軟土深基坑微變形控制技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境條件下的應(yīng)用

鐘 錚

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)城市地下空間的開發(fā)利用已成為解決城市人口、資源、環(huán)境三大危機(jī)，實(shí)施城市可持續(xù)發(fā)展的一條重要途徑。城市縱深的發(fā)展和地下空間的擴(kuò)展帶來了大量的深基坑工程。近年來，基坑的規(guī)模越來越大、開挖深度越來越深，越來越多的基坑工程鄰近敏感的建（構(gòu)）筑物，由基坑工程施工引起的環(huán)境保護(hù)問題變得日益突出，按變形控制替代傳統(tǒng)按強(qiáng)度控制已經(jīng)成為深基坑工程設(shè)計(jì)施工的主流觀點(diǎn)。在我國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)最密集的沿海、沿江地區(qū)，其工程建設(shè)影響深度范圍內(nèi)普遍存在一定厚度的軟土。軟土具有含水量高、抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高、流變性能顯著等特點(diǎn)，這給沿海、沿江地區(qū)的城市建設(shè)技術(shù)提出了更高的要求。因此開展軟土城市基坑工程對(duì)環(huán)境影響微變形控制技術(shù)的專項(xiàng)研究具有重要的實(shí)際意義。

本文結(jié)合上海某緊鄰在建軌交車站的深基坑工程，對(duì)其建設(shè)過程中采用的微變形控制技術(shù)及環(huán)境保護(hù)措施進(jìn)行詳細(xì)闡述，希望為類似工程提供借鑒與參考。

1 工程概況

上海某辦公大樓新建工程位于普陀區(qū)金沙江路以北、大渡河路以西，北至虬江、西至華大科技園（圖1），工程用地面積為3 006 m2。大樓主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為地下3層，地上12層，地下室為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用鉆孔灌注樁＋大底板的形式?；悠矫娉什灰?guī)則梯形，尺寸約為55 m×50 m，面積2 500 m2，周長210 m，普遍開挖深度約為17 m。

圖1 基坑鳥瞰

1.1 環(huán)境情況

基地位于上海市區(qū)中心地段，東側(cè)鄰近大渡河路，路面下是在建軌交15號(hào)線大渡河路站，該站與本工程基坑局部共用圍護(hù)結(jié)構(gòu)；南側(cè)約70 m外為金沙江路，路面下是剛建成運(yùn)營的軌交13號(hào)線大渡河路站，在基坑南側(cè)約30 m處設(shè)地下通道與軌交15號(hào)線車站連通；西側(cè)約12 m處為華大科技園高層建筑，地上20層、地下2層，埋深約9.4 m，采用鉆孔灌注樁基；北側(cè)約38 m外為虬江河道及防汛墻。

基地東、南側(cè)城市主干道路下方均分布有大量市政管線：東側(cè)軌交15號(hào)線車站施工前將對(duì)大渡河路現(xiàn)狀管線進(jìn)行搬遷處理，其中給水管線、通信管線、電力電纜及新增的1條110 kV電纜箱涵臨時(shí)改遷至本基坑?xùn)|側(cè)場(chǎng)地內(nèi)，并在車站主體結(jié)構(gòu)封頂覆土后遷回；南側(cè)金沙江路下的市政管線距離本基坑較遠(yuǎn)，均在80 m開外。此外，基地北側(cè)分布有一條30 m高壓走廊，距離本工程基坑最近18 m。

總體而言，基地周邊環(huán)境復(fù)雜，敏感建（構(gòu)）筑物密集，保護(hù)要求較高。

1.2 地質(zhì)條件

本工程場(chǎng)地地基土屬第四紀(jì)晚更新世至全新世沉積物，主要由飽和黏性土、粉性土和砂土組成，呈水平層理分布，為上海地區(qū)典型的濱海平原軟土地層?；娱_挖范圍內(nèi)土層主要包括第①1層填土、第②3-1層砂質(zhì)粉土、第④1層淤泥質(zhì)黏土及第⑤1-1層粉質(zhì)黏土。

