軟土地區(qū)復(fù)雜邊界條件群坑支護(hù)設(shè)計(jì)及施工研究

文／汪源 上海陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)開發(fā)股份有限公司 上海 200126

引言：

隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，絕大部分工程在考慮規(guī)劃建設(shè)需要下都是成片開發(fā)，基坑面積通常較大[1,2]。如上海中心大廈基坑面積為3 萬m2、深度為33m，陸家嘴中心大廈基坑面積為4.6 萬m2、深度為14m，靜安嘉里中心基坑面積為3.8 萬m2、深度為25m。這些大型綜合體建筑除主體結(jié)構(gòu)的地下室外，外還附帶裙房地下室、下沉廣場、軌交連通道等地下設(shè)施，引起軟土地區(qū)復(fù)雜邊界條件超大型群坑支護(hù)設(shè)計(jì)和施工等問題，給地下空間開發(fā)帶來了新的挑戰(zhàn)。

為保護(hù)周邊環(huán)境，當(dāng)前超大型軟土深基坑的施工，采取分坑支護(hù)、分區(qū)施工的工藝。把一個(gè)大型基坑劃分成多個(gè)分區(qū)，分區(qū)與分區(qū)之間通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分隔，然后根據(jù)現(xiàn)場情況、工程建設(shè)需要、施工方案等依次施工各個(gè)分區(qū)地下結(jié)構(gòu)。這種做法有助于減小基坑變形，但也造成了工序復(fù)雜，并且支護(hù)體系傳力難以連貫，施工工期長、環(huán)境影響大等問題[3-5]。

群坑支護(hù)設(shè)計(jì)和施工是軟土地區(qū)復(fù)雜邊界超大型基坑工程能否高效、安全建造的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。確定適宜的深基坑支護(hù)形式、合理安排分坑之間的施工順序、支撐結(jié)構(gòu)的選型等對(duì)確保基坑及周邊環(huán)境安全至關(guān)重要，值得進(jìn)行深入細(xì)致的分析研究。針對(duì)軟土地區(qū)復(fù)雜邊界條件群坑支護(hù)設(shè)計(jì)及施工關(guān)鍵技術(shù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值[6-7]。

本文基于上海市某深基坑項(xiàng)目，通過數(shù)值模擬和工程實(shí)踐等手段，開展對(duì)軟土地區(qū)復(fù)雜邊界條件群坑施工承壓水控制關(guān)鍵技術(shù)的研究，可為相似工程提供參考。

1、工程概況與水文地質(zhì)條件

1.1 工程概況

本工程為前灘21-02 及21-03 地塊項(xiàng)目，建設(shè)基地位于浦東新區(qū)東方體育中心東南側(cè)，場地東、西兩側(cè)為濟(jì)陽路、東育路，南、北側(cè)為海陽西路、楊思西路。本工程21-02 及21-03 地塊統(tǒng)籌共建，兩個(gè)地塊基坑總開挖面積約為5.8 萬m2。根據(jù)開發(fā)進(jìn)度，結(jié)合周邊環(huán)境保護(hù)要求，基坑分為18 個(gè)區(qū)先后交叉施工，其中1a ～1d 區(qū)、2a ～2b 區(qū)、3a ～3b 區(qū)地下四層，4a ～4e 區(qū)、5a ～5d 區(qū)地下二層，3c 區(qū)為地下一層（圖1）。

圖1 項(xiàng)目基坑工程概況

1.2 水文地質(zhì)條件

場地屬于濱海平原地貌，場地地形較平坦，實(shí)測(cè)地面標(biāo)高4.28 ～6.25m。主要組成為砂土、粘性土和粉性土，土層分布從上到下依次為：①雜填土（層厚1.20m ～5.60m）、②粉質(zhì)粘土（ 層厚0.70m ～3.40m）、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土 （ 層厚1.60 m ～1.90m）、③t 灰色粘質(zhì)粉土（ 層厚1.50m ～3.20m）、④灰色淤泥質(zhì)粘土（層厚5.20m ～8.50 m）、⑤灰色粘土（層厚2.20m ～3.10m）、⑤2-1灰色砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土（層厚8.90m～10.10m）、⑤2-2灰色粉砂（層厚7.50m ～11.10m）、⑤3灰色粉質(zhì)粘土夾粉性土（層厚10.90m ～12.10m）、⑦1灰色粉砂（層厚2.00m ～4.20m）、⑦2灰色粉砂（層厚3.00m ～6. 20 m）。

