軟土復雜環境條件某主變電站深基坑設計

呂琦

（上海市地礦工程勘察（集團）有限公司，上海 200072）

0 引言

隨著上海城市規模的不斷擴大，深基坑工程［1，2］越來越多，周邊環境也越來越復雜，基坑周邊往往鄰近大量建構筑物、城市干道及市政管線等［3，4］。而上海屬于典型的軟土地區，第四紀沉積物深厚且土層軟弱，同時地下水位較高，并伴有潛水、微承壓水、承壓水等多層地下水分布，因此上海地區的深基坑開挖存在較大的難度和挑戰［5］。

文中以上海軌道交通14號線某地鐵站110kV主變電站項目深基坑工程為背景，介紹位于軟土地區復雜環境條件下深基坑工程的設計思路與設計要點。

1 工程概況

1.1 基坑概況

項目位于上海市浦東新區，地下主體結構為全地下現澆鋼筋混凝土結構，地上主體結構為1層變電房。工程±0.000相當于絕對標高4.450，自然地坪設計絕對標高為3.950，即相對標高為-0.500。基坑東西寬約37m，南北向長約73m，面積約為2672.4m2，總延長米約為215.8m，基坑形狀較為規則；地下室底板面標高-18.900，底板厚度1300mm，墊層厚度300mm，普遍開挖深度為20m，屬于深基坑工程。

1.2 周邊環境

擬建場地位于浦東新區羅山路以西、昌邑路以南地塊，場地周邊均為已建道路及已有建（構）筑物，且距離較近，周邊環境條件復雜見圖1。

圖1 基坑周邊環境圖

（1）基坑東側開挖邊線距離用地紅線約10.2m，紅線外為羅山路，道路寬約38m，道路下埋設有電信、燃氣、上水等市政管線，距離基坑邊線13.5～48.8m。羅山路上方為內環高架路-楊浦大橋見圖2所示，楊浦大橋邊線與基坑邊線的最近距離約為23.7m，該大橋已建成21年，上部結構形式為連續簡支T梁，下部結構橋墩采用雙柱式或三柱式蓋梁的結構形式。位于工程東側的主要為EK1墩、EK2墩和EK3墩，EK1墩、EK2墩采用預制方樁（0.4×0.4）承臺基礎，樁長30m，持力層為⑦1-1層；EK3墩采用鉆孔灌注樁（D=1.0）承臺基礎，樁長44m，持力層為⑦2層。

（2）基坑南側開挖邊線距離用地紅線約13.3m，紅線外為浦東大道，道路寬約30.0m，道路兩旁埋設有上水管，距離基坑邊線最近約23.3m。浦東大道道路下為已建成地鐵站，車站采用地連墻的圍護形式，樁基礎采用800mm灌注樁，車站目前已施工完成，車站外墻線與基坑邊線的最近距離約為20.60m，車站本體與工程之間有附屬設施連接，工程施工階段該車站尚未投入使用，附屬設施與工程圍護結構部分公用，且圍護體同時施工，待主體結構出±0.000方開挖車站附屬設施區域。

（3）基坑西側開挖邊線距離用地紅線約4.5m，紅線外為龍珠廣場，其中龍珠廣場下部設2層地下室，基底埋深約9m，上部設4層商業裙房及2個主塔樓-龍珠商務樓及龍珠公寓見圖3，龍珠商務樓為24層，龍珠公寓為28層，主體結構為框架結構，基礎形式為樁基礎，樁基采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，其中塔樓區域下部樁徑為800，樁長39.5m；裙房區域下部樁徑為600，樁長24.5m。龍珠廣場圍護體外邊線與基坑邊線的最近距離約為8.50m，地下室外墻線與基坑邊線的最近距離約為11.80m。龍珠廣場與工程之間埋設有電信、燃氣等多種市政管線，距離工程基坑邊線8.3～11.9m。

圖3 西側龍珠廣場

（4）基坑北側開挖邊線距離用地紅線約5.4m，紅線外為昌邑路，道路寬約16.0m。昌邑路下埋設有電信、電力、燃氣、上水等市政管線，距離工程基坑邊線3.9～25.5m。