場(chǎng)地淺部的②3-1層粉性土在一定水頭的動(dòng)水壓力作用下易產(chǎn)生流砂現(xiàn)象，同時(shí)也是鄰近虬江補(bǔ)給地下水的良好通道，必須確?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)在該土層中的止水封閉。場(chǎng)地深部約30 m以下的第⑦層粉砂層為承壓含水層，基坑開挖時(shí)存在承壓水突涌的可能性，工程建設(shè)時(shí)需采取相應(yīng)預(yù)防措施。

2 基坑總體設(shè)計(jì)方案

本工程基坑地處城市中心繁華地段，基坑深度大，周邊環(huán)境保護(hù)要求高，需要選擇一種安全可靠且有成熟施工經(jīng)驗(yàn)的基坑支護(hù)方案。

根據(jù)軟土地區(qū)已實(shí)施的大量基坑工程的成功實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，類似基坑工程一般采用板撐支護(hù)體系。考慮到本工程基坑開挖深度普遍超過15 m的實(shí)際情況，因此采用剛度大、整體性好的地下連續(xù)墻作為周邊圍護(hù)體，受力段插入基底以下16 m。為最大限度減小降承壓水對(duì)周邊敏感環(huán)境的影響，在地下連續(xù)墻受力段下方再增加長約13 m的素混凝土構(gòu)造段，頂部嵌入第⑧不透水黏土層不少于1.5 m（圖2）。

圖2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面示意

根據(jù)本工程變形控制要求嚴(yán)格的特點(diǎn)，結(jié)合基坑平面形狀及分區(qū)特點(diǎn)（圖3），在A區(qū)采用了鋼筋混凝土十字對(duì)撐的平面布置形式，具有支撐剛度大、傳力直接、受力清楚等優(yōu)點(diǎn)；在B區(qū)選用鋼管對(duì)撐的布置形式，有利于土方開挖，配合帶軸壓伺服系統(tǒng)鋼支撐能很好地控制基坑變形。

圖3 基坑開挖分區(qū)示意

3 基坑微變形控制技術(shù)

3.1 分區(qū)開挖支護(hù)技術(shù)

本工程基坑?xùn)|側(cè)緊鄰在建軌交15號(hào)線大渡河路車站，二者局部區(qū)段需共用圍護(hù)地下連續(xù)墻，并存在交叉施工工況，但場(chǎng)地周邊敏感建（構(gòu)）物較多，施工及保護(hù)要求均較高，因此必須遵循“時(shí)空效應(yīng)”原理[1]，合理制訂基坑分區(qū)分坑方案，整體籌劃與地鐵車站開挖搭接的施工工序及實(shí)施節(jié)點(diǎn)，嚴(yán)格控制卸載過程中所產(chǎn)生的地層變形，方能達(dá)到基坑本體和周邊環(huán)境雙安全的目的。

3.1.1 分區(qū)方案

將整個(gè)基坑分為2個(gè)大、小分區(qū)A、B，分別獨(dú)立支護(hù)、先后開挖：西側(cè)的A區(qū)為結(jié)構(gòu)主樓區(qū)域，開挖面積約1 950 m2；東側(cè)的B區(qū)為鄰近地鐵所劃分的寬14 m隔離保護(hù)帶，開挖面積約500 m2。方案通過加大與保護(hù)對(duì)象的距離、減小深層滑移帶寬度，來有效控制A區(qū)大基坑卸荷對(duì)環(huán)境的影響；通過B區(qū)窄基坑卸荷深層滑移帶無法產(chǎn)生的原理，達(dá)到保護(hù)對(duì)象嚴(yán)苛的微變形控制目標(biāo)[2]。

