中心城區(qū)軟土深基坑分區(qū)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)與對(duì)策

張竹庭

上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 201114

上海某辦公大樓工程，不僅地處沿海軟土地基中心區(qū)域，周邊建筑、管線、軌道交通結(jié)構(gòu)眾多，且基坑需與緊鄰的在建軌交15號(hào)線車站進(jìn)行同步交錯(cuò)施工。復(fù)雜的周邊環(huán)境、不利的土質(zhì)條件、較深的開挖深度、緊張的施工工期，這些都給基坑設(shè)計(jì)及施工帶來難度。本文結(jié)合該基坑工程，分析總結(jié)與地鐵交錯(cuò)施工的軟土深基坑分區(qū)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)與對(duì)策，可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況及特點(diǎn)

1.1 基坑規(guī)模

項(xiàng)目擬建建筑為1幢12層辦公樓，設(shè)置整體3層地下室，其中南側(cè)為辦公樓主樓地下室，北側(cè)為純地下車庫。基坑總面積4 058 m2，平面形狀呈不規(guī)則梯形，普遍開挖深度約17 m。

1.2 水文地質(zhì)條件

本工程地基土為濱海平原軟土地層，基坑開挖范圍內(nèi)土層包括①1填土、②3-1砂質(zhì)粉土、④1淤泥質(zhì)黏土、⑤1-1粉質(zhì)黏土。其中，②3-1層是北側(cè)虬江補(bǔ)給地下水的通道，在動(dòng)水壓力作用下易產(chǎn)生流砂，對(duì)施工降水及圍護(hù)成槽影響較大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)須確保該層土區(qū)域的止水有效性；此外，第⑦1-2、⑦2層為承壓含水層，第⑦1-2層面埋深最淺30 m，勘查期間水位埋深4.6 m，承壓含水層厚約12 m。經(jīng)驗(yàn)算，開挖至普遍基底時(shí)，抗承壓水突涌穩(wěn)定性不滿足要求，故需采取合理的地下水處理對(duì)策，確保基坑安全。

1.3 周邊環(huán)境條件

項(xiàng)目東側(cè)有城市主干道大渡河路和路面下眾多市政管線，以及在建的軌交15號(hào)線車站，該軌交車站標(biāo)準(zhǔn)段及附屬結(jié)構(gòu)的基坑邊線與本工程?hào)|側(cè)基坑邊線重合，并擬與本工程局部共用圍護(hù)結(jié)構(gòu)；南側(cè)貼近軌交15號(hào)線附屬結(jié)構(gòu)，南側(cè)74 m處為金沙江路及路面下的已建軌交13號(hào)線；基坑西側(cè)為華大科技園及園內(nèi)市政管線，華大科技園采用樁筏基礎(chǔ)，距本基坑14 m；基坑西側(cè)5.5 m為虬江，設(shè)有防汛墻（圖1）。本項(xiàng)目周邊環(huán)境復(fù)雜，保護(hù)要求非常高，且基坑位于軌交安全保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，基坑除了滿足各項(xiàng)常規(guī)要求外，還需滿足軌交嚴(yán)格的位移控制要求。

圖1 基坑總平面及周邊環(huán)境

1.4 場(chǎng)地內(nèi)部條件

本項(xiàng)目?jī)?nèi)部場(chǎng)地局促，基坑幾乎占滿了整個(gè)基地，且項(xiàng)目與東側(cè)軌交15號(hào)線交錯(cuò)施工，基坑施工時(shí)存在變形疊加及多作業(yè)交叉。故在設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮與軌交的相互影響，同時(shí)合理利用有限的場(chǎng)地資源。

此外，本項(xiàng)目基地北部的純地下車庫區(qū)域上空有220 kV高壓走廊，其高壓線東西向橫跨本項(xiàng)目，使基坑有近一半的區(qū)域位于高壓線控制帶內(nèi)。故基坑設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮施工機(jī)械高度對(duì)圍護(hù)選型的限制，確保施工可行性。

