上海某水務(wù)工程超大超深雙基坑設(shè)計選型探析

柏 寧 （上海城投水務(wù)工程項目管理有限公司，上海 201103）

1 引言

上海某水務(wù)工程超大超深基坑，開挖面積35650m2，基坑開挖深度18.10m～26.00m，基坑工程安全等級為一級。基坑大面積開挖會引起坑內(nèi)土體卸載隆起“時空效應(yīng)”明顯，導(dǎo)致基坑周邊產(chǎn)生較大范圍的土體沉降及水平變形等一系列問題，圍繞著基坑支護結(jié)構(gòu)施工要求高、施工組織難度大、基坑分區(qū)施工工期較長、地下水控制難度高、周邊環(huán)境保護困難等設(shè)計、施工難題，在高水位軟土地基中開挖如此面積和深度的基坑工程，存在較大的風險性，需要合理選擇設(shè)計方案，確保基坑工程安全順利的實施。

2 基坑設(shè)計總體方案選擇

針對本工程的基坑面積及基坑開挖深度，根據(jù)目前上海地區(qū)在基坑工程方面的設(shè)計、施工經(jīng)驗和科研技術(shù)水平，基坑工程總體方案可考慮采用以下幾種。

2.1 “順作法”設(shè)計施工方案

“順作法”設(shè)計施工方案即采用傳統(tǒng)的板式圍護結(jié)構(gòu)+內(nèi)支撐的方案，其中板式圍護結(jié)構(gòu)可選取地下連續(xù)墻，內(nèi)支撐可選取鋼筋混凝土圍檁+支撐。“順作法”的優(yōu)點：施工工藝成熟，施工方式簡單、便捷。目前絕大部分基坑均采用此種支護形式。“順作法”的缺點：與逆作法相比，支撐剛度相對較小，變形控制能力較弱，對周邊環(huán)境影響可能較大。

2.2 “逆作法”設(shè)計施工方案

“逆作法”設(shè)計施工方案即考慮利用主體結(jié)構(gòu)的樓板體系作臨時挖土支撐系統(tǒng)，并在樓板上預(yù)留出土洞口，逆作法圍護結(jié)構(gòu)通常采用地下墻，且同時利用地下墻作為地下結(jié)構(gòu)的外墻，即“兩墻合一”，并利用地下結(jié)構(gòu)樓板作為內(nèi)支撐體系。“逆作法”的優(yōu)點：利用剛度較大的地下結(jié)構(gòu)樓板體系作為支撐，支撐體系剛度較大，圍護結(jié)構(gòu)及土體變形較小，更有利于保護環(huán)境安全；樓板施工完成后，可為施工提供作業(yè)場地，解決施工場地狹小的問題。“逆作法”的缺點：技術(shù)復(fù)雜，垂直結(jié)構(gòu)續(xù)接處理困難，接頭施工復(fù)雜；對施工要求高，例如對一柱一樁的定位和垂直度控制要求較高，立柱之間及立柱與地下墻之間差異沉降控制要求較高等；采用逆作暗挖，作業(yè)環(huán)境差，結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量易受影響；基坑支護設(shè)計需與主體結(jié)構(gòu)密切配合，需增加較多梁柱節(jié)點處理，基坑支護設(shè)計施工難度相對較高。選用逆作法，可節(jié)省部分臨時內(nèi)支撐體系的造價，降低能耗、節(jié)約資源，而且對周邊環(huán)境影響也相對較小，當必須考慮地上、地下結(jié)構(gòu)同步施工，或周邊環(huán)境變形控制要求較高時，可考慮采用逆作法。

2.3 “順、逆結(jié)合”設(shè)計施工方案

充分發(fā)揮“順作法”施工便捷和“逆作法”與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的優(yōu)勢，取長補短，結(jié)合工程自身特點而進行的組合方案。

2.4 基坑設(shè)計方案選擇

本工程頂板標高8.50m，底板頂標高-12.10m、-15.30m及-20.00m，頂、底板間并未布置樓板結(jié)構(gòu)，采用逆作法施工無法體現(xiàn)支撐剛度較大的優(yōu)點，而且“逆作法”、“順、逆結(jié)合”等方案基坑支護設(shè)計與主體結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)度高，“逆作法”節(jié)點設(shè)計復(fù)雜。根據(jù)基坑及主體結(jié)構(gòu)的特點，考慮采用傳統(tǒng)“順作法”施工方案。

3 基坑開挖方案選擇

針對本基坑的特點，超大、超深基坑的開挖，所面臨的主要問題是“時空效應(yīng)”較為明顯，坑底隆起量較大，基坑開挖引起的環(huán)境變形影響范圍廣，因此不建議采用一次整體開挖方案，現(xiàn)對分塊開挖方案進行比較。

