不等深大面積深基坑工程同步開挖的設計實踐

周 婉

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

隨著國家推進城市化建設的步伐不斷加快，在土地資源日益短缺的形勢下，結合城市建設，進行大型地下空間的改造和開發成為一種必然[1]。在建設過程中，為適應建筑功能需求，地下空間的開挖深度往往不是單一的，各地下空間的開挖深度差異性較大。在施工過程中，開挖深度不同的基坑支護結構受力與變形往往比開挖深度一致的基坑要復雜得多，如何選取合理的支護設計措施及施工工序，在實現圍護結構受力合理性與基坑開挖整體穩定性的同時，加快施工工期、節約工程造價并保證施工質量，是基坑工程設計與施工的重點。本文以軟土地區某一深基坑工程案例為背景，對基坑不等深同步開挖的設計思路進行探討分析，以期為類似工程的實施提供有益的參考。

1 工程背景

上海閔行區體育活動中心新建工程位于閔行區江川街道區域，占地面積為27 618 m2，擬建建筑為地標型公共體育中心，是以地下1層頂板為大底盤的四塔結構，四塔均為1層框架結構，地下室部分區域為1層，部分區域為2層，用作地下車庫以及各類運動場館等，基礎形式為承臺/筏板＋樁基。

本工程基坑總面積約2.07萬 m2，周長603 m，地下1層區普遍挖深6.05 m/6.30 m，地下2層區普遍開挖深度9.80 m。靠邊深坑區域降深1.30～1.45 m。基坑平面形狀大致呈不規則矩形，局部陽角較多，基坑整體外觀及周邊環境如圖1所示。

圖1 基坑周邊環境示意

1.1 周邊環境概況

基地東側和南側鄰近已建城市道路，車流量密集，路面下均布置有一定數量的市政管線，其中信息管線距離坑邊最近13.1 m；基地西側為擬建的上海市第五人民醫院新建綜合樓與宿舍樓，現已施工完畢工程樁，其上部結構距坑邊最近8.2 m；基地北側為“金銘福邸·四期”高層住宅區，距坑邊最近18.2 m。周邊環境較為復雜，在基坑設計與施工中需對西側在建工程重點保護。

1.2 工程地質概況

地勘報告顯示，擬建場地位于濱海平原地區，主要由飽和黏性土、粉性土組成，土層分布差異較大，場地內土層從上至下依次為①雜填土、②粉質黏土、③淤泥質粉質黏土夾粉砂、③夾黏質粉土、④淤泥質黏土、⑤黏土、⑥粉質黏土。

其中：場地淺部普遍分布的①層土，成分復雜，土質松散，局部區域較厚，對工程施工影響較大；基坑開挖深度范圍內存在的③層和④層土，為上海地區典型軟土層，流塑狀態，壓縮性高，抗剪強度低[1]；場地深部⑦1層土屬本工程承壓水含水層，承壓水頭埋深在3～12 m，經驗算，基坑的抗承壓水穩定性能滿足規范要求。

2 基坑支護方案設計

本工程屬于軟土地區大面積深基坑工程，基坑開挖深度不等，需要根據實際情況選取合理的設計方案確保基坑開挖的安全性、施工過程的可行性與方便性，同時盡可能地節省工期、降低造價。

2.1 總體設計方案選取

綜合考慮周邊環境及空間條件、施工便捷及經濟性等因素，本工程優先采用明挖順作法施工。

在上海軟土地區，針對不等深的相鄰基坑，常用的土方開挖方案有以下2種：

1）先深后淺，分區開挖：即深、淺區分別獨立圍護，在深區完成地下結構施工后再進行淺區的開挖施工，利用時空效應原理減少基坑大面積暴露的時間和空間，降低對周邊環境的影響。本工程地下2層區基坑形狀不規則，局部區域陽角較多，若仍采用常規的先深后淺施工方案，地下2層區支撐布置復雜將使得開挖出土困難，多處陽角應力集中將帶來局部失穩風險，且設置深、淺區2套獨立臨時支護體系也將引起臨時圍護造價的增加。

2）同步開挖：即在基坑外圍設置1圈封閉的板式圍護體，內部采用水泥土攪拌樁作為地下1層和地下2層區交界高差部位的加固圍護結構；全坑豎向統一設置第1道水平支撐，地下2層區靠邊區域局部增設第2道水平支撐。在施工過程中，基坑可全面開挖，地下1層區基礎底板與地下2層區第2道水平支撐同時澆筑形成整體，之后繼續開挖施工地下2層落深區結構，在其基礎底板施工完成后拆除第2道支撐并連通兩區地下結構，最后拆除第1道支撐，完成整個地下室的施工。

