沿江超深超大基坑的工程設(shè)計與實踐

翁其平

華東建筑設(shè)計研究院有限公司上海地下空間與工程設(shè)計研究院 上海 200002

1 工程概況

武漢綠地中心項目位于武漢市武昌濱江商務(wù)區(qū)核心區(qū)域，西側(cè)緊鄰長江。項目設(shè)1棟主塔樓、1幢辦公樓和1幢公寓樓及相連的裙樓，地下整體設(shè)置5～6層地下室。主塔樓高約636 m（125層），采用核心筒＋巨型柱＋外伸臂桁架＋腰桁架結(jié)構(gòu)，主樓下設(shè)置6層地下室；副樓包括公寓、辦公樓及裙房商業(yè)，其中公寓高度為136 m（31層），辦公樓高度為185 m（39層），均為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，裙房商業(yè)高度約40 m（7～8層），副樓地下設(shè)置5層地下室。

本工程基坑面積約為36 000 m2，周長約為815 m?；娱_挖深度27～34 m，是武漢乃至湖北省迄今為止最深的大規(guī)模沿江基坑工程。尤其是基坑西側(cè)緊鄰長江，場地內(nèi)地下深厚的承壓含水層與長江水力聯(lián)系非常緊密，基坑工程面臨嚴(yán)峻的承壓水處理問題和汛期施工安全問題（圖1、圖2）。

本工程場地內(nèi)淺層以雜填土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主，中部則以粉質(zhì)黏土夾粉土層、細砂層及含礫中細砂為主，深層為砂質(zhì)泥巖或細砂巖。淺層的②-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層含水量高、孔隙率大、靈敏度高、壓縮性高，是基坑開挖深度范圍內(nèi)的主要軟弱土層，對基坑變形控制極為不利。中部深厚的細砂層，含水量豐富且滲透系數(shù)較大，基坑工程將面臨極為嚴(yán)峻的承壓水處理問題。

圖1 基地環(huán)境總平面

圖2 基地實施實景

2 基坑支護總體設(shè)計方案

本工程主塔樓及辦公樓工期要求嚴(yán)苛，且二者設(shè)計進度存在一定差異，公寓樓工期則無特殊要求。為避免主塔樓與辦公樓在工期間相互制約，本工程采用“分區(qū)順作＋中間設(shè)緩沖區(qū)后作”的基坑總體施工方案（圖3），利用公寓區(qū)作為緩沖區(qū)，將基坑一分為三，即主塔樓區(qū)（Ⅰ區(qū)）、辦公樓及裙樓區(qū)（Ⅱ區(qū)）、公寓樓緩沖區(qū)（Ⅲ區(qū)）。首先進行Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的順作法施工，待Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的地下室結(jié)構(gòu)施工完成后，再進行Ⅲ區(qū)的順作施工。該總體設(shè)計方案保證了主塔樓、辦公樓和公寓樓可根據(jù)自身工期安排獨立實施，為實現(xiàn)預(yù)期工期目標(biāo)創(chuàng)造了良好的條件。

圖3 基坑實施方案示意

基坑周邊采用“兩墻合一”地下連續(xù)墻作為基坑圍護體，地下連續(xù)墻既作為基坑開挖階段的擋土止水圍護體，同時作為地下室結(jié)構(gòu)外墻。基坑Ⅰ區(qū)采用厚度為1 200 mm地下連續(xù)墻，Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)地下連續(xù)墻厚度為1 000 mm，Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)之間的臨時隔斷亦采用厚度為1 000 mm地下連續(xù)墻，Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)之間的臨時隔斷則采用φ1 200 mm@1 400 mm鉆孔灌注樁。

基坑Ⅰ區(qū)豎向設(shè)置5道鋼筋混凝土支撐，支撐采用圓環(huán)支撐體系布置形式（圖4），Ⅱ區(qū)豎向設(shè)置4道鋼筋混凝土支撐，支撐采用雙半圓環(huán)支撐結(jié)合中部對撐的布置形式，Ⅲ區(qū)豎向設(shè)置4道鋼筋混凝土支撐，支撐采用對撐角撐的布置形式。

