鬧市區內外雙重約束場地條件下深基坑設計*

段 偉，黃 昕，熊 海，舒 遲，李 歸

(武漢建工集團股份有限公司，湖北 武漢 430058)

0 引言

隨著武漢“國家中心城市”總體規劃的推進，老舊鬧市城區內不斷出現許多高層、超高層建筑。此類建筑通常都會設置2層以上整體地下室，以滿足包括人防、停車、設備設施等在內的建筑功能的需要。老舊鬧市城區內的新建建筑周圍環境復雜，周邊建筑基礎薄弱、結構安全性能低，地下管線雜亂交錯，地區敏感。在場內場地方面，由于建設單位最大化土地利用率，基坑往往緊貼紅線布置，場內狹小的施工場地制約工程的快節奏建設，這已逐漸成為市區建設項目面臨的共性問題。軟土地質條件下深基坑開挖會引起周圍地面變形，這種變形如果不受控或超過一定限度將會給包括道路、房屋、地下管道在內的周圍構筑物帶來嚴重不良影響。

1 工程概況

老通城文化風情街位于武漢市江岸區吉慶街與瑞祥路西北側，主要由1棟20層高層酒店、7棟 2～5 層商業樓及1個2層整體地下室組成。該項目總建筑面積53 252.45m2，地上建筑面積共計36 903.8m2；地下2層，建筑面積16 348.65m2。項目建筑造型引入近代租界建筑的符號語言，主要是古典建筑與現代建筑混合，高層建筑與低層、多層建筑混合的漢口近代租界的風貌特色(見圖1)。

圖1 老通城文化風情街效果

基坑周長約572m，開挖面積約9 719m2，實際開挖深度在現狀自然地面下10.95～14.05m，基坑呈“凹”形。其地貌單元屬長江I級階地，基坑開挖深度范圍內周邊土層為：①層雜填土，②層粉質黏土，③層黏土，④層粉質黏土。基坑坑底大部分坐落在③層，局部坐落在④層。場地地下水主要包括賦存于①層雜填土中的上層滯水及下部砂土層中的承壓水。上層滯水水位為穩定水位，埋深1.80～2.50m，承壓水位埋深為6.90m，承壓水水頭高度年變幅為3.0～4.0m，因被②，③層阻隔與上層滯水無水力聯系，水量較充足且穩定補充。

2 工程重難點

2.1 場外受限

基坑緊鄰密集老舊居民區，四面環街，周圍道路上設有停車位，攤販多，人、車流量均非常大，地下室管線密集，且周圍存在變形敏感建筑和重要構筑物(見圖2)。基坑北側為銘新街，寬12m，項目正對武漢二十一中大門，北側中間部分緊鄰14層酒店及其附屬民房；基坑東側為瑞祥街，寬7.9m，街對面為漢口陳列館；基坑南側為吉慶街，寬7.3m，街對面為大型菜市場和作為“全國重點文物保護單位”的中共中央宣傳部舊址暨瞿秋白舊居陳列館；基坑西側為黃石路，寬9.3m，基坑邊線緊鄰民國時期興建的“武漢市優秀歷史建筑”基督教榮光堂(見圖3)。

圖2 項目周邊環境實景

圖3 場外環境示意

2.2 場內受限

基坑內邊線距離圍墻最寬位置為北側，寬度為6.6～7.8m。北側酒店及附屬民房距離基坑內邊線僅1.3～2.4m，其余地方寬度普遍在2.5～6.5m(見圖4)。場內無法形成環形通路，如此狹小的空間給地下室施工帶來巨大困難。

圖4 場內條件示意

2.3 變形控制

項目周邊均為不帶地下室的老舊居民區，基坑開挖后，若基坑側壁發生滲漏或降水不到位，上層滯水和承壓水都將往該基坑匯集。若降水不合理，周邊土體孔隙水大量流失引起有效應力增大，從而導致周邊土體沉降。由于周邊構筑物本身存在“先天不足”，對沉降變形尤為敏感。另外，基坑開挖卸荷后的支護體系變形將直接擾動周圍土體。因此，做好地下水位控制和開挖過程中的基坑變形控制是項目深基坑施工的重要一環。

