高富水不連續土層深基坑施工與環境變形控制技術

孫志國

(中交建筑集團有限公司，北京 100022)

1 工程概況

中交集團上海總部基地項目建筑面積為18.9萬m2，由160，99m高的建筑及5棟商業樓組成。基坑北側為楊樹浦路，東北角為2號歷史保護建筑，坑內含1號優秀歷史保留建筑，基坑南側包含既有船塢，侵入本工程基坑紅線約67m(見圖1)。

圖1 基坑平面位置

場地內土層為淺層分布厚填土、黏質粉土夾粉質黏土(江灘土)，基坑開挖面以上有③層淤泥質粉質黏土、④層淤泥質黏土，為流塑狀。

地下水埋深為0.50～1.80m，深部為承壓水，主要分布于第⑦，⑨層，承壓水頭埋深3.5m(見圖2)。地基土成因類型與分布狀況如表1所示。

圖2 基坑土體剖面與基坑開挖面的關系

表1 地基土成因類型與分布狀況

該項目基坑周長671m，面積為2.3萬m2，最大開挖深度為23m。安全等級為一級，采用地下連續墻+3道內支撐的方式進行支護。

2 基坑施工重難點

2.1 大面積深基坑施工風險高

該超深基坑施工受土方開挖、大氣降水、地下水、施工動荷載等不確定因素的影響，開挖存在很大風險。

2.2 基坑周邊環境復雜

基坑周邊環境復雜，北側路埋設大量管線，東北角建筑距基坑距離最近為9.5m。南側船塢侵入基坑，障礙物的基礎形式、埋深及是否有其他地下障礙物未知。

2.3 場地內土層條件復雜

該項目鄰近黃浦江，場內①層為江灘土，該層土以粉性土為主，較厚，局部夾較多的淤泥質黏土，土質不均，局部未完全固結。開挖面以上的③，④，⑤層均較松散或軟弱，對圍護結構安全、穩定性影響較大。⑦1層的承壓水對坑底抗突涌及坑底穩定性影響較大，若不做好降水工作，存在坑底土體突涌的可能。

3 需要解決的技術問題及方案設計

3.1 需解決的問題

根據工程重難點，需控制基坑變形，以確保施工安全。

3.2 方案設計

1)設置扶臂式擋墻，防止基坑變形 該項目船塢底板標高為-6.200m，造成南側基坑大面積缺口，圍護體無可靠支撐控制穩定性，故在圍護體外側設扶壁式擋墻進行支撐，扶壁式擋墻由肋墻、擋墻、承臺構成。擋墻外側用土袋回筑確保穩定，施工期間監測擋墻變形(見圖3)。

圖3 基坑扶壁式擋墻平面布置

2)加固土體，控制基坑變形 在靠近北側道路及東北角區域設置被動土進行加固，有利于控制基坑變形、滲漏及坑底回彈，加固標高為-21.150～-8.450m。加固深基坑，降低深基坑內土體含水率，有利于放坡開挖，降低開挖突涌風險，對坑內采用φ800@600旋噴樁進行加固。

3)采用建筑平移+局部逆作法施工 對1號保護建筑下部采用局部逆作法施工，先將建筑物平移至空地，再施工永久位置的圍護結構。形成逆作區域頂板及第1道支撐后，將建筑平移至永久位置，土方開挖在頂板下部進行，從而避免基坑內建筑干擾(見圖4)。

圖4 基坑局部逆作法示意

4)采用錨桿靜壓樁加固，確保既有建筑安全 該項目2號保護建筑具有百年歷史，基礎條件差，基坑施工前應預加固2號保護建筑的基礎，采用錨桿靜壓鋼管樁進行加固，以確保建筑安全。

5)抽灌一體化施工，預防基坑突涌風險 開挖期間應對⑦1層的承壓水進行減壓抽排，但由于場地內⑦，⑨層承壓水相互聯通，圍護體系無法完全隔斷承壓水層，長期抽降承壓水使內外水頭差較大，應在基坑外布置應急回灌井，坑外回灌以減緩沉降變形。

6)清障成樁一體咬合樁圍護應對不利物質條件 該既有船塢及舊房基礎障礙物區域采用咬合樁圍護結構形式，咬合樁采用JAR210H全回轉CD機清障成孔一體化施工，以解決不利物質條件下圍護施工難題。

7)設置傳力構件控制圍護體變形 該項目鄰近圍護結構處為局部深基坑，最大深度為2.8m，直接開挖深基坑易造成圍護體變形，采用先撐后挖的方式施工，在墊層內設置HW502×465×15×25型鋼支撐傳力帶作為支撐，有效控制開挖變形。

4 技術要點與實施手段

4.1 地下連續墻施工技術

地下連續墻施工前應進行試成槽，以確定本地質條件下的泥漿參數，最終循環泥漿配合比控制在1.15～1.20，黏度控制在38Pa·s內。

需合理調配地下連續墻成槽時間與鋼筋籠綁扎時間，確保成槽后鋼筋籠已具備吊裝條件，以縮短空槽等待時間，減小基坑安全風險。本工程單幅槽段成槽深度為35m、寬6m，成槽時間為7～8h，鋼筋籠綁扎時間為10h，故應先綁鋼筋籠再開挖。