2 關(guān)鍵技術(shù)與對(duì)策

2.1 基于微變形控制的分區(qū)籌劃

軟土深基坑實(shí)踐數(shù)據(jù)及理論分析證明，小型窄條形深基坑的坑周地表沉降量為圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向變形量的0.7～1.0倍，沉降影響范圍為3.0H～4.0H（H為基坑挖深）；而大面積深基坑坑周地表沉降量為圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向變形量的1.0～2.0倍，沉降影響范圍為1.5H～2.0H。基于此變形特性形成的基坑工程微變形控制分區(qū)支護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)[1]，在上海等軟土地區(qū)工程實(shí)踐中收到了良好效果。

本工程?hào)|側(cè)緊鄰變形敏感的軌交15號(hào)線大渡河路車站。為確保軌交結(jié)構(gòu)安全，對(duì)本工程進(jìn)行分區(qū)籌劃，即將本工程基坑分為大、小2個(gè)分坑（圖2），并采用明挖順作法施工。A區(qū)為遠(yuǎn)離軌交的大坑，基坑面積約3 500 m2；B區(qū)為緊鄰軌交的窄條形小坑，基坑面積500 m2，基坑寬度14 m?；娱_挖時(shí)，先開挖遠(yuǎn)離軌交的A區(qū)大基坑，再施工緊鄰軌交的B區(qū)窄條基坑，使窄條基坑卸荷的深層滑移帶無法生成；在A區(qū)開挖時(shí)，B區(qū)亦可作為A區(qū)基坑與軌交之間的隔離保護(hù)帶，加大了大坑與軌交之間的距離，從而有效控制基坑開挖卸載對(duì)軌交的不利影響。

2.2 交錯(cuò)工況及圍護(hù)體系施工順序

基坑?xùn)|側(cè)的軌交15號(hào)線車站設(shè)施包括標(biāo)準(zhǔn)段、風(fēng)亭和出入口等附屬結(jié)構(gòu)，這些設(shè)施對(duì)基坑變形要求嚴(yán)苛；此外，軌交車站工期緊張，且由于場(chǎng)地限制及共墻等，其工期與本工程工期有相互制約的關(guān)系，故基坑設(shè)計(jì)時(shí)除須考慮環(huán)境保護(hù)外，還需滿足軌交15號(hào)線車站的工程進(jìn)度，確保不影響軌交線路如期運(yùn)營(yíng)。

因此，經(jīng)與軌交管理部門及相關(guān)參建方溝通后，施工順序?yàn)椋洪_挖軌交15號(hào)線車站端頭井及標(biāo)準(zhǔn)段→開挖軌交1號(hào)及2號(hào)風(fēng)亭→開挖軌交7號(hào)出入口及換乘通道→待軌交所有附屬結(jié)構(gòu)頂板回筑達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度后，方可進(jìn)行本工程A區(qū)基坑的土方開挖→待本工程A區(qū)基坑的頂板回筑達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，方可進(jìn)行本工程B區(qū)基坑的開挖。此外，本基坑?xùn)|側(cè)區(qū)域與軌交互相共用圍護(hù)結(jié)構(gòu)，即B區(qū)基坑?xùn)|側(cè)及南側(cè)利用軌交地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，軌交利用B區(qū)北側(cè)及A區(qū)東側(cè)全線的圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為其圍護(hù)結(jié)構(gòu)，因此雖然本工程基坑開挖須在軌交結(jié)構(gòu)完成后進(jìn)行，但基坑?xùn)|側(cè)區(qū)域圍護(hù)結(jié)構(gòu)須在軌交計(jì)劃開挖日期前施工完成。

圖2 基坑分區(qū)籌劃平面布置

為控制施工擾動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境的影響，對(duì)圍護(hù)體系的施工順序也提出要求：槽壁加固→地下連續(xù)墻成槽及墻體施工→坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體加固→主體結(jié)構(gòu)工程樁。其中，主體結(jié)構(gòu)工程樁在坑內(nèi)加固完成后及時(shí)套打。通過這樣“由外向內(nèi)”的施工順序，使先施工的圍護(hù)結(jié)構(gòu)在后續(xù)施工中起到保護(hù)作用，從而減少加固體及工程樁等施工對(duì)周邊敏感環(huán)境的擾動(dòng)影響。