3 基于多層次灰色評價法的支護方案比選

3.1 多層次灰色評價模型

3.1.1評價體系建立

假設待選方案有s個，多層次的評價體系由多個評價指標構成，Pi代表一級評價指標，Pij代表二級評價指標，E代表被評價對象的綜合評價值。內外雙重約束場地條件下深基坑支護方案的諸多影響因素直接關系深基坑從開挖到回填能否安全、高效、低成本施工。基于評價指標的選取原則，綜合專家咨詢意見和實地踏勘情況，選取安全可行性、施工質量、經濟適用性、環境影響4個指標作為一級指標，選取施工難易程度、施工成本等8個指標作為二級指標。

3.1.2指標權重計算

由于各指標在方案選擇上的重要程度不同，因此需組織專家對各指標在兩兩比較的基礎上打分，從而形成各層次的判斷矩陣A=(aij)n×n，采用層次分析法計算Pi與Pij的權重值(見表1)，一級評價指標Pi的權重值為ai，其構成的權重集為A，二級評價指標Pij的權重值為aij，其構成的權重集為Ai。

表1 基坑支護方案優選的指標體系

3.1.3組織專家評分并構造評價樣本矩陣

深基坑支護的評價指標為定性指標，用灰色評價法對其進行定量化處理，將Pij的評價等級分為“優”“良”“中”“差”4個等級，相應的分值分別為4，3，2，1分，介于二者之間的分別記為3.5，2.5，1.5分。組織p(p=1，2，3，…，k)個專家對s個待選方案的各評價指標進行打分，可得到第s個方案的評價樣本矩陣D(s)，樣本矩陣的元素用dijk(s)表示。

3.1.4確定評價灰類及其白化函數

通過Pij的評價等級，設置4個灰類，序號為m，4個評價等級對應的灰數為4，3，2，1，確定這4個評價灰類的白化權函數fm如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：n為專家評分值。

3.1.5計算灰色評價系數

根據白化權函數，第s個待選方案分別屬于第m個評價灰類時的評價系數為：

(5)

待選方案屬于各評價灰類的總灰色評價系數為：

(6)

3.1.6計算灰色評價權向量和權矩陣

對4個評價灰類的單個灰色評價系數應做歸一化處理后，得到第s個方案中的評價指標對4個灰類的評價權向量為：

(7)

各評價灰類的評價向量綜合后得到評價權矩陣：

(8)

3.1.7多層次灰色綜合評價

(9)

于是，得到第s個方案的灰色評價矩陣為：

(10)

然后，對第s個方案的P做綜合評價，結果記為Bs：

(11)

3.1.8計算綜合評價值并排序

根據前面設置的4個灰類，得到各評價灰類等級值化向量C=[4 3 2 1],故第s個方案的綜合評價值為：

V(s)=B(s)·CT

(12)

這樣，首先通過層次分析法確定了各評價指標的權重，再通過灰色評價法得到灰色評價權矩陣，最后得到各待選方案的綜合評價值V(3)>V(1)>V(4)>V(2)，進而根據綜合評價值大小優選方案。

3.2 方案優選

初步考慮4種方案：①D1 排樁+平地面對撐+水泥攪拌樁；②D2 排樁+平地面環撐+水泥攪拌樁；③D3 排樁+下沉式對撐+SMW工法樁；④D4 排樁+下沉式環撐+SMW工法樁。

組織5名專家對3個待選方案進行打分，得到樣本矩陣D(s)：

f1(1.5)+f1(2.5)+f1(2)+f1(1)+f1(1)=

0.375+0.625+0.5+0.25+0.25=2

于是，評價指標P11對4個灰類的評價向量為：

[0.188 0.250 0.328 0.234]

對方案D1進行總體評價：B(1)=A×R(1)=[0.212 0.279 0.324 0.185]。

計算綜合評價值V(1)=B(1)·CT=2.518，同理求得V(2)=2.016，V(3)=3.36，V(4)=2.431，可知V(3)>V(1)>V(4)>V(2)，方案D3是最優方案。

