坑靠坑支護設計施工技術(shù)與開挖影響研究
——以上海前灘某項目深基坑為例

谷 雪

(上海地礦工程勘察有限公司 上海 200072)

1 工程概況

項目位于上海市浦東新區(qū)前灘國際商務區(qū)西部，南至翠溪路、北至前灘大道。擬建共含4個地塊，均為大底盤地下室上多塔建(構(gòu))筑類型，包括地下車庫、多幢住宅主樓及配套公建用房。地下設置2層地下室，地上部分主要為8～13層。主樓基礎(chǔ)形式采用鉆孔灌注樁-筏板基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)類型采用剪力墻結(jié)構(gòu)。

4個地塊基坑開挖深度較為接近，除D基坑相較面積更大，其余3個基坑面積較為近似，形狀均較規(guī)則，屬深大型基坑工程。環(huán)境位置示意圖如圖1所示，各地塊基坑基本信息如表1所示。

表1 各地塊基坑信息一覽表

2 環(huán)境特點與工程地質(zhì)概況

2.1 環(huán)境特點

(1)4個地塊場地內(nèi)均為空地，周邊臨近已建市政道路，部分道路施工時尚未通車，場地周邊均存在已建圍墻，圍護空間較緊張。

(2)場地西側(cè)較為空曠，但C基坑西南側(cè)靠近法華學問寺，寺廟保護要求較高；南側(cè)靠近在建地下二層工程(該工程施工同時南側(cè)地塊地下結(jié)構(gòu)已施工完成)，D基坑南、北均為已建地塊，影響較小。

(3)各地塊鄰近道路市政管線分布密集，距離較近，部分管線進入紅線內(nèi)，重點種類包括給水管線、電力管線等，需采取措施搬遷、保護。

(4)4個地塊位置平面分布呈現(xiàn)“橫T”形狀，基坑間距離較近，約18m，施工時需重點考慮各基坑間相互影響。

2.2 工程地質(zhì)概況

場地地貌屬于濱海平原類型，地形較平坦。基坑開挖范圍內(nèi)土層包括②、③、④層，其中④層淤泥質(zhì)粘土在場地中廣泛分布，厚度可達10m，各基坑基底開挖面均位于該土層。④層為上海地區(qū)典型軟弱地基土，呈流塑狀、高壓縮性，具有觸變、流變等特性。下部⑤層、⑦層土質(zhì)不均勻，起伏較大，⑦層部分亞層在A、D基坑所在區(qū)域缺失。⑤2-1為微承壓水層，⑦1-1為承壓水層，水頭較高，場地潛水降水之外需評估承壓水突涌風險，確定是否需要減壓。

參照上海市工程建設規(guī)范《基坑工程技術(shù)標準》(DG/TJ08-61-2018)，該工程4個地塊基坑安全等級均屬二級，環(huán)境保護等級均為二級[1]。土層物理力學參數(shù)信息如表2所示。

3 圍護方案設計

3.1 圍護體系設計

3.1.1圍護選型對比

4個基坑的規(guī)模及深度、工程地質(zhì)、環(huán)境條件差異不大，圍護體系選型可統(tǒng)一?；舆吘€距離紅線不到3m，僅能考慮單排樁的圍護形式。可選擇的圍護體系類型包括SMW工法、鉆孔灌注樁排樁結(jié)合內(nèi)支撐的形式。SMW工法樁占用施工空間小，施工快捷，且型鋼可回收利用，工期短于半年情況下造價更為經(jīng)濟。該工程4個基坑均為地下二層，深度較深，體量較大，從圍護開始施工至地下室施工完成，型鋼租賃期預計大于8個月，工期較長則不具備造價優(yōu)勢；且該圍護形式側(cè)向剛度幾乎完全取決于型鋼，對于軟土地區(qū)開挖深度近于10m的深基坑工程，目前常規(guī)SMW工法的側(cè)向變形控制能力已較接近極限[2]。并且，該工程周邊市政管線分布密集，型鋼回收易產(chǎn)生基坑二次變形，且與地面振動造成環(huán)境影響較大。

表2 土層物理力學性質(zhì)參數(shù)表

鉆孔灌注樁也是一種成熟的工藝，在軟土地區(qū)基坑支護工程中已有大量成功案例，具有施工工藝簡單、縮短工期優(yōu)點，并且施工時基本無噪音、無振動、無地面隆起或側(cè)移，對周邊環(huán)境影響小[3]。對于該工程可根據(jù)局部深度、周邊荷載及變形控制要求設計樁徑、樁長，保證圍護剛度滿足需求的前提下造價亦可達到最優(yōu)。

經(jīng)對比分析，該工程4個基坑均宜采用鉆孔灌注樁結(jié)合止水帷幕的圍護形式。

3.1.2圍護設計方案

由于各基坑貼近市政道路，圍護計算深度從道路路面標高始算。A、B基坑普遍深度為8.50～9.90m，采用Φ800@1000、Φ850@1050鉆孔灌注樁，樁長19～20m，插入基底以下約11.35～11.80m，部分緊鄰道路側(cè)路面較高，圍護樁樁徑加大至Φ900，樁長增長至21m。C、D基坑普遍深度約為9.50～10.65m，鉆孔灌注樁采用Φ900@1100，樁長為20m，插入基底以下11.60～12.00m。④層土質(zhì)較差，各基坑圍護樁底穿過④層進入⑤2-1層土2m以上。⑤2-1透水性強，且為微承壓水層，圍護止水需隔斷該層坑內(nèi)外水力聯(lián)系，采用單排Φ850@600三軸水泥土攪拌樁，樁長25.0m，穿過⑤2-1層進入不透水層，從而有效降低坑內(nèi)降水對坑外水位的影響，減少基坑降水引起的地面沉降量。典型圍護結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2所示。