2 工程地質與水文地質

（1）擬建位于長江三角洲入海口東南前緣，屬三角洲沖擊平原，地貌形態單一。場地地勢較為平坦，無明浜等地表水體分布，地面標高在3.88～4.00m之間。

（2）基坑開挖深度范圍內主要影響的土層有①1層雜填土、②層粉質粘土、③層淤泥質粉質粘土、④層淤泥質粘土、⑤1層粉質粘土、⑥層粉質粘土、⑦1-1層砂質粉土、⑦1-2層粉砂、⑦2層粉砂；①1層雜填土結構較松散且土質不均；③層淤泥質粉質粘土及④層淤泥質粘土呈流塑狀態，具有高含水量、高壓縮性、高靈敏度、低強度等特征，為上海地區典型的軟弱土層，易受擾動變形。基坑施工過程中易引起基坑周圍土體發生較大的沉降、側移以及基坑坑底隆起，進而導致基坑周邊鄰近建（構）筑物、道路和地下管網產生較大變形，影響其安全和正常使用，對基坑工程影響較大。土層主要物理力學性能參數見表1［6］。

表1 土層主要物理力學性能參數

（3）擬建場地地下水類型主要為淺部土層的潛水和深部粉（砂）土層中的承壓水。潛水主要受大氣降水及地表逕流補給，水位呈季節性變化，地下水高水位埋深按地表下0.5m考慮，低水位埋深按地表下1.5m考慮。承壓水分布在⑦層砂質粉土、粉砂中，承壓水含水層水位年呈周期性變化，承壓水水位埋深的變化幅度一般在3.0～12.0m；場地內⑦層最淺層面埋深30.7m，承壓水水頭埋深按3.00m考慮，根據計算，抗突涌安全系數Ks=0.7，基坑存在突涌可能。

3 支護方案設計

3.1 工程特點與難點

（1）工程基坑開挖深度大，會引起土體較大變形；且基底以上開挖涉及的土層主要為深厚軟弱粘性土，若不及時支撐，其流變特性會使變形更大。

（2）工程場地周邊環境復雜，四周分布已建道路、建（構）筑物及多種重要市政管線等，位于基坑1～3倍開挖深度影響范圍內，保護要求高。

（3）工程存在承壓水突涌的可能，需設置減壓降水井，但由于⑦層承壓含水層厚度大，圍護墻不能隔斷承壓水水力聯系，基坑減壓降水過程中需注意采取措施減小對鄰近內環高架、道路、地下管線及已有建（構）筑物的影響。

根據工程的開挖深度、工程地質及水文地質條件、周邊環境條件等，按照上海市工程建設規范DG/TJ 08-61-2010《基坑工程技術規范》及SZ-08-2000《上海地鐵基坑工程施工規程》，基坑安全等級為一級，環境保護等級為一級［7，8］。

3.2 基坑支護方案

3.2.1 圍護體系設計

針對工程的基坑開挖深度、面積、場地內的土層地質及周邊環境等實際情況，在安全、合理、經濟、可行的基本原則下，確定工程采用順作法施工，基坑圍護設計方案采用“兩墻合一”地下連續墻［9］結合四道鋼筋混凝土水平支撐的形式，支護剖面圖見圖4。

圖4 基坑支護剖面圖（單位：mm）

圍護墻采用1.0m厚地下連續墻，地下連續墻混凝土設計強度等級為水下C35，抗滲等級P8，地墻有效長度48.0m，其中地墻-36.500～-48.750段采用構造配筋，樁端進入⑦2粉砂層。為加強止水，兩幅地墻之間采用十字鋼板接頭連接。鋼筋混凝土支撐體系采用邊桁架結合角、對撐的布置形式，第一道支撐混凝土設計強度等級為C30，第二道支撐混凝土設計強度等級為C35，第三、四道支撐混凝土設計強度等級為C40。為便于施工，提高出土效率，第一道支撐中部對撐區域設置施工棧橋。具體支撐布置形式見圖5，桿件參數見表2。

圖5 第一道支撐平面布置

表2 支撐桿件參數

由于第四道支撐拆除之后，第三道支撐與底板面之間的距離為7.5m，跨度較大，易產生較大的變形，因此在底板周邊利用內襯墻設置上翻鋼筋混凝土牛腿進行換撐，以減小拆撐后的跨度，控制圍護變形量。