4 支護體系設計

4.1 技術路線分析

由于基坑支護體系是臨時圍護結構，其實質是在保證安全性和穩定性的基礎上服務于項目的地下部分結構高效施工。對于本項目這種鬧市區中內外雙重約束條件下的深基坑支護體系設計，不能只從某一方面考慮，而是應結合項目的場地條件和實體工程圖紙，將設計與施工過程融為一體，如此，才能又快又好地完成項目地下部分。

該工程由于場地限制，難以實現土方滿開挖，也就是地下室很難整體施工，這就極大地影響了支撐體系的施工和換撐工作。經施工單位和基坑設計單位專家分析后，為保證基坑分區開挖、分區施工、分區換撐和拆撐，初步確定將基坑支護體系分為若干個獨立的支護單元。形成“支護體系分區設計→地下室施工組織策劃→換、拆撐策劃→支護體系調整優化”的總思路，在進行受力計算時充分考慮各獨立分區的最不利受力條件，分區的具體范圍由設計人員根據桿件位置、作用經受力計算確定。

4.2 支護體系分區

根據上節方案優選結果，針對項目場內、場外均受限的特點，充分考慮基坑形狀、地下室后澆帶位置(見圖5)、地上單體分布情況、周圍環境等因素，配合土方開挖、地下室結構施工等后續工序的流水施工，支護方案初步定為排樁+(-1.700m標高)內支撐+SMW工法樁，支護體系分為4個具有足夠承載力的獨立支護系統(見圖6)，分別為1區、2區、3區、4區，其中2區由2-1和2-2 兩部分組成。2-1的y向與2-2的局部y向受力在同樣的3根對撐桿件上，在換、拆撐時應特別注意相應位置的受力情況，必須在結構梁板與支護樁間達到換撐條件后才能拆除支撐桿件。

圖5 地下室后澆帶位置

圖6 支護體系分區

4.3 地下室施工組織策劃

項目周邊僅銘新街具備出土條件，以高層8號樓的主體結構施工為關鍵線路，故將北側銘新街靠近7號樓的2號門作為土方外運的主要出口。一般來說，地下室施工順序的策劃需考慮出入口個數及位置、流水搭接情況、進度計劃、支撐布置等因素，本工程的地下室施工尤其要將材料堆場、鋼筋加工棚、洗車槽、架泵區、出土道路等作為重要因素分析。

本項目深基坑的主要施工順序如圖7所示，先將面積約700m2的4區土方保留，主要作為出土道路、鋼筋堆場、洗車槽、起重機架設區、架泵區及材料車輛卸貨吊裝區，待90%土方外運完成及80%以上頂板施工完成后，再開挖4區土方，配合科學合理的支護體系轉換，最后完成項目的地下室施工。

圖7 地下室總體施工順序

4.4 支護方案優化

4.4.1為土方、拆撐收尾設置的棧橋

由于作為唯一出土出口的2號門距基坑邊線僅7.8m，常規的渣土車、挖掘機、起重機等大型機械的操作空間不足，在不做任何空間拓展的情況下土方、拆撐收尾工作難以完成。項目支護體系在靠近2號門處設置鋼筋混凝土棧橋板，長7.1m、寬9m，板面標高與場地標高相同，下方混凝土柱、混凝土梁、格構柱、立柱樁充分考慮大型機械施工荷載(見圖8)。結合現場情況，選取棧橋上最大荷載工況，按最不利情況計算棧橋板荷載：架設80t起重機，前支腿在棧橋上，幅度40m，臂長49.8m，3.1t吊重。施工時棧橋上滿鋪鋼板，增加受力面積。

