了施工機(jī)械及勞動(dòng)力，通過合理組織、科學(xué)布局及管理，實(shí)現(xiàn)了土方開挖及收底、模板施工、鋼筋綁扎、混凝土澆筑等各工序緊密銜接，保證了施工連續(xù)均衡有序地進(jìn)行，達(dá)到了超大超深基坑施工精細(xì)化管理的目標(biāo)。表3為施工機(jī)械及勞動(dòng)力配置情況。

4 基坑監(jiān)測(cè)

在每層土方開挖初期，南側(cè)、東側(cè)和北側(cè)地連墻變形較小，曲線斜率平緩，開挖到一定程度，曲線斜率增大，變形速率增大，隨著支撐逐步形成，曲線斜率轉(zhuǎn)變?yōu)槠骄彛冃嗡俾蕼p小。靠近地鐵一側(cè)地連墻累計(jì)變形曲線接近于一定斜率的直線，土方開挖對(duì)其變形影響較小。圖7中CX35測(cè)點(diǎn)在第五層土開挖過程中變形值出現(xiàn)突變，主要原因是在此期間CX35測(cè)點(diǎn)附近地連墻有滲水現(xiàn)象，在坑外對(duì)滲漏水附近進(jìn)行了高壓旋噴注漿。

在基坑施工過程中，成功地控制了地鐵側(cè)、中隔墻側(cè)、周邊建筑物及管線的變形量。工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，基坑開挖階段北側(cè)地鐵側(cè)水平位移累計(jì)最大變形為10.24mm，北側(cè)中隔墻側(cè)水平位移累計(jì)最大變形為86.79mm，東側(cè)中隔墻水平位移累計(jì)最大變形為123.68mm，南側(cè)墻水平位移累計(jì)最大變形為89.64mm。日變形量及累計(jì)變形量均在設(shè)計(jì)、監(jiān)護(hù)限度值的范圍內(nèi)。在本工程基坑工程施工期間，未對(duì)地鐵及周圍建筑物造成任何較大影響，達(dá)到了業(yè)主及地鐵方面提出的保護(hù)要求。整體土方開挖及支撐底板結(jié)構(gòu)施工完成所用時(shí)間僅為90d，對(duì)比原工期進(jìn)度計(jì)劃，提前了44個(gè)工作日，首次創(chuàng)造了如此規(guī)模及深度的基坑每10天施工一道鋼筋混凝土支撐的速度。

表3 4-3區(qū)施工機(jī)械及勞動(dòng)力配置情況表

5 結(jié)論

本項(xiàng)目地處城市核心區(qū)，基坑超大、超深，周邊環(huán)境極其復(fù)雜，如何控制超深基坑開挖對(duì)鄰近地鐵、建筑物和管線的影響至關(guān)重要。本項(xiàng)目通過采用分區(qū)、分層、分塊、對(duì)稱、限時(shí)、均衡方式進(jìn)行土方開挖及支撐施工，并合理組織機(jī)械和勞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了各施工工序緊密銜接，保證了開挖與支撐同步。在土方開挖過程中，通過采用信息化施工手段，隨時(shí)監(jiān)測(cè)基坑變形、支撐軸力、坑內(nèi)外水位、地表沉降等數(shù)據(jù)，及時(shí)分析并調(diào)整施工方案。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，基坑、地鐵、建筑物和管線變形較小，在設(shè)計(jì)、監(jiān)護(hù)限度值的范圍內(nèi)，取得了良好的施工效果，可為類似項(xiàng)目施工提供參考。

圖7 4-3區(qū)監(jiān)測(cè)變形曲線