3.2.2 地基加固方案

由于基坑開挖面位于軟弱粘性土層中，施工過程中土層受到擾動后易產生較大變形，影響周邊環境安全。為控制基坑變形，坑內被動區采用三軸水泥土攪拌樁進行裙邊加固，加固寬度6.05m，水泥摻量：-1.300～-20.500標高范圍水泥摻量為12%，-20.500～-24.000標高水泥摻量20%。加固樁與地墻之間空隙采用800@500高壓旋噴樁填充，高壓旋噴樁有效樁長22.70m。所有加固體在基坑開挖時，28d無側限抗壓強度須不低于1.0MPa。

3.2.3 基坑降水方案

工程需要處理的地下水為潛水和承壓水。潛水賦存于淺部土層中，采用真空深井進行疏干。通過疏干淺部土層中的潛水，特別是對第③層和第④層淤泥質粘性土體的疏干，可以減少坑內土體含水量，提高土體穩定性，防止土體在開挖過程中發生縱向滑坡，方便挖掘機和工人在坑內施工，提高施工效率；同時可以提高坑內土體抗力，從而減少坑底隆起和圍護結構的變形量，防止坑外地表過量沉降。

承壓水分布在⑦層砂質粉土、粉砂中，采用降壓井進行減壓降水以確保基坑施工過程中的抗突涌穩定性，保證基坑開挖的安全。承壓降水遵循“按需降壓”的原則，在降水運行過程中隨開挖深度逐步降低水頭，控制承壓水頭與上覆土壓力滿足基坑穩定性要求，降低降水對周圍環境的影響。由于工程基坑周邊環境保護要求較高，且地下連續墻未隔斷承壓含水層，在基坑周邊間隔10m設置一口回灌井，并遵循“按需回灌”的原則進行回灌，保證坑外建（構）筑物不發生較大沉降。

4 實施效果分析

工程在實施過程中，對基坑和周邊環境進行了全面監測，包含圍護墻體位移、支撐軸力、周邊地表沉降、周邊管線變形、鄰近建（構）筑物、地下水位等。其中沿圍護墻周邊共布置17個測斜點，測斜點Q1～Q3位于基坑北側，測斜點Q4～Q8位于基坑東側，測斜點Q9～Q11位于基坑南側，測斜點Q12～Q17位于基坑西側。根據監測數據，基坑開挖至基底時，圍護墻體各測斜點位移最大值在25～31mm之間，位移量最大處基本上位于樁身17～18m處，位移量最大值及圍護墻體變形曲線與同濟啟明星深基坑支擋結構設計計算軟件計算結果基本一致見圖6。另外，由監測數據可以看出，基坑東側變形大于其他三側變形，分析原因是由于東側設置了施工道路和材料堆場，且距離基坑較近，導致該側在車輛動載和材料堆載作用下發生較大變形，因此在施工過程中應盡量控制周邊荷載的大小以及與基坑之間的距離，避免對基坑造成不利影響。

圖6 圍護墻側向計算位移與監測數據對比

每道支撐設置8個支撐軸力監測點，根據支撐軸力監測結果，第一道支撐最大軸力監測值約為3280kN，小于軸力監測報警值6400kN；第二道支撐最大軸力監測值約為9650kN，略小于軸力監測報警值10500kN；第三道支撐最大軸力監測值約為13162kN，接近軸力監測報警值13200kN；第四道支撐最大軸力監測值約為13137kN，接近軸力監測報警值13200kN。工程支撐桿件截面選取較為合理，支撐體系實施效果較好。另外，通過對基坑開始挖土至底板澆筑完成階段兩組支撐軸力監測點ZLi-4和ZLi-5（i代表第i道支撐，監測點位見圖5）的軸力監測值進行分析可見，在此期間每道支撐軸力基本呈增長趨勢，且每道支撐軸力在其下方土體開挖期間增長速率較快，待其下方一道支撐形成并受力后該道支撐軸力趨于平穩見圖7、圖8。同時由圖7、圖8還可以看出，第一道支撐～第四道支撐軸力在土方開挖階段的增長速率由小變大，分析原因是由于第一道支撐至第四道支撐下方土體開挖量逐層減小致使每道支撐下土體開挖完成時間減短，支撐完全受力過程加快。