該項目土質分布不均，江灘土、淤泥質土深厚，地下連續墻兩側應使用水泥土加固，保證基坑安全。

導墻對穩定孔口槽壁起重要作用。本工程原設計導墻高2.45m，因現場土質差，地下水豐富，極易坍孔，地下連續墻導墻普遍區域高1.7m，且基坑西側及東北角周邊存在管線和保護建筑，故將導墻高調整為2.10m。

本工程存在①3層江灘土，施工時應提高泥漿相對密度、黏度等參數，以確保槽壁穩定，也應降低成槽速度。

地下連續墻滲漏主要發生在2幅槽段施工縫及冠梁與地下連續墻施工縫處。地下連續墻2幅接茬采用鎖口管、十字鋼板接頭方式，十字鋼板接頭防滲漏效果更好，施工時應處理施工縫，必須采用刷壁器清理干凈，在每幅接縫處使用刷壁器進行20次以上的循環涂刷。冠梁與地下連續墻頂部除設置橡膠止水條處理施工縫外，還可埋設注漿管作為預防(見圖5)。

圖5 地下連續墻頂部與冠梁施工縫注漿做法

地下連續墻堵漏措施如下：若無明水滲漏，應先確定滲漏點，并將此部位接縫處開鑿V形槽口，清除松散的混凝土、夾砂、夾泥，清理干凈后插設導流管，使用早強水泥逐步向下補實。若有明水滲漏，應在滲漏部位水平打入1根內徑20～30mm的鋼管，穿透墻體進入墻背土體內，通過鋼管將水引出，當修補混凝土或水泥達到一定強度后，應在鋼管內注入遇水膨脹聚氨酯材料，封堵出水口。滲水嚴重時，應結合土質情況采取雙液注漿、增補止水樁等方式進行綜合處理。

4.2 三軸水泥土攪拌樁施工技術

用于槽壁加固及被動土加固的三軸水泥土攪拌樁可確保槽壁和土體穩定，宜采用搭接施工工藝。用于止水帷幕的三軸水泥土攪拌樁主要作用為止水，應采用套接一孔的施工工藝，如圖6所示。

圖6 三軸水泥土攪拌樁施工工藝

止水帷幕樁間的搭接時間宜≤24h，過長將產生冷縫。本工程受臺風影響，致使兩幅樁間形成冷縫，故采用補做3根搭接長度為200mm的φ800旋噴樁進行封堵。

將三軸攪拌樁下沉注漿攪拌速度0.5m/min提升為1m/min，本工程存在①3層江灘土，當施工至該土層區域時，需將提升速度降低至0.8m/min，以保證成樁質量。

4.3 基于時空效應理論的土方開挖施工技術

因基坑開挖時，土體應力釋放快，易導致基坑土方隆起，產生時空效應，基于時空效應理論，采用盆式開挖方式施工，遵循分層、分塊、分段、對稱、限時原則。分層即控制一次開挖深度，要求2.5m分層；分段即控制一次開挖長度，無支撐暴露長度為30m；分塊即控制一次開挖面積，最大分塊面積為900m2；對稱、平衡即多塊開挖時應對稱，控制平衡；限時即控制無支撐暴露時間，為48h。

對基坑進行挖土分塊時，應既考慮分塊面積大小，又考慮單塊區域支撐形成條件。

本工程基坑開挖分塊如圖7所示，應合理部署基坑開挖方案，為盡快形成坑內支撐創造條件，實踐證實加速形成對撐對控制基坑變形起重大作用。根據監測數據，從具備支撐施工面到支撐完成前，墻體深層水平位移最大>2mm/d，支撐形成后，降低到0.5mm/d以下，可見支撐能有效控制基坑墻體位移。

圖7 基坑土方開挖分塊

當基坑挖至最深處，基坑圍護體彎矩達到最大，開挖風險最高，故在最后一步土方開挖前，應合理安排各項工作時間，減小基坑變形危害。

長臂挖掘機在狹小空間中挖土施工較困難，可使用長臂挖掘機配合電吊挖掘機取土，提高出土效率。當基坑挖至-9.000m標高時，采用0.7m3長臂挖掘機，取土效率為1.86m3/min，電吊取土效率為1.62m3/min。當基坑挖至-18.000m標高時，采用0.5m3長臂挖掘機，取土效率為0.66m3/min，電吊取土效率為1.2m3/min。由此得出，隨著挖土深度加大，受長臂挖掘機斗容量的限制，電吊優勢逐漸突顯。另外電吊取土效率和土質條件有關，更適用于軟弱流塑狀土質。

開挖施工是內支撐的前道工序，應進行嚴密的施工部署，以不影響內支撐實施，并考慮開挖階段挖掘機站位和運土車輛的行車路線，計算分析各分塊配置的挖掘機數量及運土車數量，分析早晚高峰期出土是否滿足需求，研究高峰期留存場外空車數量及暫時停車點的洗車設備配置數量。

