基于環(huán)境保護的基坑工程設(shè)計與監(jiān)測分析

閻小明 黃 烯 徐佳煒

1. 青海省果洛州工程建設(shè)監(jiān)理公司 西寧 810001；2. 上海壹城建筑設(shè)計有限公司 上海 200232；3. 上海浙鐵綠城房地產(chǎn)開發(fā)有限公司 上海 200062

1 工程概況

1.1 基坑概況

背景工程位于上海市奉賢區(qū)，占地面積40 687.50 m2，基坑開挖面積32 760 m2，挖深7.85～8.35 m（局部8.95～9.15 m），如圖1所示。

圖1 基坑開挖深度示意

1.2 水文地質(zhì)條件

場地地層從上往下為：①1-1層雜填土、②層粉質(zhì)黏土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③夾層砂質(zhì)粉土、③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④1層淤泥質(zhì)黏土、④2層含黏性土粉砂、⑤層粉質(zhì)黏土、⑥層粉質(zhì)黏土、⑦1-1層黏質(zhì)粉土、⑦2層粉砂。

本場地地層起伏較大，西北區(qū)域分布有④2層灰色砂質(zhì)粉土，東側(cè)⑦1-1層砂質(zhì)粉土缺失，根據(jù)④2層及⑦1-1層的有無，可分為3個地質(zhì)分區(qū)。

2 基坑施工難點

1）開挖規(guī)模較大。

2）環(huán)境保護要求高：本基坑北側(cè)及東側(cè)為交通干道，其下埋設(shè)有市政管線。北側(cè)東段與待建軌交5號線延長段的車站相連，北側(cè)西段與電力管線距離小于1倍開挖深度；西側(cè)與富竹路下的通信管線距離小于1倍開挖深度；南側(cè)與小區(qū)住宅距離在2～3倍開挖深度之間，東南角地下室外墻距離煤氣管線8.60～9.90 m，因此這幾側(cè)均有一定的環(huán)境保護要求，基坑圍護需采取合適的措施，確保施工安全。

3）地層有起伏，地質(zhì)情況較復(fù)雜：

（1）本基坑開挖深度范圍內(nèi)存在③夾層，該層滲透系數(shù)較大，易產(chǎn)生流砂、管涌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

（2）第③、④層為淤泥質(zhì)軟土層，屬于飽和、流塑狀態(tài)。這層土抗剪強度低，靈敏度中-高，具有觸變性和流變性特點，且層厚較厚，對變形控制不利。

（3）場地西北部局部存在④2層，需考慮微承壓水對基坑的影響；東部深層⑦1-1層缺失；地層起伏較大。

4）業(yè)主的要求：地下室需整體開發(fā)；圍護結(jié)構(gòu)造價上盡可能經(jīng)濟；工期要求非常高。

3 基坑圍護設(shè)計方案

3.1 圍護樁設(shè)計

施工首道支撐時，表層卸土1.80 m，完成混凝土擋墻，并在墻后用好土回填。結(jié)合計算結(jié)果，采用φ850～950 mm的鉆孔灌注樁，考慮到對北側(cè)、東側(cè)道路市政管線及房屋的保護，相應(yīng)位置采用950 mm的樁徑，其余位置采用850 mm的樁徑；靠邊深坑處的樁徑、樁長適當(dāng)增加[1]。

3.2 止水樁設(shè)計

潛水：本基坑開挖范圍內(nèi)存在③夾層砂質(zhì)粉土，滲透系數(shù)較高，易產(chǎn)生流砂、管涌等不良地質(zhì)現(xiàn)象，因此對止水的可靠性要求較高。本方案設(shè)計攪拌樁進入坑底7 m以上，且樁端均插入滲透系數(shù)較低的④1層淤泥質(zhì)黏土層中。