圖8 棧橋剖面示意

4.4.2重要歷史建筑的加強保護措施

基坑西北側的3層磚木結構基督教榮光堂和南側的2層磚結構中共瞿秋白舊居陳列館是重要歷史建筑，由于年代久遠，地基基礎較薄弱，導致該類建筑對周圍土體變形十分敏感，因此在進行支護結構設計時需嚴格控制支護結構的允許位移。為保證周邊歷史建筑安全，本項目基坑對應區域的支護結構允許變形參照DB42/T 159—2012《基坑工程技術規程》中相關要求，將周邊歷史建筑作為“特別重要保護對象”，控制基坑支護結構水平變形≤20mm，嚴于規范的30mm標準。

采取3種加強措施：①為增強支護樁剛度，對歷史建筑周邊支護樁截面和配筋進行加強；②加長SMW工法樁的型鋼長度，局部型鋼作為永久性構件，不作回收考慮；③在三軸攪拌樁施工前，采用花管注漿方式進行被動土壓力區加固(見圖9)。工字鋼長度L=6.0m，間距1.0m，以減少支護樁和三軸攪拌樁施工時對該側既有建筑(基督教榮光堂)基礎的擾動。

圖9 歷史建筑周圍的支護體系加強措施

4.4.3因施工空間不夠引起的局部支護方式調整

在基坑北側凹處的酒店圍墻、附屬磚混建筑距基坑邊線僅1.3～2.4m，勉強夠支護樁施工。由于無法拆除的外圍構筑物與地下室的建筑要求(如人防面積、酒店面積、車道寬度等)相沖突，因此該段的基坑支護需重新考慮其他施工方法。本項目采取“設置腰梁+鎖口梁+樁間高壓旋噴樁止水帷幕”的方法解決操作空間問題(見圖10)，在鎖口冠梁施工前，在圍墻下插入長3m的[16以保證土體穩定，沿圍墻長度方向設置鋼管斜撐防止圍墻側傾。該段的樁間高壓旋噴樁施工時一方面要嚴格控制垂直度和成樁質量，另一方面尤其要密切關注周圍地面的變形和冒漿情況。

圖10 局部支護方式調整

5 施工平面布置

5.1 塔式起重機選型

工程場內基本可采用2臺臂長60m的塔式起重機滿覆蓋，在塔式起重機覆蓋范圍內的建筑物最高點高度在10.806～49.670m，其中1號塔式起重機覆蓋范圍內的銘新街側酒店最高點高度為49.67m，2號塔式起重機覆蓋范圍內住宅樓最高點高度為43.3m(見圖11)。施工材料堆放與轉運將嚴重制約現場施工進度，材料全部在現場有限空間內進行調運將出現嚴重工效低下。材料只能在場內卸貨，也就是說，在1，2號門處塔式起重機要能滿足1捆鋼筋2.7t(φ25)的吊重需求。另外，場地周邊建筑高度高，不僅要考慮符合群塔作業標準，塔式起重機在附墻前還應有安全的自由獨立高度。

圖11 周邊建筑物高度示意(單位：m)

綜合考慮周邊建筑物、項目單體建筑、車道、基坑支撐體系的分布情況，經濟效益，狹小場內環境、材料吊重需求，工期要求等因素，在場內東、西兩側分別布置獨立高度達到60.7m的2臺7020型塔式起重機，并采用高樁承臺形式(見圖12)，在滿足安全性的前提下提高施工效率。

圖12 塔式起重機與結構關系示意

5.2 合理的場內空間擴展

項目場地圍墻按武漢市城市管理要求設置5m高格構式綠植圍擋后，基坑周邊局部區域甚至無法允許人員通行，這給開挖后的基坑施工帶來較大難度。經設計計算，合理施作鋼筋混凝土擋墻和砌體擋墻(見圖13)，擋墻構造視擋墻周邊區域荷載而定，有效提高場地面積572m×1.2m=686.4m2，擴大了空間，較大限度緩解了本項目深基坑施工過程中嚴重的場地不足問題。

圖13 冠梁上增設擋墻示意

5.3 靈活平面布置

常規基坑的地下室施工階段一般只進行一次平面布置，盡量避免二次轉移以降低由此導致的時間浪費和成本增加。基坑內邊線距圍墻大部分為3m左右，且建筑地上部分外挑，場外四面環路，處于人流密集的鬧市區，道路兩側臨時停車情況嚴重，僅銘新街側道路可服務于項目生產。

