復(fù)雜周邊環(huán)境下的深基坑設(shè)計方案比選

孫海忠

(上海巖土工程勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200070)

0 引言

地下建筑是一種結(jié)構(gòu)空間取代巖土空間的工程活動，深基坑支護成了實現(xiàn)這一工程活動的重要技術(shù)手段。隨著時代的發(fā)展，舊城改造項目越來越多，深基坑的開挖深度越來越大，基坑周邊環(huán)境越來越復(fù)雜，環(huán)境保護等級也越來越高。如果支護方案選擇不當(dāng)或者施工中稍有不慎都會引起周邊緊鄰原有建筑物的開裂、變形、傾斜，造成重大經(jīng)濟損失。因此，如何選擇既安全可靠又經(jīng)濟合理的基坑支護方案，具有現(xiàn)實意義［1-3］。許多學(xué)者對復(fù)雜周邊環(huán)境下基坑方案進行了研究:姜艷紅［4］針對某不規(guī)則地鐵基坑的支護方案進行了優(yōu)化選擇;郭建君［5］從施工角度對復(fù)雜周邊環(huán)境條件下的深基坑支護問題進行了探討。

本文以位于上海市外灘歷史文化風(fēng)貌保護區(qū)的外灘源項目為例，從支護方案選擇及施工的角度分析深基坑支護的安全問題，并提出解決辦法。

1 工程概況

1．1 工程簡介

本工程位于上海市外灘歷史文化風(fēng)貌保護區(qū)的核心地塊，是外灘“萬國建筑博覽”的北端起點，工程設(shè)計以“重現(xiàn)風(fēng)貌、重塑功能”為宗旨，通過對地塊內(nèi)眾多保護建筑、歷史保留建筑的修繕和保護，以及新建筑和歷史建筑的整合，形成和諧的有機體再現(xiàn)外灘風(fēng)貌。

本次新建4號樓為21層(總高60 m)商業(yè)和辦公樓，是在保留已有美豐洋行靠北京東路和圓明園路兩側(cè)外墻基礎(chǔ)上改建而成。本工程±0．000相當(dāng)于絕對標(biāo)高+2．450 m，自然地面標(biāo)高為+3．000 m，基坑周長102 m，面積為600 m2，基坑開挖深度為8．55 m。

1．2 施工現(xiàn)場周邊環(huán)境

基坑北側(cè)西半部分緊鄰已建3號地下室(挖深13．3 m)，基坑需開挖到3號外墻外邊線。北側(cè)東半部分基坑內(nèi)邊線距離安培洋行(已采用錨桿靜壓樁加固)最近距離約3．58 m;基坑?xùn)|側(cè)內(nèi)邊線距離該側(cè)保護外墻最近距離4．1 m，距離外墻保護鋼架最近距離2．3 m;基坑南側(cè)內(nèi)邊線距離該側(cè)保護外墻最近距離4．4 m，距離外墻保護鋼架最近距離2．6 m?；游鱾?cè)內(nèi)邊線距離中實大樓最近距離約2．46 m，圍護樁外側(cè)幾乎緊貼中實大樓已有工程樁。

基坑周圍各建筑物所在方位如圖1所示，基坑周邊建筑物信息如表1所示。

根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范DG/T J08-61-2010基坑工程技術(shù)規(guī)范［6］，本基坑工程安全等級為二級，環(huán)境保護等級為一級。

1．3 工程地質(zhì)條件

根據(jù)《巖土工程勘察報告》，本工程場地屬典型的濱海平原相地貌，地層形態(tài)單一。第①層填土，系近期人工堆填，上部以雜填土為主，局部含混凝土地基、碎石、碎磚等雜物，土性不均勻，該層土最大厚度達到3．70 m;第②1層灰黃色粉質(zhì)粘土，土質(zhì)不均勻;第②3層灰色粘質(zhì)粉土，夾薄層粘性土，局部夾砂質(zhì)粉土，該層土滲透系數(shù)較大，比貫入阻力平均值為 2．24 MPa，最大值為3．13 MPa，圍護結(jié)構(gòu)在該層中施工時應(yīng)注意采取合理措施確保施工質(zhì)量，如合理控制水泥摻量及鉆頭的提升、攪拌速度等，避免降水及土方開挖過程中出現(xiàn)滲漏、流砂等現(xiàn)象，對周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響;第④層灰色淤泥質(zhì)粘土，夾少量薄層粉砂?；拥撞课挥谠搶?，該層土靈敏度較高，具有觸變性和流變性，坑底容易產(chǎn)生回彈和隆起變形，對基坑變形控制較為不利，應(yīng)采取坑內(nèi)加固，增加墊層厚度，及時澆筑墊層等技術(shù)措施減小對坑底土的擾動;第⑤1層灰色粉質(zhì)粘土;第⑤3層灰色粉質(zhì)粘土夾粉砂;第⑤4層灰綠—深灰色粉質(zhì)粘土，該層厚度較薄，僅局部分布;第⑦層灰色砂質(zhì)粉土，局部夾薄層粘質(zhì)粉土、粉砂及粘性土，土質(zhì)不均勻。