3.1.2 實(shí)施步序

基坑開挖應(yīng)按照環(huán)境敏感程度由低到高進(jìn)行，按限時(shí)、跳倉的方式確定施工節(jié)點(diǎn)：在軌交15號(hào)線車站北端井結(jié)構(gòu)回筑至B2層梁板后先行開挖A區(qū)基坑，待A區(qū)結(jié)構(gòu)底板澆筑完成后方可進(jìn)行地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)段的開挖施工；在軌交15號(hào)線車站主體及周邊附屬設(shè)施地下結(jié)構(gòu)施工完成并回搬管線后，方可進(jìn)行B區(qū)基坑的開挖施工。這種安排降低了基坑開挖疊加變形的影響，充分調(diào)動(dòng)和利用了土體自身的強(qiáng)度，能有效控制基坑墻體和坑周地層的總體變形。

3.1.3 開挖要求

考慮到軟土的流變特性，基坑按照“分區(qū)、分塊、對(duì)稱、平衡、限時(shí)”原則[1]指導(dǎo)微變形控制開挖。A區(qū)基坑采用盆式開挖的方式；圍護(hù)墻一次暴露長度不超過20 m且不超過2個(gè)支撐間距，分層開挖的分層厚度不應(yīng)大于4 m；沿地鐵側(cè)留土寬度不少于4倍的單層挖深，且最后挖除；單塊土體的開挖支撐施工時(shí)間控制在24 h內(nèi)。B區(qū)基坑采用分層分段連續(xù)開挖的方式；首層土方可采用大開挖，其余各層土方分段開挖長度不宜超過6 m；單根鋼支撐的開挖支撐時(shí)間嚴(yán)格控制在12 h以內(nèi)。開挖至基底時(shí)，要求各區(qū)域邊挖邊形成墊層，快速形成底板，以控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移和坑底回彈。

3.2 鋼支撐軸力補(bǔ)償技術(shù)

近年來，在許多緊鄰軌交等生命線工程的深基坑開挖施工中均成功運(yùn)用了軸力伺服系統(tǒng)（圖4）進(jìn)行鋼支撐的軸力補(bǔ)償，該系統(tǒng)主要由液壓系統(tǒng)模塊和自動(dòng)控制系統(tǒng)模塊組成，能夠?qū)⑸罨愉撝蔚妮S力由被動(dòng)受壓和松弛變形轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)加壓調(diào)控變形，并根據(jù)緊鄰深基坑保護(hù)對(duì)象的變形控制要求主動(dòng)進(jìn)行基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形調(diào)控，保證緊鄰深基坑保護(hù)對(duì)象的安全使用[2]。

圖4 鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)

本工程B區(qū)基坑開挖階段四周均緊貼重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形有嚴(yán)苛的要求，故采用了鋼支撐體系結(jié)合軸力自動(dòng)伺服系統(tǒng)進(jìn)行微變形控制。在施工操作中有以下要點(diǎn)：

1）鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)應(yīng)對(duì)基坑的每個(gè)支撐軸力24 h不間斷實(shí)時(shí)監(jiān)控，軸力值允許在合理的設(shè)定范圍內(nèi)波動(dòng)。

2）要求油缸為雙作用油缸，系統(tǒng)能滿足雙向自動(dòng)補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/p>

3）軸力實(shí)時(shí)補(bǔ)償用的液壓油缸置于支座套箱中，支座套箱與鋼支撐可靠連接，實(shí)現(xiàn)支撐軸力增減的高效傳遞。

4）鋼支撐油缸安裝加載應(yīng)遵循時(shí)空分步加載的原則，每幅墻體2根支撐建議以設(shè)計(jì)軸力的30%交替平衡加載，當(dāng)加載到設(shè)計(jì)軸力的100%時(shí)，應(yīng)及時(shí)將機(jī)械鎖鎖緊。

3.3 適應(yīng)性土體加固技術(shù)