綜合分析考慮，本工程采用同步開挖的施工方案是科學合理的。

2.2 基坑支護結構

本工程整體采用板式支護體系：基坑周邊圍護樁選用剛度較大、利于基坑變形控制的鉆孔灌注樁，外側止水帷幕采用全面搭接、止水效果可靠、擠土效應小的φ850 mm三軸水泥土攪拌樁；坑內豎向統一設置第1道鋼筋混凝土水平支撐，地下2層區增設第2道鋼筋混凝土支撐，采用對撐、角撐結合邊桁架的平面布置形式，以預留較大的作業空間方便土方開挖；內部交界高差部位采用水泥土重力式圍護墻的加固結構。

此外，為控制圍護體變形，加強基坑穩定性，對被動區土體采用φ700 mm@500 mm雙軸水泥土攪拌樁進行墩式加固，對坑內局部落深大于1.50 m的電梯井等區域采用φ700 mm@500 mm雙軸水泥土攪拌樁結合壓密注漿封底的加固處理。

同時，為控制本工程基坑拆撐工況變形對西側在建工程的影響，在西側區域局部增設HW400 mm×400 mm× 13 mm×21 mm@6 000 mm型鋼斜撐作為換撐傳力構件。需待地下室各層結構梁板及車道板澆筑結束并達到設計強度，且地下室周邊密實回填后，方可拆除臨時換撐。基坑同步開挖的施工工序如下：

1）整平場地，進行圍護結構施工及土體加固。

2）對基坑進行預降水后，開挖表層第1皮土方，澆筑施工首道水平支撐。

3）地下1層區待首道撐達到設計強度后，土方開挖至基底，及時澆筑混凝土墊層，施工底板并設置底板換撐板帶；地下2層區待首道撐達到設計強度后，土方開挖至第2道支撐底，澆筑施工第2道支撐。

4）地下1層區進行地下室結構施工；地下2層區待第2道支撐達到設計強度后，開挖土方至落深區基底，及時澆筑混凝土墊層，施工底板及其換撐板帶。

5）地下2層區待底板達到設計強度，并架設型鋼斜撐后，拆除第2道支撐。

6）地下2層區施工B1層結構梁板，設置換撐，交界處與地下1層區基礎底板結構連通。

7）待底板及地下2層區B1層結構樓板達到設計強度，且地下2層區周邊回填至B1層樓板標高后，拆除基坑內全部首道支撐。

8）施工完成地下室結構并達到設計強度后，將地下室外墻與圍護體之間的空隙回填密實。

基坑的支護結構典型剖面如圖2所示。

圖2 基坑支護結構典型剖面

3 數值模擬分析計算

本工程采用巖土工程分析軟件Plaxis按平面應變連續介質有限元方法分別對地下1層區靠近既有管線、地下2層區靠近高層住宅區域進行開挖過程的模擬分析，以預測對周邊環境附加變形的影響。土體采用常規的Hardening-Soil（硬化土）模型模擬，圍護結構選用線彈性模型模擬，同時為減小模型邊界對分析結構的影響，基坑外計算寬度按4～5倍基坑開挖深度取值，計算深度取坑底以下30～35 m，坑外均布置有施工超載20 kPa。根據工程項目實際情況采用中等粗糙程度網格對模型進行劃分，有限元模型如圖3、圖4所示。

圖3 地下1層區靠近既有管線處有限元模型

圖4 地下2層區靠近高層住宅處有限元模型

圖5給出了基坑開挖至基底時的變形計算結果。其中，地下1層區圍護樁的最大側移為11.3 mm，坑外既有管線最大沉降為0.6 mm；地下2層區圍護樁的最大側移為15.9 mm，高層住宅的沉降值最大為1.8 mm，影響很小。上述變形值均在規范要求的變形控制值范圍內，且有一定余量[2-3]，表明本工程的設計方案能夠保證基坑土方開挖對周邊環境的影響滿足相應的基坑環境保護等級要求。

圖5 開挖至基底時圍護結構變形矢量

4 結語

本工程屬于上海軟土地區不等深大面積基坑工程，設計以確保基坑安全施工為前提，以施工便捷、節約工程造價為目標，采用了同步開挖的總體方案。相較于常規設計思路，該方案有效降低了由于地下2層區平面形狀不規則所帶來的局部應力集中與變形失穩風險，結構受力轉換直接明確，施工便捷、可操作性強；節約了交界處圍護體及第2道支撐的工程量，經濟效益顯著；交界處留縫較少，結構整體性較好，安全性也有一定的保證。目前，該基坑工程正在有序施工。通過合理的土方分層分區開挖，并嚴格控制施工質量，基坑整體處于穩定、可控狀態。本工程的設計理念可為今后同類基坑工程提供參考。