上海軟土地區重力壩支護的深基坑施工技術

潘世斌

上海建工四建集團有限公司 上海 201103

上海位于長江入海口，太湖流域東緣，屬于長江沖積平原，為典型的軟土地區。該區域土質較差，土體承載力低、流變性大，地下水位極高，因此，上海地區的深基坑設計和施工難度很大。上海地區地下1層的建筑，基坑開挖深度一般約為5.5 m，基坑支護多采用懸臂支護形式的水泥土攪拌樁重力壩，重力壩的設計及施工質量、降水形式及降水效果對基坑安全起著關鍵作用。因此，對于采用重力壩的懸臂支護基坑的施工關鍵技術進行研究至關重要[1-8]。

本文以上海某地上4層、地下1層、基坑挖深為5.5 m的工程項目為例，進行了基坑施工方案優化，并通過有限元軟件Abaqus進行了方案優化前后基坑變形的對比分析。

1 工程概況

1.1 工程地塊信息

背景項目位于上海市閔行區華漕鎮華翔路以西，柴塘北路以北（含柴塘北路），總建筑面積53 110.37 m2，其中地上建筑面積42 396.57 m2，地下建筑面積10 713.80 m2。本項目主要由停車樓、辦公樓、站房等單體組成（圖1）。

圖1 項目效果圖

停車樓是集車輛修理、檢測、試車、停車、充電等功能為一體的綜合停車場，地上4層，地下1層，建筑高度23.1 m，基坑區域面積11 000 m2，基坑開挖深度為5.5 m，基坑支護采用雙軸攪拌樁，為懸臂支護形式，基坑降水采用輕型井點降水。

1.2 項目水文地質概況

本場地屬濱海平原地貌類型。擬建場地原為華漕鎮楊家巷村民房及苗圃，舊建筑均已拆除，現場地勢較為 平坦。

根據勘探揭露的地層資料分析，擬建場地內的地基土，主要由黏性土、粉性土及砂土組成，從上至下可劃分為8個主要層次，其中場地缺失上海市統編第④層淤泥質黏土。整個基坑開挖面深度均分布較厚的③層淤泥質粉質黏土，含水量高、滲透性能好，呈流塑狀態，屬高壓縮性，工程性能差。

本工程地下水穩定水位埋深一般在0.35～0.60 m之間，相應標高在3.02～3.15 m之間，平均值為3.25 m。承壓水埋深一般在3～12 m，低于潛水位，并呈年周期性變化。

1.3 項目周邊環境情況

擬建場地北側為綠化地及河浜，河浜距基坑僅11 m，西北角有1幢1層民房，與基坑相距約26 m。南側為楊家巷村進出重要通道的雅樂路，地下管線眾多，環境條件較為復雜，最近與基坑相距14 m；西側為綠化土，空闊。東側建筑邊線與華翔路相距約65 m。東南側與華漕鎮楊家巷村老年活動中心建筑相距最近28 m。因此，基坑施工對南側雅樂路影響的控制至關重要。

2 工程重、難點

2.1 施工場地有限、交通組織困難

本工程地下室1層，整個地下室區域上部均為結構，基坑施工階段，南側距原柴唐北路較近，最近處僅1.4 m，現場施工道路無法環通，場地布置困難。根據基坑階段施工計劃，攪拌樁施工及土方施工與南側柴唐北路改道施工同時進行，導致基坑南側圍護施工無材料堆場及運輸道路。

2.2 基坑開挖面積大

基坑面積約11 000 m2，由于基坑施工階段施工道路無法環通，基坑施工須由西向東依次施工，西南側局部無法采用跳倉法開挖，根據現場實際情況，整個基坑只能分4塊依次進行施工，因此單次開挖面積較大。為減少基底暴露時間，保證基坑安全，在人力、物力投入較大的情況下，須合理安排人工及材料供應。

2.3 基坑北側鄰近河浜

項目基坑北側鄰近河浜，最近處離基坑僅11 m，河浜水位對基坑地下水位影響較大，對北側重力壩止水效果要求較高，圍護施工時基坑北側重力壩為施工重點，以確保降水效果及基坑北側止水帷幕不漏水。