2.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及承壓水處理對(duì)策

根據(jù)基坑開挖深度及周邊環(huán)境，本工程選用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)受力結(jié)構(gòu)，墻體厚度除西側(cè)為800 mm外，其余均為1 000 mm。由于第⑦層承壓含水層具有突發(fā)性、高壓性、易發(fā)性這“三性”特點(diǎn)，在高水頭壓力下，若圍護(hù)結(jié)構(gòu)存在縫隙通道或薄弱處，砂和粉土就易隨水土一起流入，并在短時(shí)間內(nèi)形成突涌。因此，本工程采用基坑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)“隔斷承壓水”的方案，以隔斷坑內(nèi)外承壓水聯(lián)系，并通過一些加強(qiáng)止水措施，確保形成止水封閉系統(tǒng)。

A區(qū)基坑南部主樓區(qū)域及B區(qū)基坑采用地下連續(xù)墻“受力段＋構(gòu)造段”的形式，以隔斷承壓水。地下連續(xù)墻兩側(cè)采用三軸水泥土攪拌樁進(jìn)行槽壁加固，加固深度與坑內(nèi)加固底平；地下連續(xù)墻外側(cè)槽段接縫處增加品字形高壓旋噴樁對(duì)承壓水加強(qiáng)止水。

A區(qū)北部純地庫區(qū)域上空有高壓線，對(duì)大型機(jī)械施工及吊裝造成限制，故采用“地下連續(xù)墻受力＋外側(cè)TRD（等厚度水泥土攪拌墻）隔斷承壓水”的形式。地下連續(xù)墻插入基底以下16 m，滿足受力要求；TRD嵌入第⑧層黏土不少于1.5 m，滿足隔水要求；地下連續(xù)墻槽壁加固亦采用TRD。TRD設(shè)備高度較小，可滿足高壓線凈空要求；同時(shí)，在查清高壓線的弧垂高度的基礎(chǔ)上，對(duì)北部受高壓線影響區(qū)域的地下連續(xù)墻鋼筋籠采用分節(jié)吊裝，每幅墻分4節(jié)，每節(jié)鋼筋籠高度不大于9 m，墻幅間分節(jié)節(jié)點(diǎn)錯(cuò)開布置并避開受力集中處，確保施工安全及可行性。

本工程設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)擬利用的軌交地下連續(xù)墻進(jìn)行了資料調(diào)查及現(xiàn)場(chǎng)探查，發(fā)現(xiàn)B區(qū)南側(cè)一幅擬利用的既有地下連續(xù)墻長(zhǎng)度僅35 m，未隔斷承壓水，故在該幅地下連續(xù)墻側(cè)增設(shè)5根直徑2.4 m、定角度180°的MJS（全方位高壓旋噴）樁，與既有地下連續(xù)墻的槽壁加固搭接形成止水封閉，確保隔斷⑦層承壓水（圖3）。同時(shí)，在其余地下連續(xù)墻冷縫處增加MJS樁，確保形成無縫隙止水封閉系統(tǒng)。

圖3 既有地下連續(xù)墻側(cè)增加MJS止水示意

2.4 支撐及棧橋設(shè)計(jì)

本工程支撐根據(jù)A、B區(qū)的分坑進(jìn)行設(shè)置。A區(qū)基坑設(shè)3道鋼筋混凝土水平支撐，平面布置形式為十字對(duì)撐，具有剛度較大、傳力直接的特點(diǎn)。由于場(chǎng)地局促，基坑占滿了整個(gè)基地，因此結(jié)合第1道支撐布置施工棧橋（圖4），解決了挖土平臺(tái)及材料堆場(chǎng)缺失的問題，并在棧橋轉(zhuǎn)角處根據(jù)預(yù)設(shè)的車輛作業(yè)行駛路線設(shè)置倒角，方便施工車輛轉(zhuǎn)彎。B區(qū)基坑設(shè)4道水平支撐，支撐形式為對(duì)撐，除首道采用鋼筋混凝土支撐外，其余均采用鋼管支撐。每根鋼管支撐帶有軸壓自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)及1個(gè)帶回鎖功能且壓力量程達(dá)3 000 kN的油壓泵。對(duì)油壓泵壓力進(jìn)行預(yù)設(shè)，當(dāng)工作壓力變化幅度大于100 kN，或壓力大于設(shè)計(jì)值時(shí)，系統(tǒng)控制油壓泵自動(dòng)加壓或卸壓，使鋼管支撐在基坑開挖過程中始終保持軸力恒定，從而確保鄰近軌交設(shè)施及管線變形的可控[2]。B區(qū)鋼支撐作為無圍檁支撐體系，平面布置時(shí)須確保“一墻兩撐”，即每幅地下連續(xù)墻在平面上設(shè)置2個(gè)支撐點(diǎn)，以平衡圍護(hù)墻上水平作用力，確保圍護(hù)體系的整體穩(wěn)定。