3 關(guān)鍵技術(shù)措施

本項目工期緊迫，且面臨嚴(yán)峻的承壓水處理和汛期施工安全問題。為保證本工程的安全順利實施，設(shè)計中采取了一系列技術(shù)措施[1-2]。

3.1 超深嵌巖地下連續(xù)墻的設(shè)計

為解決復(fù)雜的承壓水問題，本工程將地下連續(xù)墻設(shè)計嵌入至中風(fēng)化基巖以隔斷承壓水，并利用墻底注漿對墻底進行加固，再對基巖裂隙進行封堵，有效地解決了承壓水從墻底繞流的難題。

圖4 塔樓區(qū)基坑支護結(jié)構(gòu)剖面示意

根據(jù)勘察報告揭示的巖層情況，本工程深部基巖埋深起伏較大，因此從經(jīng)濟性角度考慮，設(shè)計人員又提出了“一槽一勘”的思路，即在每幅地下連續(xù)墻槽段位置補勘一孔，以準(zhǔn)確地確定單幅槽所處位置的基巖分布情況，亦在設(shè)計過程中對每幅槽作針對性的墻底埋深設(shè)計，此舉可節(jié)省地下連續(xù)墻造價達數(shù)百萬元，相比“一槽一勘”所增加的幾十萬元投資，其經(jīng)濟效益顯著，同時減小了施工難度，加快了施工工期，提高了施工質(zhì)量。

3.2 超深嵌巖地下連續(xù)墻施工

本工程地下連續(xù)墻超深，需穿越的地層主要有中部密實的細砂層，深部堅硬的強、中風(fēng)化基巖。其中基巖類型繁多、巖層分布不均勻給成槽工藝的選取帶來了巨大難度。因此，如何在確保地下連續(xù)墻成槽質(zhì)量的同時兼顧經(jīng)濟性，是本工程地下連續(xù)墻成槽工藝選型時所要考慮的重點和難點。

就基巖條件看，本工程主樓區(qū)基巖類型主要為細砂巖，其中中風(fēng)化細砂巖的單軸飽和抗壓強度達17 MPa；裙樓區(qū)域的基巖類型主要為砂質(zhì)泥巖，其中中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖的單軸飽和抗壓強度約8 MPa。

結(jié)合巖土層地質(zhì)情況，本工程主樓硬質(zhì)砂巖區(qū)的地下連續(xù)墻采用成槽質(zhì)量高、工效快的抓銑結(jié)合成槽工藝；裙樓軟巖區(qū)的地下連續(xù)墻則采用經(jīng)濟性和高效性優(yōu)勢并存的抓沖結(jié)合成槽工藝，從而在保證地下連續(xù)墻質(zhì)量的同時大幅提高施工工效。

3.3 圓環(huán)支撐、棧橋體系設(shè)計

基于本工程塔樓Ⅰ區(qū)（圖5）和裙樓Ⅱ區(qū)（圖6）基坑形狀較為規(guī)則的特點，并結(jié)合主體豎向結(jié)構(gòu)布置情況，為充分發(fā)揮混凝土材料優(yōu)越的受壓特性，支撐體系考慮采用圓環(huán)布置形式。其中塔樓區(qū)域的圓環(huán)支撐布置形式可完全避開塔樓核心筒及外圍巨型柱，裙樓區(qū)域的雙半圓環(huán)支撐亦可避開辦公樓的框架柱及剪力墻，因此可實現(xiàn)在基礎(chǔ)底板完成施工后，直接由下往上順作施工塔樓地下結(jié)構(gòu)及辦公樓的豎向構(gòu)件的目標(biāo)，其施工進度不會受到拆撐換撐工況的限制，大大縮短了塔樓和辦公樓結(jié)構(gòu)的工程工期。

圖5 塔樓Ⅰ區(qū)支撐、棧橋?qū)嵕?/p>

圖6 裙樓Ⅱ區(qū)支撐、棧橋?qū)嵕?/p>

與此同時，由于圓環(huán)支撐體系的無支撐面積超過基坑面積的60%，為挖運土的機械化施工提供了良好的多點作業(yè)條件，同時也為工程提供了下坑施工的便利。因此，本工程沿圓環(huán)支撐環(huán)邊桿件的基坑內(nèi)部設(shè)置了旋轉(zhuǎn)棧橋，使挖土及土方運輸機械可直接下至基坑內(nèi)部進行挖土作業(yè)，利用斜坡道將土方直接從開挖面運至地面，向斜坡通道進行收頭，減少了坑內(nèi)土方駁運程序，大大加快了出土速度。裙樓先作區(qū)域的中部對撐區(qū)兼作施工棧橋，挖土機和運土車輛直接在施工棧橋上挖運土方，部分土方可以采用長臂挖機在棧橋上直接挖除，亦大大方便了施工[3-4]。