本項目以高層8號樓的施工為關鍵線路，施工組織和平面布置隨現場進度適時調整。根據不同施工階段，實行動態平面布置，最大限度地提高場地利用率，減少勞務轉場次數，為項目的高效、有序流水施工提供了有力保障。在辦公場地方面，提前施工7號樓北側局部支護樁、冠梁、擋土墻，從而形成長21m、寬7.8m的區域以容納4間板房，解決了現場施工人員的辦公問題。在功能性場地方面，充分利用北側2個大門寬度約7.7m的空間和4區支撐體系的面積，靈活設置加工廠、堆放區、車輛停靠點等功能區域，以“時間換空間”的方式，延后非關鍵線路B5區的地下室施工，從而相對高效地完成了項目在狹小場地中的深基坑施工。

6 土方開挖方式

由于本項目基坑降水井、格構柱較密集，且局部基坑凈寬非常小(約20m)，若運土車輛下坑，將存在較大操作難度和安全風險。

基坑開挖分為2個施工階段，第1階段為冠梁工作面的土方開挖，開挖至冠梁及局部腰梁墊層底面標高(-2.600m)，冠梁外側以SMW工法樁邊形成區域為開挖面，冠梁內側按60°的放坡比例向下進行開挖，并保證0.8m以上的施工空間。第2階段開挖為整個基坑范圍內支撐底部(-2.600m)至底板墊層底部(-10.550m)，開挖深度為7.95m，分4層開挖厚度均為1.9m，并預留350mm土層由人工清除。開挖土體分為內支撐梁下部區域內土方及冠梁、角撐與對撐所圍成的無內支撐區域內土方。此次開挖必須在冠梁及內支撐混凝土強度達到100%后方可進行開挖。

A，B區東、西兩端同時開挖，逐漸向2號門收尾。首先角撐下土方掏挖，由角撐內向基坑中間擴散，直至退挖至角撐外。角撐外土方可采用傳統的階梯式開挖方式退挖至基坑中部集中外運區域。土方開挖順序與4.3節中地下室施工組織順序保持一致。在基坑內修筑1條臨時出土坡道，寬6.0m，在支撐梁面標高以上鋪設至少500mm厚磚渣，并滿鋪鋼板，運土車輛在鋼板上行走，道路兩側臨邊按 1∶2 放坡(見圖14)。

圖14 土方開挖示意(單位：m)

7 拆撐方式選擇

基坑周邊敏感單位多，緊鄰密集的居民區，且工期緊。因此，在拆撐方式選擇上需將噪聲、揚塵、施工效率放在重要位置考慮。經認真比選，最終決定采用“繩鋸+混凝土塊即時外運”的拆撐方案。在拆撐前、過程中密切關注基坑周圍異動和監測數據，最終完成高效、安全、綠色、低成本的拆撐工作，為地下室施工創造了良好條件。

拆撐起重機架設點位于1，2號門處，起重機未覆蓋部位采用叉車轉運方式轉移混凝土塊至吊裝區域內。叉車行走時樓板下支撐架體不拆除，行走路線上鋪設鋼板。結合科學的設計荷載驗算確定混凝土塊自重，進而控制切割混凝土塊尺寸。本項目切割混凝土塊質量≤3t，混凝土密度2.5t/m3，即最長切割尺寸控制在3.3m(600mm×600mm)，1.5m(800mm×1 000mm)，1.875m(800mm×800mm)。

8 結語

老通城文化風情街項目通過多層次灰色評價方法建立的多方案優選模型，得到評價指標的權重客觀合理，有效指導了深基坑支護方案的評價研究工作。按優選的支護方案及設計施工一體化原則，提出合理的支護體系分區和科學的施工組織策劃，根據現場實際情況進一步完善了內外雙重約束下深基坑的支護體系設計，在深基坑設計和施工方面取得顯著效果。