（微）承壓水：擬建場地內(nèi)分布有上海市第一承壓含水層第⑦層，局部有微承壓水層④2層灰色砂質(zhì)粉土。計算表明，地質(zhì)分區(qū)1中坑底土體不滿足抗承壓水頭穩(wěn)定性要求，因此地質(zhì)分區(qū)1需考慮（微）承壓水控制，本方案設(shè)置隔水帷幕將分區(qū)1承壓水全部隔斷，并設(shè)置備用降壓井。

基坑典型剖面及支撐平面布置如圖2、圖3所示。

圖2 第1道支撐處圍護剖面示意

圖3 第1道支撐布置平面示意

3.3 坑底加固

為有效控制坑內(nèi)土體的深層變位，在坑內(nèi)沿圍護樁設(shè)置雙軸水泥土攪拌樁加固暗墩，中樓板至坑底采用低摻量水泥土攪拌樁加固。加固區(qū)域主要為：基坑開挖面中部、陽角位置，電梯井、集水井區(qū)域。

3.4 支撐系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)合本基坑形狀，南北向、東西向中部分別采用3組對撐，可較好地控制中部變形；4個角部采用角撐的形式，可形成較大的挖土空間。在2#樓、機房落深區(qū)域以及6#、7#樓區(qū)域，開挖深度為8.95～9.15 m，局部設(shè)置第2道支撐。典型剖面及支撐平面布置如圖4和圖5所示。南側(cè)的第2道支撐為開口支撐，未形成封閉圍檁，且設(shè)置有多跨角撐，圍檁和圍護樁之間剪力較大，因此對圍檁和圍護樁的連接節(jié)點進行了加強處理；另外第1道和第2道支撐不完全對齊，2道支撐局部增設(shè)了立柱[2,3]。

4 土方開挖部署及實施

本項目屬于深大基坑，土方量達2.79×105m3，如大面積同步開挖，將造成顯著的坑底回彈、周邊地表沉降。為保護周邊環(huán)境，本基坑首道支撐下的土方采用分區(qū)開挖的形式，以控制基坑單次暴露的面積。結(jié)合基坑的特點，總共分為3個區(qū)域（圖6），開挖順序為①→②→③，具體為：

圖4 局部2道支撐處圍護剖面示意

圖5 局部第2道支撐布置平面示意

圖6 分區(qū)開挖平面示意

1）卸土2.50 m，至首道支撐底標(biāo)高，澆筑支撐系統(tǒng)；

2）待支撐達到設(shè)計強度后，分層、分塊開挖①區(qū)土方至第2道支撐底標(biāo)高，澆筑第2道支撐；

3）待第2道支撐達到設(shè)計強度后，分層、分塊開挖①區(qū)土方至坑底標(biāo)高，澆筑墊層及底板；

4）分層、分塊開挖②區(qū)土方至坑底標(biāo)高，澆筑墊層及底板；

5）分層、分塊開挖③區(qū)至第2道支撐底標(biāo)高，澆筑第2道支撐；

6）待第2道支撐達到設(shè)計強度后，分層、分塊開挖③區(qū)土方至坑底標(biāo)高，澆筑墊層及底板；

7）待底板及傳力帶達到設(shè)計強度后，拆除局部第2道支撐；

8）向上施工B2層地下室及中樓板傳力帶，待中樓板及傳力帶達到設(shè)計強度后，拆除第1道支撐。

坑中臨時邊坡留設(shè)時，坡比小于1∶1.5，中間平臺寬度不小于3 m，并采用鋼絲網(wǎng)細石混凝土護坡。立柱樁應(yīng)避開斜坡面，但在開挖過程中，坡頂作為施工道路承受較大的車輛荷載，而坡面未經(jīng)固化處理，暴雨浸水后，出現(xiàn)了小范圍的滑坡，后采用鋼板樁在坡腳位置進行了加固，但開挖至坑底后，仍有部分工程樁樁頂出現(xiàn)了偏位。