本工程基坑開挖深度范圍內(nèi)分布有第④1層淤泥質(zhì)黏土、第⑤1-1粉質(zhì)黏土等土層，孔隙比大、力學(xué)強(qiáng)度低、壓縮性高，不利于圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制。為避免開挖卸荷引起鄰近眾多保護(hù)建（構(gòu)）筑物過大的沉降變形、開裂甚至破壞，采用土體加固技術(shù)是一個(gè)直接有效的手段。通過對(duì)被動(dòng)區(qū)土體針對(duì)性的改良處理，能夠有效提高土體承載力和基坑抗變形能力，達(dá)到保證基坑開挖面穩(wěn)定和環(huán)境微變形控制的目的。為體現(xiàn)方案的經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)保護(hù)對(duì)象和控制要求的不同，基坑在各區(qū)域綜合采用了多種加固方式（圖5）：

圖5 基坑被動(dòng)區(qū)加固平面示意

1）A區(qū)基坑?xùn)|側(cè)鄰近地鐵區(qū)域變形控制要求較高，故在該側(cè)坑底以下5 m范圍內(nèi)采用φ650 mm@450 mm三軸水泥土攪拌樁進(jìn)行了裙邊加固，為控制每步開挖期間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，還對(duì)第2道支撐底至坑底范圍內(nèi)的土體采取了抽條加固措施。

2）A區(qū)基坑其余3側(cè)保護(hù)要求相對(duì)較低，故僅在各邊中部坑底以下5 m的被動(dòng)區(qū)范圍內(nèi)采用了攪拌樁墩式加固。

3）B區(qū)基坑周邊緊貼地鐵車站，且在車站設(shè)施施工完成后開挖，變形控制要求嚴(yán)苛，故在其坑底以下5 m采用了攪拌樁滿堂加固形成有效封底，還對(duì)第2道支撐底至坑底范圍內(nèi)的土體采取了抽條加固措施，加固平面與鋼支撐掏槽抽條開挖相對(duì)應(yīng)，控制每道支撐架設(shè)期間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

3.4 地下水控制技術(shù)

本工程場(chǎng)地范圍內(nèi)普遍分布第⑦承壓含水層，層面埋深約23.2 m，層底埋深約35.7 m?？辈炱陂g設(shè)觀測(cè)孔對(duì)第⑦層承壓水頭進(jìn)行了測(cè)量，其水位埋深約為4.6 m。經(jīng)計(jì)算表明，開挖至基坑普遍基底時(shí)抗承壓水突涌穩(wěn)定性不滿足要求，需采取合理的地下水處理對(duì)策。

滿足基坑工程設(shè)計(jì)安全穩(wěn)定要求所需的地下連續(xù)墻受力段端部已進(jìn)入第⑦層一定深度，考慮到基坑周邊敏感建（構(gòu)）筑物較多、環(huán)境保護(hù)要求較高的情況，擬采用在地下連續(xù)墻底部設(shè)置加長構(gòu)造段“隔水”＋坑內(nèi)布置降水井“疏干”的方式進(jìn)行承壓水抗突涌處理。這種方法隔斷了坑內(nèi)外承壓含水層之間的水力聯(lián)系，將降水、降壓區(qū)控制于基坑內(nèi)部范圍，坑內(nèi)的水位升降不會(huì)對(duì)坑外的水位產(chǎn)生影響，在技術(shù)上安全、可靠，對(duì)周邊環(huán)境的影響也較小。在基坑開挖過程中還需采用信息化施工手段，密切觀測(cè)坑內(nèi)外水位變化及周邊環(huán)境的變形等，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)分析判斷，注意是否為承壓水問題所造成，并采取針對(duì)性技術(shù)措施。

3.5 信息化監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)

在本基坑開挖施工全過程中必須采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)，隨時(shí)掌握工程施工對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及鄰近保護(hù)對(duì)象的影響，實(shí)現(xiàn)信息化施工和動(dòng)態(tài)控制，通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，及時(shí)調(diào)整、優(yōu)化設(shè)計(jì)及施工措施，做到提前預(yù)警、過程控制、安全施工。