4 基坑實施效果

4.1 降隔水實施效果

以主塔樓基坑為例，從基坑實施期間坑內(nèi)外水位觀測井的水位觀測情況看，主塔樓區(qū)坑內(nèi)外承壓水降深比例均高達10∶1，可見地下連續(xù)墻嵌入中風(fēng)化基巖后隔水效果顯著。

武漢地區(qū)以往基坑工程降水設(shè)計時通常采用大井法估算基坑涌水量，并據(jù)此估算所需降水井?dāng)?shù)量，該方法沒有考慮止水帷幕的作用，往往會導(dǎo)致降水井布置數(shù)量眾多，但在基坑實施期間開啟的降水井卻寥寥無幾。本工程提出了在考慮隔水帷幕作用的基礎(chǔ)上，基坑涌水量可按敞開降水時（即大井法）計算所得的涌水量的40%計算，降水井?dāng)?shù)量得到了大幅優(yōu)化。

4.2 基坑變形

從基坑各工況下塔樓區(qū)和裙樓區(qū)地下連續(xù)墻測斜與坑外地表沉降曲線（圖7）可以看出，圍護結(jié)構(gòu)變形和地表沉降主要發(fā)生于基坑開挖階段，基礎(chǔ)底板施工完成后基坑變形基本趨于穩(wěn)定，地下室結(jié)構(gòu)回筑階段圍護結(jié)構(gòu)變形很小。圍護結(jié)構(gòu)最大變形鄰近基底以上位置。本工程基坑實施期間，地下連續(xù)墻變形約75 mm，與設(shè)計計算變形大致相當(dāng)，坑外地表沉降最大值發(fā)生于坑外0.5倍開挖深度的位置，且最大地表沉降量與圍護結(jié)構(gòu)最大變形相當(dāng)。

圖7 塔樓區(qū)地下連續(xù)墻測斜與坑外地表沉降曲線

5 結(jié)語

武漢綠地中心項目屬于大規(guī)模超深臨江基坑工程，面臨嚴(yán)峻的承壓水處理和汛期施工安全問題。本工程創(chuàng)新性地采用“分區(qū)順作＋中間設(shè)緩沖區(qū)后作”的方案，實現(xiàn)了塔樓和辦公樓區(qū)基坑同步開挖，在保證基坑施工安全的基礎(chǔ)上，響應(yīng)了業(yè)主對塔樓和辦公樓工程工期要求較為緊迫的需求。

超深嵌巖地下連續(xù)墻的設(shè)計實踐，確保了超深沿江基坑在汛期施工的安全問題。針對場地深部基巖埋深起伏較大的特點，設(shè)計人員建議并提出了主樓硬質(zhì)砂巖區(qū)的地下連續(xù)墻采用成槽質(zhì)量高、工效快的抓銑結(jié)合成槽工藝，裙樓軟巖區(qū)的地下連續(xù)墻采用經(jīng)濟性和高效性優(yōu)勢并存的抓沖結(jié)合成槽工藝，通過這2種工藝在武漢地區(qū)的大膽嘗試，為在巖土層較為復(fù)雜的地層中施工地下連續(xù)墻提供了新選擇。

本工程中圓環(huán)支撐體系和旋轉(zhuǎn)下坑棧橋的成功應(yīng)用，為塔樓和辦公樓的工程工期提供了可靠保證，為挖運土作業(yè)提供了極大便利。本工程為武漢乃至湖北省首例應(yīng)用旋轉(zhuǎn)棧橋下坑挖土的深基坑工程。

為確保工程安全，建設(shè)方對基坑施工全過程進行了監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明，超深嵌巖地下連續(xù)墻的設(shè)計有效地控制了基坑外側(cè)地下水位的變化，減小了基坑施工對周邊環(huán)境的影響，使基坑開挖引起的變形均在控制范圍內(nèi)。