5 監(jiān)測結(jié)果分析

5.1 測斜數(shù)據(jù)分析

圖7為北側(cè)03地塊1道支撐區(qū)（CX2）和南側(cè)05地塊2道支撐區(qū)（CX13）開挖至坑底標(biāo)高時，2個測斜點的監(jiān)測數(shù)據(jù)。這2個點的數(shù)據(jù)可作為本基坑圍護樁變形的代表值。首道支撐落低2.50 m，由于大面積卸土后，未及時澆筑支撐，且期間經(jīng)歷了臺風(fēng)暴雨，導(dǎo)致樁頂位移較大。部分區(qū)域開挖至坑底時，未及時澆筑墊層，坑底土暴露時間較長，也導(dǎo)致坑外地表有較明顯的沉降。墊層及底板完成后，變形得到有效控制。直至拆除首道支撐時，南側(cè)小區(qū)住宅樓的沉降監(jiān)測點大部分小于15 mm，距離基坑1～1.5倍開挖深度范圍的小區(qū)附屬建筑沉降略大，在30 mm左右。

圖7 測斜孔監(jiān)測數(shù)據(jù)

5.2 支撐軸力分析

圖8中2個監(jiān)測點ZL05和ZL18位于南側(cè)1道支撐區(qū)域南北向?qū)紊稀?013年12月10日，該區(qū)域開挖至基礎(chǔ)底標(biāo)高；2013年12月下旬至2014年1月上旬，陸續(xù)完成底板澆筑。由圖可見，隨著開挖深度的增加，支撐軸力不斷增大，且開挖至坑底后，仍在持續(xù)發(fā)展。底板完成后，支撐軸力逐漸穩(wěn)定。與計算值相比，支撐軸力普遍偏小，最大值為1 500 kN。綜合分析原因為：由于無支撐暴露時間長，圍護樁樁頂發(fā)生了一定的變形，圍護樁吸收了原本主要由支撐體系承擔(dān)的應(yīng)變能，故支撐完成后，其軸力會有所下降。

圖8 支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)

5.3 立柱豎向位移監(jiān)測分析

圖9為立柱豎向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，LZ06和 LZ19均位于南側(cè)1道支撐區(qū)域，其中LZ06位于邊桁架位置，LZ19接近基坑中心。由圖可知，立柱均表現(xiàn)為向上隆起，累計位移約10 mm，靠近基坑中心的LZ19累計位移量較LZ06略大。開挖至坑底標(biāo)高后，位移量逐日增加，即使底板完成后，仍有所發(fā)展，可以推斷，坑底隆起已進入塑性狀態(tài)。

圖9 立柱豎向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)

6 結(jié)語

就基坑自身安全和周邊環(huán)境而言，本項目實施過程較為順利，有幾點經(jīng)驗可供類似項目參考[4,5]：

1）基坑開挖過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照分層、分塊的原則，坑內(nèi)臨時邊坡應(yīng)滿足穩(wěn)定性要求，如作為臨時車道，必須進行加固處理，避免邊坡失穩(wěn)造成工程樁傾斜。工程樁糾偏不僅延長工期、增加投資，且使得基礎(chǔ)底板無法及時封閉，對基坑安全非常不利；

2）立柱作為水平支撐體系的豎向承載系統(tǒng)，是整個支護體系的核心構(gòu)件?；娱_挖時，應(yīng)特別注意對立柱的保護，立柱周邊的土方應(yīng)對稱、均勻開挖，避免立柱承受水平附加荷載；立柱周邊如出現(xiàn)臨時超挖的落深區(qū)，應(yīng)有加固措施；

3）深大基坑存在明顯的時空效應(yīng)，土體應(yīng)力松弛，徐變變形顯著，且風(fēng)險源較多，因此，開挖至支撐、基礎(chǔ)設(shè)計底標(biāo)高后，應(yīng)立即澆筑支撐、墊層及底板，縮短無支撐、無底板暴露的時間，降低基坑風(fēng)險；

4）深基坑大體量卸土后，坑底土體將不可避免地發(fā)生回彈，同時帶動立柱體系向上隆起。支護體系設(shè)計中應(yīng)適當(dāng)考慮立柱隆起對支撐體系承載力的影響。