根據(jù)基坑工程的特點(diǎn)及保護(hù)對(duì)象的微變形控制要求，擬選擇以下監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，并對(duì)關(guān)鍵部位實(shí)施重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

1）基坑本體：墻頂變形、支撐軸力、墻體深層水平位移、立柱豎向位移、地下水位等。

2）周邊環(huán)境：地表豎向位移、地下管線位移、建（構(gòu)）筑物豎向位移、建（構(gòu)）筑物傾斜等。

3）地鐵結(jié)構(gòu)：水平位移、沉降或隆起、水平直徑收斂變化量。

在工程實(shí)施前尚需根據(jù)基坑工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊環(huán)境、重點(diǎn)被保護(hù)對(duì)象要求、施工方案、場(chǎng)地條件等情況，預(yù)先制訂應(yīng)急搶險(xiǎn)方案，備妥各類應(yīng)急物資及搶險(xiǎn)材料，一旦發(fā)現(xiàn)土體位移過大、地表開裂、圍護(hù)滲漏等危險(xiǎn)情況及時(shí)啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急預(yù)案，積極組織搶險(xiǎn)。

3.6 有限元數(shù)值分析技術(shù)

基坑微變形控制以環(huán)境保護(hù)為核心，在正式開挖前為明確基坑方案對(duì)周邊土工環(huán)境的影響，通常采用有限元數(shù)值模擬分析基坑開挖卸荷產(chǎn)生的微變形情況，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、坑內(nèi)土體回彈及坑周建（構(gòu)）筑物變形進(jìn)行預(yù)估，并根據(jù)分析結(jié)果，調(diào)整設(shè)計(jì)施工方案以使其最大限度地滿足坑周敏感對(duì)象的微變形控制要求。

在本工程基坑有限元分析中，土體采用適用于基坑開挖的Hardening-Soil（硬化土）模型[3]，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，在參數(shù)方面考慮了主偏量加載引起的塑性應(yīng)變、主壓縮引起的塑性應(yīng)變以及彈性卸載/重加載的卸荷模量。就A區(qū)基坑開挖階段對(duì)西側(cè)華大科技園高層建筑及東側(cè)軌交15號(hào)線車站北端井結(jié)構(gòu)的變形影響，與B區(qū)基坑開挖階段對(duì)周邊地鐵車站結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施的變形影響進(jìn)行了數(shù)值分析（圖6）。

變形分析結(jié)果如表1所示，表中變形值對(duì)照規(guī)范及相關(guān)管理部門允許的控制值均有一定余量[4-5]，表明采用的微變形控制措施能有力保證基坑本體及坑邊敏感對(duì)象的安全。

圖6 基坑結(jié)構(gòu)及保護(hù)對(duì)象變形矢量圖

表1 數(shù)值分析主要結(jié)果匯總

4 結(jié)語

針對(duì)軟土地區(qū)密集城市環(huán)境中深大基坑開挖施工過程中面臨的微變形控制難題，以上海中心城區(qū)某辦公大樓新建工程為背景，結(jié)合筆者多年來承擔(dān)的軟土地區(qū)深大基坑工程實(shí)踐，總結(jié)了包括分區(qū)開挖支護(hù)技術(shù)、鋼支撐軸力補(bǔ)償技術(shù)、適應(yīng)性土體加固技術(shù)、地下水控制技術(shù)、信息化監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)以及有限元數(shù)值分析技術(shù)在內(nèi)的一系列微變形控制設(shè)計(jì)施工措施[6]，以滿足施工期間周邊敏感環(huán)境和設(shè)施的嚴(yán)格保護(hù)要求。本研究有助于軟土地區(qū)基坑工程微變形控制成套技術(shù)的成熟與形成，具有較好的工程意義和社會(huì)效益。