圖7 監測點ZLi-4支撐軸力變化歷時曲線

圖8 監測點ZLi-5支撐軸力變化歷時曲線

工程周邊布設5組地表沉降監測斷面，每組沉降監測斷面設置3～5個沉降監測點，沉降監測點由基坑邊2m開始布置，然后依次間隔5、10、10、15m布設。根據監測數據，地表沉降最大值約18～30mm見圖9，其中東側地表沉降大于其他側地表沉降，分析原因是由于東側鄰近施工道路和材料堆場所致。另外，根據監測數據可知，位于一倍基坑開挖范圍內的地表沉降較大，一倍范圍之外的地表沉降逐漸減小。

圖9 地表沉降監測數據曲線

龍珠廣場周邊布置了14個沉降監測點，其中靠近基坑側的8個房屋沉降監測點下沉了約2～3.5mm，遠離基坑的6個房屋沉降監測點上升了約1.5～3.5mm，均小于監測報警值20mm；房屋傾斜率0.46‰～0.99‰，小于監測報警值1‰。

根據楊浦大橋管理部門委托的第三方監測單位提供的數據，工程施工期間楊浦大橋橋墩沉降累計最大值為7.00mm，承臺沉降累計最大值為8.44mm，均小于監測報警值20mm；承臺水平位移累計最大值為1.94mm，小于監測報警值3mm。楊浦大橋作為上海內環高速架路的組成部分，是連接楊浦區與浦東區的重要通道，確保楊浦大橋的安全運營具有十分重要的社會意義。

周邊煤氣管線布置了M01～M14共14個監測點，監測點累計沉降普遍在10mm左右。北側M02點達到22mm左右，分析原因是由于北側昌邑路為施工車輛進出施工場地的主要通道且M02點臨近場地出入口，施工車輛長期碾壓所致；但該點與其相鄰兩點的差異沉降量小于0.3% Lg（Lg為管節長度），該段煤氣管線整體沉降較均勻，且現場未發現管道破損、泄漏等情況，總體處于安全可控狀態。另外，周邊上水管布置了S01～S05共5個監測點，上水管累計沉降值在2.5～7.5mm；電力管線布置了DL01～DL05共5個監測點，其累計沉降值在1.5～10.0mm；信息管線布置了××01～××17共17個監測點，其累計沉降值普遍在3.0～10.0mm，僅××10與××14超過10mm，最大值為14.09mm，略大于監測報警值。

坑外地下水位共設置了4個監測點，水位變化量為-275～-752mm，坑外水位變化較小。

總體來講，工程圍護墻體的實際變形量與理論計算值較為吻合，除東側變形略大于報警值外，其他側變形均小于監測報警值。而且在項目實施過程中，周邊的地表沉降、地下管線及鄰近建（構）筑物等未出現大量報警，周邊環境得到很好地保護，取得了良好的社會效益。這取決于合理的設計方案以及項目實施過程中采取的有效應對措施。

5 結語

文中通過對項目基坑支護方案以及實施效果的介紹，闡明了軟土地區復雜環境條件下深基坑工程的設計思路和需注意的要點。

（1）對于工程地質差、周邊環境復雜、開挖深度深的基坑工程，應注意支護體系的選型，可采用多種措施聯合的方式控制基坑變形，保護周邊環境。如采用剛度較大且整體性較好的地下連續墻結合混凝土支撐的支護體系；對坑內被動區土體進行加固以提高土體強度，增大被動區土體抗力；在底板設置上翻牛腿換撐以控制拆撐階段的圍護墻跨度。

（2）軟土地區基坑降水往往對工程的安全、進度以及周邊環境有較大影響，基坑工程實施過程中應做好止水、降水及回灌等工作。地墻之間可采用剛性接頭連接以加強止水、減少滲漏風險；同時，適當加長地下連續墻嵌固深度以增加地下水繞流路徑；周邊環境復雜時可在基坑周邊設置回灌井，當坑外地下水位下降較大時通過采用回灌措施保證坑外不發生較大沉降。

（3）施工過程中應注意控制基坑周邊堆載及施工車輛行駛路線，盡量遠離基坑布置，以減小對基坑及周邊環境的影響。

目前項目已順利竣工，項目實施過程中不僅確保了基坑安全，也很好地保護了周邊環境，工程的成功實施以及從中總結的經驗可為類似項目的設計與施工提供參考。