圖1 4號基坑周圍環(huán)境

表1 基坑周圍建筑物綜合信息表

本場地淺部地下水屬潛水類型，主要補給來源為大氣降水、地表徑流?；訃o設(shè)計時地下水位按地面下0．5 m考慮。

2 基坑支護設(shè)計分析

2．1 工程難點分析

1)工程位于市區(qū)，施工場地狹小，圍護結(jié)構(gòu)選型需考慮周邊已有保護建筑物、兩片保留外墻、外墻保護鋼架以及地下室與保護外墻之間的工程樁，圍護結(jié)構(gòu)允許占用的工作面緊湊，圍護方案的選型受到極大限制。

2)基坑平面尺寸不大，長33．2 m，寬17．9 m，較小的平面尺寸對變形控制相對有利。

3)周邊有兩棟保護建筑、一棟保留建筑和一棟局部外墻保留建筑，上述建筑物對基坑圍護施工引起的變形控制要求較高。

4)上海屬軟土地區(qū)，本工程基坑開挖深度內(nèi)均以軟弱的粘性土為主，變形控制難度大，基坑圍護成本較高。

2．2 圍護形式選型

本基坑周圍的環(huán)境條件極其復(fù)雜，對圍護結(jié)構(gòu)自身變形以及周邊環(huán)境產(chǎn)生的附加變形控制要求較高，同時本工程地下空間較為緊湊，基坑圍護結(jié)構(gòu)在確保工程安全的前提下需盡量少占用空間。為確?；訃o結(jié)構(gòu)及周邊各保護建筑物的安全，基坑圍護結(jié)構(gòu)必須選擇一種能確保安全、有成熟設(shè)計與施工經(jīng)驗的基坑圍護方案。

由于本工程施工場地狹小，需考慮施工設(shè)備與外墻保護鋼架之間的施工凈距限制，主要空間因素為:東側(cè)基坑內(nèi)邊線距離保護鋼架凈距2 300 mm;南側(cè)基坑內(nèi)邊線距離保護鋼架凈距2 596 mm，西側(cè)基坑內(nèi)邊線距離中實大樓凈距2 460 mm。圍護方案的選擇需同時滿足上述三邊的施工可行性。

以下對可供選擇的圍護形式逐一進行比較分析，以便確定較為合理的圍護形式。

1)咬合樁。

根據(jù)施工單位考察情況，咬合樁最小施工直徑1 000 mm，施工操作面最小需要1 800 mm(東、西側(cè))/2 200 mm(南側(cè)，樁中心至外墻保護鋼架，考慮轉(zhuǎn)角樁施工，兩邊操作面有所區(qū)別)，則機械施工空間+圍護結(jié)構(gòu)寬度=1 800/2 200+1 000/2=2 300/2 700 mm，基坑?xùn)|、西兩側(cè)均滿足施工距離要求，南側(cè)施工距離(主要為基坑轉(zhuǎn)角處)不滿足要求。此外由于地下構(gòu)筑物的存在，采用其他施工工藝需進行專項清障，考慮到清障難度大、靠近保護鋼架距離近，有一定風(fēng)險性，如果采用咬合樁方案可不進行專項清障。

因此，考慮東側(cè)以及西側(cè)地下構(gòu)筑物區(qū)域采用咬合樁方案(由于場地狹小，咬合樁每天只能施工1根，若全部采用咬合樁，除轉(zhuǎn)角部位無法解決外，工期也無法滿足要求)。

2)雙排三軸水泥土攪拌樁套打灌注樁。

灌注樁直徑采用850 mm，雙排3φ850@1 200三軸水泥土攪拌樁寬度1 500，三軸攪拌樁外緣與外墻保護鋼架凈距控制700 mm，則機械施工空間 +圍護結(jié)構(gòu)寬度 =700+1 500=2 200 mm，此方案技術(shù)上總體可行。但是對于基坑轉(zhuǎn)角區(qū)域，部分三軸攪拌樁無法施工，需采用高壓旋噴樁代替。

因此，三軸水泥土攪拌樁套打灌注樁方案總體可行。

3)鉆孔灌注樁擋土+三軸攪拌樁止水。

灌注樁直徑采用850 mm，止水采用3φ850@1 200三軸水泥土攪拌樁，灌注樁與攪拌樁凈距控制在150 mm，三軸攪拌樁外緣與外墻保護鋼架凈距控制在700 mm，則機械施工空間+圍護結(jié)構(gòu)寬度=700+(850+150+850)=2 550 mm?；?xùn)|、西兩側(cè)不滿足施工距離要求。