圖4 第1道支撐及棧橋平面布置

2.5 中隔墻換撐及拆除技術(shù)

A區(qū)基坑及B區(qū)基坑之間設(shè)有中隔墻，由于基坑外圍已形成止水封閉，中隔墻無需再隔斷承壓水，墻體深度僅需滿足受力要求即可。A區(qū)及B區(qū)地下室回筑時(shí)，中隔墻兩側(cè)須設(shè)置底板及樓板換撐結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)完成后，需進(jìn)行中隔墻拆除，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)地下室的連通。中隔墻的換撐及拆除過程是結(jié)構(gòu)體系與支護(hù)體系之間的力系轉(zhuǎn)換過程，本基坑中隔墻換撐結(jié)構(gòu)從基礎(chǔ)底板開始，隨地下結(jié)構(gòu)一起“由下而上”逐層澆筑，待中隔墻兩側(cè)地下室頂板澆筑并連通后，“由上而下”逐層拆除中隔墻，并逐層對(duì)樓板、底板進(jìn)行連接。此外，在分隔墻鑿除過程中，由于B區(qū)樓板存在懸挑工況，故對(duì)B區(qū)分隔墻一側(cè)的樓板設(shè)置臨時(shí)換撐鋼柱，為懸挑樓板提供豎向支承，臨時(shí)換撐鋼柱隨著中隔墻的拆除而逐層拆除。

2.6 挖土及降水要求

本工程土質(zhì)具有明顯的軟土流變特性，挖土?xí)r須遵循時(shí)空效應(yīng)原理，按照“分區(qū)、分塊、對(duì)稱、平衡、限時(shí)”原則并盡早澆筑墊層、形成底板，縮短變形穩(wěn)定時(shí)間，挖土順序按照離軌交“先遠(yuǎn)后近”進(jìn)行。A區(qū)基坑由于東西向?qū)挾葍H50 m，且基坑中間設(shè)有棧橋，無法滿足盆式開挖條件，故采用分塊開挖，每個(gè)分塊面積約1 000 m2，各分塊之間跳倉開挖；分層開挖時(shí)分層厚度不大于4 m，每層邊坡的坡比不大于1∶1.5。

基坑開挖前，須進(jìn)行不少于三周的預(yù)降水，以驗(yàn)證圍護(hù)結(jié)構(gòu)的止水封閉性。若發(fā)現(xiàn)圍護(hù)體有滲漏，先找到滲漏位置，采用高壓旋噴樁加固或雙液注漿等措施進(jìn)行處理?；訉?shí)施期間，須對(duì)承壓水水頭進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在圍護(hù)形成隔斷封閉后，在坑內(nèi)配合進(jìn)行疏干降水及殘余降壓?？觾?nèi)降水嚴(yán)格按照“適時(shí)、適量、有控制”的要求。

3 結(jié)語

對(duì)于中心城區(qū)緊鄰軌交等敏感設(shè)施的軟土深基坑，設(shè)計(jì)及施工過程中除應(yīng)考慮基坑本體的安全穩(wěn)定外，還需采取針對(duì)性措施加強(qiáng)對(duì)周邊環(huán)境的保護(hù)[3]。本工程基坑緊鄰在建軌交并與軌交交錯(cuò)施工，施工工況復(fù)雜，保護(hù)要求嚴(yán)苛。筆者結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵技術(shù)與對(duì)策進(jìn)行分析，總結(jié)了一系列針對(duì)性控制設(shè)計(jì)技術(shù)，包括基于微變形控制的分區(qū)支護(hù)設(shè)計(jì)、交錯(cuò)工況及圍護(hù)體系施工順序、圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及承壓水處理對(duì)策、支撐及棧橋設(shè)計(jì)、中隔墻換撐及拆除技術(shù)、挖土及降水要求。本文所述多項(xiàng)技術(shù)措施可確?；庸こ痰捻樌麑?shí)施及對(duì)周邊環(huán)境的有效保護(hù)，對(duì)類似工程具有很好的借鑒及參考意義。