表土層的地下水為潛水， 穩(wěn)定水位埋深介于0.60～1.60m之間（相應(yīng)標(biāo)高3.82～5.62m之間）。⑤2-1層、⑤2-2層為微承壓水含水層，第⑦層（第⑦1層和第⑦2層）第⑨層分別為第I、第II 承壓含水層。本工程各分區(qū)基坑均需要抽降⑤2-1層和⑤2-2層微承壓水，因此本工程外圍地下連續(xù)墻隔斷微承壓水。工程地下二層以及地下四層普遍區(qū)域均不需要抽降⑦層承壓水，僅塔樓局部深坑開挖階段需要抽降第⑦2上層承壓水。

2、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 基坑分區(qū)籌劃

基坑總開挖面積約為5.8 萬m2，分為18 個(gè)區(qū)先后交叉施工，各分區(qū)面積如表1 所示。

表1 基坑信息匯總表

2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）考慮到本工程周邊環(huán)境復(fù)雜，地下四層基坑的外圈地下墻加深至55m，進(jìn)入相對(duì)隔水層⑦2t，以減小降壓對(duì)環(huán)境的影響。

（2）本工程地下四層外圈地下墻需要有效隔斷微承壓水，采用十字鋼板接頭以加強(qiáng)止水效果。

（3）為確保外圍地墻施工質(zhì)量，防止地墻成槽塌壁導(dǎo)致周邊土體變形過大，并加強(qiáng)基坑開挖階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)的止水有效性，在外圈地下墻（鄰地鐵和鄰道路側(cè)）兩側(cè)設(shè)置了Ф850 三軸攪拌樁槽壁加固。同時(shí)，地鐵保護(hù)范圍內(nèi)地墻接縫位置設(shè)置MJS 旋噴止水予以加強(qiáng)。

2.3 支撐體系設(shè)計(jì)

（1）地鐵保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的大坑1a、1c、1d/2a 和3a 區(qū)，采用五道混凝土支撐。

（2）地鐵保護(hù)區(qū)外的大坑1b、2b 和3b 區(qū)采用四道混凝土支撐。

（3）基坑地下二層區(qū)域包括4a ～4e 區(qū)及5a ～5d 區(qū)，采用一道混凝土支撐+兩道鋼支撐的形式。鋼支撐布置結(jié)合地墻分幅，每幅地墻設(shè)置兩根鋼支撐，不設(shè)圍檁，可以做到快速施工。另外，為控制該區(qū)域底板施工階段基坑的側(cè)向變形，坑內(nèi)設(shè)置300mm 厚加強(qiáng)墊層。

（4）3c 區(qū)為地下一層，采用一道混凝土支撐+一道鋼支撐的形式。

2.4 坑內(nèi)加固設(shè)計(jì)

本工程場地③層、④層、⑤1層和⑤3層土層軟弱，流變性大，為控制基坑變形，擬采用如下坑內(nèi)加固方案：

（1）地下四層分區(qū)基坑鄰近地鐵8、6、11 號(hào)線盾構(gòu)隧道側(cè)，采用10m 寬Φ850 三軸攪拌樁裙邊。

（2）地下四層分區(qū)基坑鄰濟(jì)陽路能源管側(cè)，設(shè)置12m寬Φ850 三軸攪拌樁裙邊加固。鄰東育路側(cè)，設(shè)置8m 寬Φ850 三軸攪拌樁裙邊加固。

（3）4a ～4e 區(qū)、5a ～5d 區(qū)基坑緊鄰運(yùn)營地鐵盾構(gòu)隧道，采用Φ850 三軸攪拌樁滿堂加固。

2.5 基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響

2.5.1 計(jì)算假定

采用有限元法，計(jì)算基坑周邊土層應(yīng)力和位移。模型范圍為基坑周圍約135m 范圍內(nèi)的土體。圍護(hù)和支撐結(jié)構(gòu)采用彈塑性BEAM 單元，土體采用十五節(jié)點(diǎn)平面單元及硬化土（HS）模型。計(jì)算模型及對(duì)應(yīng)平面位置如圖2 所示。

圖2 平面位置及1-1 剖面計(jì)算模型

2.5.2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果如表2 所示，周邊地鐵及管線變形均處于安全可控狀態(tài)。