4.4 基坑降、排水施工技術

本工程①3層黏質粉土顆粒偏細，含黏土量多且分布不均，③層淤泥質粉質黏土及④層淤泥質黏土層滲透系數極低，疏干降水相對困難。上海地區常采用加真空的深井進行疏干降水，通過真空泵抽水、空壓機送氣壓吸復合抽水系統降低潛水位(見圖8)。采用空壓機送氣配合真空泵抽水能極大提高抽水效率，同時可配合使用地下水監測云平臺。

圖8 壓吸復合抽水系統原理

由于上海承壓水呈年周期變化，結合工程經驗、地質勘察報告，賦存于⑦1層中的承壓水存在頂突可能性，故對⑦1層中承壓水采取按需減壓降水措施，以降低水頭。通過計算可得基坑開挖深度與⑦1層坑內水位的控制關系，如圖9所示。

圖9 基坑開挖深度與⑦1層坑內水位控制關系

運用Visual Modflow Flex三維地下水和污染物運移模擬軟件模擬降水后預測水位的降深等值圖，通過等線路可分析預判回灌井啟動后，基坑內部承壓水抽排后的回灌效果。

進行降水施工時不應斷電，本工程配備總功率為650kW的發電機組，備用電源智能切換系統，以確保基坑施工安全。

由于降水運行出水量較大，排水溝尺寸過小影響降水，故應計算基坑排水溝尺寸。本工程降水井單井出水量為50m3/h，最大過流量為0.669 6m3/s，應設置排水溝寬度為0.8m、深0.7m。

考慮井點降水方式，應采取明排方式治理地表水，上海地區梅雨季節跨度長，明排若不及時，將直接影響土方開挖施工。基坑明水抽排應按最大降雨量進行設計，由于場內明水分布不均，可先在施工面挖多個大集水坑，將小坑水流匯集到大坑，以達到明水高效抽排的效果。

4.5 內支撐施工技術

對支撐及棧橋底模板采用混凝土墊層或直接鋪設模板、回填碎石+模板等方式，將混凝土墊層作為底模，另外支撐底模與支撐梁間采用油毛氈、彩條布、模板等進行隔離。

雨季對內支撐施工影響極大，雨水滯留在土體表層，經挖掘機擾動后，將形成1～2m厚的淤泥層，影響挖土及內支撐實施，應采用澆筑加寬加厚墊層的方式，以提供施工作業面。

若要控制無支撐暴露時間，便要加快內支撐施工進度，盡量做到24h作業，既控制基坑變形，又加快工期。

4.6 拆、換撐施工技術

內支撐應先拆連系梁后拆支撐梁，主支撐梁采用先拆邊角后拆中間，對稱、均衡拆除的原則，拆除棧橋及第1道支撐時，下部格構柱可自上而下進行拆除。

采用機械拆除支撐時，應使用繩鋸或人工風鎬等拆除支撐與圍護體連接部位，再大面積拆除其余部位，減小振動變形。本工程采用繩鋸切割方式，振動小、切割速度快、不產生建筑垃圾、污染小、綠色環保，由于繩鋸切割的混凝土塊隨割隨吊出場外，大大提高樓板換撐施工速度，可縮短工期，降低基坑安全風險。進行繩鋸切割時，支撐梁上部應先破除局部小口，繩鋸鏈條從上排鋼筋下部進行纏繞，作為繩鋸固定點，采用倒八字方向纏繞繩鋸，并采取下墊馬凳措施預防支撐塊墜落風險。

由于后澆帶、汽車坡道等結構斷開達不到傳力效果，故采用H400×400×13×21型鋼作為傳力支撐，端部使用12mm厚鋼板進行封頭，型鋼支撐穿外墻時，應在型鋼上設置止水片作為防滲漏措施。

5 基坑監測結果

取不利于墻體深層水平位移的變形點QX8進行監測，墻體累計變形最大為30～35mm，如圖10所示。基坑施工完成后，QX8的位移趨勢同設計位移包絡圖基本一致。

圖10 QX8點位位移

6 結語

1)通過研究單項施工技術，抓住施工控制要點，可有效控制基坑變形，避免由于不合理的施工方法浪費施工成本。在此基礎上總結基坑變形控制手段與基坑施工控制要點，配以信息化施工中的監測數據進行支撐。

2)防控高富水基坑施工安全時，應高度重視對水的降、排、防設計與施工工作。

3)應加大信息化應用推廣力度，尤其是降水施工和基坑監測方面，采用由人控轉為機控或人+機雙控的措施，規避完全由人操作導致數據不精準或不及時的風險。信息化的應用對控制、預防基坑風險起巨大作用。

4)隨著經濟發展，基坑向更大、更深方向發展，環境更加復雜，施工難度更大，應取其精華、尋求突破，這也是我國基坑工程發展的重要方向。