因此，鉆孔灌注樁擋土+三軸攪拌樁止水方案不滿足要求。

4)SMW工法。

采用3φ850@1 200三軸水泥土攪拌樁內(nèi)插H700×300型鋼，考慮到型鋼起吊因素，三軸攪拌樁外緣與外墻保護鋼架凈距控制在1 500 mm，則機械施工空間+圍護結(jié)構(gòu)寬度=1 500+850=2 350 mm。但是采用該方案在4號基坑場地內(nèi)無法設(shè)置型鋼堆放場地，而且型鋼無法拔除，圍護體剛度較鉆孔灌注樁小，且無經(jīng)濟性優(yōu)勢。

因此，不建議采用SMW工法樁方案。

5)地下連續(xù)墻。

采用600 mm厚地墻(兩墻合一)方案，內(nèi)外側(cè)采用3φ650@900三軸攪拌樁作為槽壁加固兼止水帷幕。三軸攪拌樁外緣與外墻保護鋼架凈距控制在700 mm，則機械施工空間+圍護結(jié)構(gòu)寬度=700+650+600=1 950 mm，施工距離可以滿足要求。此外，如考慮采用地下連續(xù)墻方案，4號基坑場地內(nèi)部不具備鋼筋籠加工條件，需借用3號基坑北側(cè)場地進行鋼筋籠加工后通過3號基坑頂板運至4號基坑，需考慮以下幾方面因素:

a．施工單位吊運鋼筋籠需配備150 t塔吊，3號基坑上部的逃生通道、泄爆口必須拆除，所有管線需重新翻排，經(jīng)過協(xié)調(diào)，拆除逃生通道和泄爆口無法通過審批。

b．為保護3號地下室，需要在其頂板頂部另設(shè)施工棧橋。

c．為確保塔吊運行，3號和4號基坑場地不能有高差，地面標(biāo)高需要按現(xiàn)有場地的最高標(biāo)高(3號基坑頂板頂部的施工棧橋)進行控制，從而也導(dǎo)致4號基坑導(dǎo)墻需要高出現(xiàn)有地面，施工單位認為高導(dǎo)墻方案有一定的風(fēng)險性。可見，在本工程中地下連續(xù)墻方案不可行。

經(jīng)綜合考慮，本工程擬采用如下圍護方案:雙排850三軸水泥土攪拌樁套打鉆孔灌注樁+咬合樁方案(局部利用已建3號基坑地下連續(xù)墻)+一道混凝土支撐+一道型鋼支撐。

2．3 圍護方案介紹

本圍護方案具體圍護形式如下:

1)擋土體系。

圍護體系一般區(qū)域采用雙排3φ850@1 200水泥土攪拌樁套打鉆孔灌注樁，攪拌樁長度18 m，鉆孔灌注樁一般區(qū)域采用φ850@1 050，長度20 m，基坑?xùn)|側(cè)及西側(cè)局部區(qū)域考慮到地下構(gòu)筑物清障問題，采用φ1 000@800咬合樁，長度20 m。具體平面布置如圖2所示。

圖2 基坑平面布置圖

2)止水帷幕。

雙排3φ850@1 200三軸水泥土攪拌樁兼做止水帷幕，局部轉(zhuǎn)角區(qū)域三軸水泥土攪拌樁無法施工，采用高壓旋噴樁代替，東側(cè)及西側(cè)局部區(qū)域咬合樁兼做止水帷幕。

3)支撐體系。

本工程設(shè)置兩道水平支撐，支撐桿件設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 支撐體系截面尺寸一覽表

支撐系統(tǒng)混凝土強度等級C30，棧橋平面布置見第一道支撐平面圖，如圖3所示，立柱共4根，直徑850 mm，長度20 m，坑底以上采用4L140×140×13×21鋼格構(gòu)柱，斷面尺寸480×480，長度9 m，格構(gòu)柱插入樁頂下2．5 m。

3 基坑監(jiān)測

本基坑處于市中心，施工場地狹小，周邊條件復(fù)雜，在基坑開挖過程中，采取信息化施工，對坑邊圍護樁頂進行了監(jiān)測，監(jiān)測點布置如圖3所示，監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

圖3 監(jiān)測點布置圖

圖4 基坑邊水平位移曲線

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，基坑圍護結(jié)構(gòu)水平位移均在預(yù)警值(15 mm)之內(nèi)。在基坑施工過程中，同時還進行了周邊建筑物的監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)也滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4 結(jié)語

在保護建筑眾多的老城區(qū)中心進行深基坑開挖，基坑周邊鄰近既有保護建筑及相關(guān)重要管線，這對基坑圍護設(shè)計、施工等參建單位帶來了挑戰(zhàn)。實踐表明，本案采取雙排850三軸水泥土攪拌樁套打鉆孔灌注樁結(jié)合咬合樁的圍護形式，在精心組織施工的條件下，有效地控制了基坑位移，確保了周邊建筑物的安全。

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