3.1 二分區(qū)開挖方案

根據(jù)主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部布置的特點，將基坑平面劃分為南北兩個分區(qū)開挖，北區(qū)基坑開挖面積19120m2，南區(qū)基坑開挖面積16530m2，按先南區(qū)后北區(qū)的次序分兩次開挖，南區(qū)主體結(jié)構(gòu)出地面后，北區(qū)支護結(jié)構(gòu)方可允許開挖。

圖1 二分區(qū)開挖方案支撐平面布置簡圖

3.2 三分區(qū)開挖方案

為進一步減少“時空效應(yīng)”的影響，提高支撐剛度，控制基坑變形，提出將基坑平面劃分為西區(qū)、東北區(qū)、東南區(qū)三分區(qū)開挖的方案，單個基坑開挖面積控制在13000m2左右，按先東南區(qū)，再東北區(qū)，最后西區(qū)的次序分三次開挖，前一區(qū)主體結(jié)構(gòu)出地面后，后一區(qū)支護結(jié)構(gòu)方可允許開挖。

3.3 基坑開挖方案選擇

從基坑計算成果分析，二分區(qū)開挖方案及三分區(qū)開挖方案穩(wěn)定及變形驗算均能滿足規(guī)范要求，當然由于內(nèi)支撐剛度的不同，二分區(qū)開挖方案的地墻內(nèi)力及基坑變形量均較三分區(qū)開挖方案大。但根據(jù)初步估算，二分區(qū)開挖施工時的基坑工程施工總工期較三分區(qū)開挖施工時的基坑工程施工總工期可以節(jié)省約11個月。綜合考慮，基坑工程采用二分區(qū)開挖方案。

圖2 三分區(qū)開挖方案支撐平面布置簡圖

4 基坑圍護方案選擇

上海地區(qū)常規(guī)基坑圍護可采用的圍護方案有地下墻、SMW工法、灌注樁等，各種圍護方案的一般特點如表1所示。

基坑圍護方案比選表 表1

常用鋼筋混凝土支撐結(jié)構(gòu)體系比選表 表2

本工程鄰近存在多處重要水處理構(gòu)筑物，基坑本身變形控制及防水要求均較高，根據(jù)本工程的基坑面積、開挖深度等特點，考慮各種圍護結(jié)構(gòu)的適用性、環(huán)境影響情況，綜合考慮基坑圍護方案采用“地下墻”圍護方案。

5 基坑支撐結(jié)構(gòu)選擇

基坑支撐結(jié)構(gòu)選擇包括支撐材料的選擇、結(jié)構(gòu)體系的選擇以及支撐結(jié)構(gòu)的布置等內(nèi)容。從支撐材料上來說可分為鋼支撐、鋼筋混凝土支撐、鋼筋混凝土支撐與鋼支撐結(jié)合等形式。從結(jié)構(gòu)體系上來說可分為水平支撐體系和豎向拋撐體系。各種形式的支撐體系根據(jù)其材料特點具有不同的優(yōu)缺點和適用范圍。

5.1 鋼筋混凝土支撐的優(yōu)缺點

鋼筋混凝土支撐能有效加強支撐剛度，減少基坑變形，有利于環(huán)境保護，同時鋼筋混凝土支撐布置靈活，便于分塊施工，可以預(yù)留較大的出土空間，方便土方開挖，縮短工期。此外，鋼筋混凝土支撐與挖土棧橋相結(jié)合，可以進一步加快土方開挖的速度，方便施工，縮短工期。但由于各層鋼筋混凝土支撐的施工及養(yǎng)護均需要相當?shù)臅r間，總體來說，鋼筋混凝土支撐系統(tǒng)的施工工期較鋼支撐長。

5.2 鋼支撐的優(yōu)缺點

鋼支撐的最大優(yōu)點就是施工方便，安裝速度快，支撐拆除方便，但鋼支撐系統(tǒng)的支撐剛度較小，圍護體變形較大，而且對于長、大基坑，要確保整個支撐體系的整體性和平直度，對施工質(zhì)量要求較高。鋼支撐系統(tǒng)的平面適用性不強，當作為對撐時，受力明確，效果較好，但作為角撐時，受力效果較差。鋼支撐不適用于大面積基坑。

本工程基坑面積大，開挖深度深，變形控制要求高，為確保工程安全、順利地實施，選擇采用鋼筋混凝土邊桁架結(jié)合對、角撐的支撐結(jié)構(gòu)體系，鋼筋混凝土支撐的豎向道數(shù)根據(jù)穩(wěn)定及變形計算成果綜合確定，基坑平面分為南、北兩區(qū)，其中北區(qū)四道支撐，南區(qū)調(diào)蓄池部分四道支撐，南區(qū)泵房部分六道支撐。