3 施工關鍵技術

3.1 基坑圍護二次深化加固

基坑圍護設計采用雙軸攪拌樁重力壩形式。基坑主要為采用φ 700 mm @500 mm雙軸水泥土攪拌樁，水泥摻量13%，有效樁長13～15 m，基坑內側一排內插φ48 mm×3.0 mm鋼管，間距1 000 mm，長7.0 m；外側內插φ48 mm×3.0 mm鋼管，間距1 000 mm，長7.0 m；面層采用厚200 mm的C20混凝土壓頂，壩頂插筋φ12 mm@1 000 mm，插入混凝土壓頂板100 mm，壓頂板內配φ8 mm@200 mm雙向鋼筋，壩壓頂寬度為4.7 m，具體做法如圖2所示。

對基坑局部貼邊深坑區域，內插鋼管改為內插28b#槽鋼，槽鋼長12 m。具體做法如圖3所示。

圖2 重力壩剖面做法

圖3 貼邊深坑區域重力壩剖面做法

基坑東側、南側、西側為計劃主要施工道路，特別是南側離楊家巷村委會主要進出道路雅樂路較近，為保證后期施工過程中整個基坑安全及減小對南側雅樂路的影響，對原圍護設計進行深化加固，加固區域如圖4所示。該加固區域內插鋼管改為內插22b#槽鋼，長12 m，間距2 000 mm。對基坑這些薄弱區域通過槽鋼及混凝土壓頂形成門式剛架結構，有效增加壩體強度。同時在整個基坑內側重力壩頂部增加600 mm×400 mm冠梁，使整個重力壩形成有效整體。具體加固措施如圖5 所示。

圖4 加固區域示意

圖5 加固剖面示意

3.2 降水方案優化

本工程基坑降水采用輕型井點降水，以抽取基坑內土中的滯水，使基坑內土體疏干，從而保證基坑安全、順利施工。降水方案需經過圍護結構設計單位認可后，方可施工。雙軸攪拌樁重力壩圍護結構，在降水過程中能有效隔斷重力壩深度范圍內基坑外地下水對基坑范圍的補給，因此降水過程不考慮周邊地下水的側向補給。但為防止基坑北側河浜水頭壓力過大，在基坑北側臨時施工道路上增加3口深井，以有效避免河浜水位對基坑內水位的影響。

根據設計圖紙，輕型井點共布置23套，沿基坑周邊布置9套，中間布置14套，輕型井點布置如圖6所示。圖紙中輕型井點的平面布置未合理避開坑底加固區域，該區域井點管無法施工，達不到降水效果，且設計井點管長度為7 m，屬非常規鋼管長度，施工費用較高。為確保基坑安全及施工經濟性，綜合考慮對降水方案進行優化，對井點位置重新布置，對井點管長度進行優化。降水井點布置原則為每套輕型井點影響范圍為15 m左右，合理避開坑底加固區域，優化后的平面布置如圖7所示。為降低鋼管材料費用，且能夠保證降水效果，對降水方案進行優化：先挖去整個基坑范圍內0.8 m的表層土，再進行降水作業；同時井點管施工時，開槽采用二級放坡開挖，深度增加200 mm，這樣鋼管選用常規的6 m長度時，就能保證水位降至開挖面下0.5～1.0 m。

圖6 設計井點平面布置

圖7 方案優化后井點平面布置

3.3 土方開挖方案優化

本工程基坑開挖深度為5.5 m，開挖面積11 000 m2。基坑開挖前保證地下水位降至開挖面以下0.5～1.0 m。本次開挖根據現場實際施工條件，充分考慮基坑工程的“時空效應”，采用分區、分層、明挖法，加快底板施工速度，減少坑底暴露時間。

為優化降水效果及降低材料費用，本次土方開挖共分為2層。第1層土方為大開挖，從場地自然標高面往下挖深0.8 m。第1層土方開挖完成后進行降水施工，水位必須降至第2層土方開挖完成面以下0.5～1.0 m之后，才能進行開挖。根據現場出土路線及停車樓后澆帶位置，第2層土方開挖分為4個施工區，如圖8所示。按照1→2→3→4區依次由西向東開挖，每個區一次性開挖至坑底標高，相鄰2個施工區邊坡采用二級放坡，坡度1∶1。