表2 基坑開挖對(duì)周邊影響

3、施工關(guān)鍵工藝

3.1 基坑施工總體流程

（1）首先開挖1a、1c 區(qū)，待其第三道支撐完成且達(dá)到強(qiáng)度后再跟進(jìn)施工1b 和1d 區(qū)。

（2）待1a、1c 區(qū)地下室結(jié)構(gòu)完成后開挖2a 區(qū)；待1b、1c 和1d 區(qū)地下室結(jié)構(gòu)完成后，開挖施工2b 區(qū)。

（3）待2a 區(qū)地下室結(jié)構(gòu)完成后，開挖3a 區(qū)；待2a 區(qū)和2b 區(qū)地下室結(jié)構(gòu)完成，開挖施工3b 區(qū)。

（4）待2a 區(qū)地下室結(jié)構(gòu)完成后依次開挖5a 和5b 區(qū)，待3a 區(qū)地下室結(jié)構(gòu)完成后依次開挖5c 和5d 區(qū)。

（5）待1c 區(qū)地下結(jié)構(gòu)完成后開挖4b 區(qū)、待1d 區(qū)地下結(jié)構(gòu)完成后開挖4d 區(qū)；待4b 和4d 區(qū)地下室結(jié)構(gòu)完成后開挖4a、4c、4e 區(qū)。

3.2 支撐結(jié)構(gòu)施工

3.2.1 鋼筋混凝土支撐施工

（1）根據(jù)開挖順序分區(qū)澆搗，根據(jù)每次所能澆筑的支撐方量進(jìn)行配置泵車。

（2）施工縫設(shè)置在1/3 跨內(nèi)。

3.2.2 軸力補(bǔ)償鋼支撐施工

（1）本工程4 區(qū)域、5 區(qū)域第二、三道內(nèi)對(duì)撐和角撐采用鋼支撐形式，局部鋼筋混凝土連梁。

（2）鋼支撐的根據(jù)鋼管支撐的構(gòu)件模數(shù)布置。

（3）支撐的安裝利用鋼立柱托架梁作支撐安裝的擱置點(diǎn)，將預(yù)拼好的Φ609 鋼管對(duì)接，對(duì)接時(shí)要拉通線控制直線度。定位時(shí)要校對(duì)定位、標(biāo)高與預(yù)測(cè)安裝位統(tǒng)一。

3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工

（1）本項(xiàng)目地下連續(xù)墻僅作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，采用800、1000、1200mm 厚地下連續(xù)墻，混凝土等級(jí)為水下C35，抗?jié)B等級(jí)為P8。

（2）本項(xiàng)目C1 型、C3 型～C5 型及F 型地下連續(xù)墻采用圓形鎖口管柔性接頭，其余類型地下連續(xù)墻均采用十字鋼板剛性接頭。

（3）地下連續(xù)墻垂直度控制為1/300，清孔后的成槽深度與設(shè)計(jì)深度的誤差為0 ～+100mm。

4、監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

根據(jù)基坑開挖深度及周邊環(huán)境，確定本基坑安全等級(jí)為一級(jí)，鄰地鐵側(cè)及能源管側(cè)環(huán)境保護(hù)等級(jí)為一級(jí)，其余側(cè)環(huán)境保護(hù)等級(jí)均為二級(jí)。監(jiān)測(cè)檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示地鐵沉降監(jiān)測(cè)、周邊管線沉降和地墻水平位移均滿足安全要求，基坑開挖過程對(duì)周邊環(huán)境影響亦較小，說明本超大型群坑支護(hù)設(shè)計(jì)和施工實(shí)施效果良好（圖3 ～圖6）。

圖3 6 號(hào)線（上行線）沉降

（1）地鐵沉降監(jiān)測(cè)

（見圖3、圖4）

圖4 6 號(hào)線（下行線）沉降

（2）周邊管線沉降

（見圖5）

圖5 電力管線沉降監(jiān)測(cè)

（3）地墻水平位移

（見圖6）

圖6 地墻水平位移X1（左）和X2（右）

結(jié)語：

（1）結(jié)合施工可行性、基坑周邊環(huán)境保護(hù)及項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)度等要求，對(duì)軟土地區(qū)超大型群坑的分區(qū)方案、加固、開挖順序等進(jìn)行了詳細(xì)策劃，基于數(shù)值計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性。

（2）實(shí)測(cè)地墻水平位移、地鐵及周邊管線沉降等數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證了方案的合理性。

（3）合理設(shè)計(jì)基坑分區(qū)、策劃基坑各分區(qū)施工的流程工藝，既可以有效滿足設(shè)計(jì)安全需要，又可以減少對(duì)項(xiàng)目工期、周邊環(huán)境的影響。