圖3 南、北區(qū)支撐系統(tǒng)及棧橋三維布置簡圖

6 主體結(jié)構(gòu)與支護結(jié)構(gòu)結(jié)合方式選擇

本工程主體結(jié)構(gòu)主要功能比較簡單，即分為調(diào)蓄存水功能及泵房提升出水功能，主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部除貼近底板的水力渠道及拍門外，無其他設(shè)備布置，總體來說，主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部布置的自由度較高。結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮主體結(jié)構(gòu)及支護結(jié)構(gòu)的受力特點，在滿足主體結(jié)構(gòu)及支護結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、安全可靠的前提下，也考慮到減少拆換撐、降低能耗、節(jié)約資源、便利施工的原則，提出主體結(jié)構(gòu)與支護結(jié)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計方案。主體結(jié)構(gòu)與支護結(jié)構(gòu)結(jié)合方式選擇主要包括地下結(jié)構(gòu)外墻與圍護墻的結(jié)合方式選擇、地下結(jié)構(gòu)水平構(gòu)件與支撐結(jié)構(gòu)的結(jié)合方式選擇。

6.1 地下結(jié)構(gòu)外墻與圍護墻結(jié)合方式選擇

采用地下結(jié)構(gòu)外墻與圍護墻相結(jié)合（兩墻合一）的地下墻時，一般采用地下墻作為圍護結(jié)構(gòu)，地下墻結(jié)構(gòu)剛度大、整體性好、抗?jié)B能力良好，使用階段可直接承受主體結(jié)構(gòu)的垂直荷載，充分發(fā)揮其豎向承載能力，減小基礎(chǔ)地面地基附加應(yīng)力，無需再施工換撐板帶及回填土施工，“兩墻合一”的結(jié)合方式主要分為“單一墻”“分離墻”“復(fù)合墻”“疊合墻”等幾種。

6.1.1 單一墻

地下墻直接作為主體結(jié)構(gòu)外墻，既承受水平向水土壓力，通常還應(yīng)承受結(jié)構(gòu)豎向荷載，地下墻槽段間應(yīng)有較好的防滲性能，可在接縫位置設(shè)置結(jié)構(gòu)壁柱以增加防滲止水性能，也可在地下墻內(nèi)側(cè)設(shè)置磚砌內(nèi)墻，兩墻間設(shè)排水溝，“單一墻”以防、排結(jié)合原則為主。

6.1.2 分離墻

地下墻墻體應(yīng)滿足基坑開挖及永久使用兩種不同階段的水平受力和變形要求，主體結(jié)構(gòu)外墻僅承受豎向荷載，與“單一墻”類似，“分離墻”防水也以防、排結(jié)合原則為主，但“分離墻”型式也可轉(zhuǎn)換為在地下墻與結(jié)構(gòu)墻之間增設(shè)柔性防水層，結(jié)構(gòu)墻采用抗?jié)B混凝土澆筑，從而使主體結(jié)構(gòu)防水達到一級防水要求，以防為主。

6.1.3 復(fù)合墻

地下墻作為地下結(jié)構(gòu)外墻的一部分，以剛度分配的原則與內(nèi)襯墻共同承受水平荷載及變形，但二者間不傳遞豎向剪力，即地下墻不承受主體結(jié)構(gòu)豎向荷載，復(fù)合墻內(nèi)襯通常采用抗?jié)B混凝土澆筑，作為剛性防水層，地下墻與內(nèi)襯墻間通常設(shè)置1～2層柔性防水層，增強主體結(jié)構(gòu)抗?jié)B能力，從而使主體結(jié)構(gòu)達到一級防水的要求，結(jié)構(gòu)防水以防為主。

6.1.4 疊合墻

地下墻作為地下結(jié)構(gòu)外墻的一部分，與內(nèi)側(cè)設(shè)置的結(jié)構(gòu)內(nèi)襯墻共同承受水平荷載及豎向荷載，地下墻與結(jié)構(gòu)內(nèi)襯墻間需設(shè)置抗剪鋼筋及抗剪鍵，加強整體性，疊合墻的結(jié)構(gòu)內(nèi)襯墻采用抗?jié)B混凝土澆筑，結(jié)構(gòu)防水以防為主。

6.1.5 “兩墻合一”方案對比分析

①結(jié)構(gòu)豎向受力。“單一墻”“分離墻”“復(fù)合墻”方案中地下墻只全部或部分承受水平水土荷載，無法承受豎向荷載，而本工程調(diào)蓄池使用階段不同受力工況差異非常明顯，調(diào)蓄池內(nèi)水位變動幅度極大及頻率極高。受建設(shè)用地限制，調(diào)蓄池頂板上不同區(qū)域還要疊加種植土、粗格柵池、細格柵池、提升泵房上部建筑及變配電間、除臭設(shè)備基礎(chǔ)等建、構(gòu)筑物，與調(diào)蓄池滿水工況下的豎向荷載相疊加，調(diào)蓄池基礎(chǔ)底面壓力很大，需要考慮地下墻參與共同承受豎向荷載。而在調(diào)蓄池空池工況下，主體結(jié)構(gòu)的自重抗浮驗算又不能滿足規(guī)范要求，需要考慮地下墻、主體結(jié)構(gòu)、樁基共同承受豎向水浮力。因此，從結(jié)構(gòu)豎向受力的角度來說，選擇“疊合墻”方案顯得更為合理。