4 基坑變形控制效果分析

4.1 數值模擬對比分析

上海等沿海軟土地區，土質較差，工程性能差，基坑變形的控制是基坑安全的前提保證。在項目未施工前，采用Abaqus有限元軟件分別對方案優化前和優化后進行了基坑變形模擬，通過2種方案基坑變形的對比分析，更能直觀地反映出基坑方案優化對基坑變形的影響。

本次模擬采用二維模型，根據相關工程經驗，基坑開挖在水平方向上影響范圍為3～5倍基坑開挖深度，豎向上影響范圍為約3倍開挖深度（圖9、圖10）。本次模擬選取基坑南側方案優化區域的經典截面，由于基坑具有對稱性，因此選取1/2模型，模型尺寸為70 m×30 m。土體選用勻質彈塑性應變單元，選用摩爾-庫侖模型，槽鋼選用線彈性梁單元。

圖8 土方分區示意

圖9 方案優化前基坑變形云圖

圖10 方案優化后基坑變形云圖

由圖9、圖10可知：在水平方向上，距基坑越遠，土體變形量越小，距基坑24 m以后，土體基本無變形，影響范圍為約5倍開挖深度；深度方向上，隨著深度增加，土體變形量也越小，距基坑開挖面約20 m，土體基坑無變形，因此在深度方向基坑開挖影響范圍為約4倍開挖深度。方案優化前基坑最大變形為90.07 mm，發生在基坑頂部，而方案優化后，對重力壩進行了二次加固，基坑壁的變形明顯減小，最大變形為坑底土體回彈，約86.45 mm，而基坑頂最大變形為70.70 mm。

基坑的安全與否主要是由基坑變形決定的。在懸臂支護類型的深基坑中，基坑坑壁的土體變形尤為重要，是反映基坑安全最重要的指標。因此，本次模擬以基坑坑壁土體變形為主要分析參數。變形監控路徑如圖11所示。

在基坑壁深度方向上，對15 m范圍內土體位移進行監測，方案優化前后變形曲線如圖12所示，方案優化前圍護頂部最大變形90.07 mm，方案優化后圍護頂部最大變形70.70 mm，變形量減小19.37 mm，減小約21.51%，方案的優化對圍護的變形有很好的控制作用，在深度約8 m，方案優化前后土體變形基本相差不大，因此，此次方案的優化影響深度為1.6倍開挖深度左右。綜上所述，通過本次方案優化，能有效減小基坑變形，對基坑的安全控制十分 有利。

圖11 變形監控線路示意

圖12 變形曲線

4.2 監測結果分析

在基坑施工過程中，對圍護結構的變形進行實時監測，時刻關注基坑變化。基坑施工完成后，重力壩頂最大水平位移為2區南側距基坑邊約2/3位置的Q14點，達39.30 mm，測斜最大位移也為該位置CX5點，達63.35 mm，南側雅樂路最大沉降量為26.33 mm。綜上所述，整個基坑施工過程中基坑變形穩定，無突發性變形，基坑外道路變形較小，周邊建筑物沉降量較小，重力壩無漏水現象發生。通過對基坑關鍵施工技術的控制以及施工方案的優化，很好地控制了基坑變形，保證了基坑安全。

5 結語

本項目位于上海市閔行區，北鄰河浜，南側道路車流量大，東側距華翔路和嘉閔高架路等主要市政道路較近，基坑環境較為復雜，對基坑變形控制要求高，必須保證基坑安全。

為保證基坑安全，在前期圍護結構設計優化上進行了一定的加強，并得到了業主和設計的認可。在施工過程中嚴格控制重力壩的質量，為后期保證基坑安全打下了基礎。對降水方案進行合理優化，避免無法施工區域，在保證降水效果的前提下節約了材料費用。對土方開挖方案進行合理優化，并加快大底板施工進度。通過以上措施，有效確保了基坑施工的安全，減小了基坑施工對周邊環境的影響，為上海等軟土地區地下1層、重力壩支護的基坑施工提供了一定的參考。