②結(jié)構(gòu)水平受力。“單一墻”與“分離墻”方案均僅由地下墻獨自承受施工階段及使用階段水平水土荷載，導(dǎo)致地下墻墻厚偏大，經(jīng)濟性不足，“復(fù)合墻”與“疊合墻”方案施工階段僅由地下墻承受水平水土荷載，使用階段由地下墻與內(nèi)襯墻共同承受水平水土荷載，地下墻墻厚可以相對減小，經(jīng)濟性較強。

③結(jié)構(gòu)防水。“單一墻”以防、排結(jié)合原則為主，防水效果一般。“分離墻”“復(fù)合墻”“疊合墻”在采取相應(yīng)措施后均能達到較好的防水效果。本工程防水等級為“二級”，“分離墻”“復(fù)合墻”“疊合墻”均能滿足要求。

6.1.6 “兩墻合一”方案選擇

綜合考慮，本工程基坑采用“兩墻合一”的“疊合墻”方案。地墻兩側(cè)采用Φ 850水泥土攪拌樁作為槽壁加固，攪拌樁樁底標高以隔斷3夾層灰色砂質(zhì)粉土為原則，槽段接縫采用MJS墻縫止水措施。由于地下墻作“兩墻合一”的“疊合墻”考慮，設(shè)計考慮對地下墻墻底作注漿加固，每幅地下墻綁扎鋼筋籠時均應(yīng)預(yù)埋三根注漿管，地下墻的墻身混凝土澆筑完畢并完成初凝后，通過低壓慢速的滲透注漿，對槽底沉渣進行充填處理，提高地下墻的墻身豎向承載力，減少與主體結(jié)構(gòu)間的差異沉降。本工程地下墻采用十字鋼板作為剛性接頭。

6.2 地下結(jié)構(gòu)水平構(gòu)件與支撐結(jié)構(gòu)結(jié)合方式選擇

本基坑采用鋼筋混凝土邊桁架結(jié)合對、角撐的支撐結(jié)構(gòu)體系，平面支撐體系設(shè)計時盡量考慮主體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部布置特點，爭取做到平面支撐體系桿件不影響主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)備布置，立柱位置不影響主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)備布置及水流流態(tài)，基坑平面支撐體系作為使用階段主體結(jié)構(gòu)水平框架的一部分，支撐系統(tǒng)的水平桿件的內(nèi)力及配筋設(shè)計時，同時考慮承受水平向水土壓力以及豎向結(jié)構(gòu)荷載，支撐系統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)柱外包鋼筋混凝土作為使用階段永久柱，在考慮承受基坑施工階段的豎向荷載的同時，也考慮承受使用階段的全部豎向荷載。

7 基坑坑底加固選擇

根據(jù)勘察資料中間成果揭示的土層分布，本工程基坑淺坑開挖面位于④淤泥質(zhì)粘土與⑤1層灰色粘土的交界面，基坑深坑開挖面位于⑤1層灰色粘土中，而⑤1層灰色粘土仍屬高壓縮性的軟塑土，含水量也較高。為控制基坑變形，對基坑坑底作加固處理，采用Φ800旋噴樁作裙邊加固，根據(jù)基坑開挖深度的不同，裙邊加固的寬度也作相應(yīng)調(diào)整，裙邊加固厚度為4m，南、北區(qū)坑底裙邊加固一次施工，分區(qū)開挖。

8 結(jié)語

本次設(shè)計選型最終確定了該超大超深基坑采用雙基坑設(shè)計，總體方案采用傳統(tǒng)“順作法”施工方案，土方開挖采用雙基坑分區(qū)開挖方案，圍護結(jié)構(gòu)采用“地下墻”圍護方案，支撐結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土邊桁架結(jié)合對、角撐支撐結(jié)構(gòu)體系，主體結(jié)構(gòu)與支護結(jié)構(gòu)相結(jié)合，其中“兩墻合一”采用“疊合墻”方案，坑底加固采用Φ 800旋噴樁裙邊加固等。根據(jù)工程實際，該雙基坑克服了軟土地基、地下水位高、施工場地小、周邊構(gòu)筑物保護要求高等困難，基坑安全監(jiān)測各項數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范設(shè)計要求。本次雙基坑設(shè)計選型的成功，為后續(xù)類似基坑設(shè)計選型提供了寶貴經(jīng)驗與參考。