圖2 典型圍護結(jié)構(gòu)剖面圖(A基坑)

3.2 內(nèi)支撐體系設計

3.2.1支撐體系選擇

支撐根據(jù)材料類型，分為鋼支撐及混凝土支撐兩類。鋼支撐安裝拆除方便，施工便捷，且安裝完畢便可立即發(fā)揮作用，該工程4個基坑均為地下二層，深度較深，需設置兩道支撐，支撐體量較大，且場地空間狹小，為留有一定施工場地、材料堆放場地，且便于土方開挖，4個基坑均需設置一定量棧橋。其次，鋼支撐體系節(jié)點構(gòu)造及安裝處理較為復雜，對于較大型的支撐系統(tǒng)，施工要求較高，如若出現(xiàn)節(jié)點變形或傳力不當?shù)?，易造成支撐體系的失穩(wěn)，而且鋼支撐硬度較高但剛度較小，無法承受較大的施工荷載[4]。因此，剛度更大、整體性更好的混凝土支撐體系更適合該工程，基坑穩(wěn)定性、施工質(zhì)量更能得以保證。

3.2.2支撐布置

該工程4個基坑面積適中，環(huán)境保護要求不苛刻，支撐可整體布置，無需分區(qū)，采取對撐角撐結(jié)合邊桁架的布置形式。

A、B基坑近似于正方形，單邊邊長約94m，四角采用角撐保護邊角，增加各角支撐剛度的同時減少跨度，南北、東西向均只需采用一道對撐為中部提供傳力；D基坑東西向約130m，南北向設置兩道對撐，受力桿件間距不大于10m；C基坑西側(cè)圍護邊線設計為圓拱形，相比于直線形結(jié)構(gòu)，拱形結(jié)構(gòu)可利用土拱效應減少圍護結(jié)構(gòu)上的土壓力，并有較強空間結(jié)構(gòu)性，減少開挖引起的側(cè)壓力荷載，發(fā)揮混凝土材料的抗壓性能，減少圍護側(cè)向變形，優(yōu)化支撐布置，節(jié)約造價[5]。棧橋依據(jù)各基坑出土口位置及行車走向方位進行布置，運行土方車輛按照滿載60t限制荷載。支撐桿件信息如表3所示，支撐及棧橋平面布置如圖3所示。

表3 支撐桿件信息一覽表 m

圖3 第一道支撐及棧橋平面布置圖

支撐立柱樁采用鉆孔灌注樁內(nèi)插角鋼格構(gòu)柱，立柱樁局部采用加大灌注樁，部分利用工程樁。樁徑為Φ650～800，立柱樁長度為26m～30m。

3.3 地基加固

4個基坑基底均位于④層淤泥質(zhì)粘土，強度低，開挖過程中被動區(qū)提供的抗力不足，圍護結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生滑移、踢腳等失穩(wěn)破壞，側(cè)向位移不易控制，且該層土厚度較厚，集水井等深坑區(qū)域基底仍位于該軟弱土中。各基坑在單邊跨度15m～20m處及貼邊集水井區(qū)域采用深層攪拌法加固，加固寬度為4.70m，加固樁為Φ700@500雙軸水泥土攪拌樁，水泥摻量為13%。基坑內(nèi)部深度大于1.40m的集水井采用攪拌樁加固并封底，壩體寬度、樁長結(jié)合深坑深度確定，滿足插入比需求。該工程設計與施工過程中對加固攪拌樁施工時提升下降速度均做嚴格控制。

3.4 降水處理措施

止水帷幕已發(fā)揮基坑“隔水”作用，阻擋基坑內(nèi)部與外部的水動力聯(lián)系，基坑內(nèi)部于開挖前采取真空深井對地下潛水降水，需降至開挖面以下1m～2m。⑤2-1砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土為微承壓水層，位于基底以下5.0m～6.5m，各基坑普遍區(qū)域經(jīng)承壓水穩(wěn)定性計算，開挖至基底有產(chǎn)生坑底突涌的風險，需預先降低承壓水水位，但由于止水帷幕已將該層隔斷，降壓井數(shù)量可適當優(yōu)化。

該工程4個基坑均勻布置一定數(shù)量的降壓井，但實地需結(jié)合測得承壓水水頭高度確定是否需要降壓，按需降水，以盡量減少降壓抽水引發(fā)地面沉降。

4 土方開挖

坑靠坑基坑群分布形式是指多個基坑圍護結(jié)構(gòu)互不相連，但間距較近，從而同時開挖時具有明顯耦合效應的特點。

該工程包含4個基坑，按照建設單位要求，4個地塊開發(fā)時間安排較緊張，需盡量同時施工。B與A、C及D基坑相互距離約20m，近于2倍開挖深度，距離較近，屬于典型的坑靠坑基坑分布形式。對于單一基坑，上海軟土地區(qū)基坑開挖后周邊地表沉降影響范圍約為4倍開挖深度[1]。坑靠坑開挖的注意重點在于，后開挖基坑對先開挖基坑圍護及支撐體系的影響，以及基坑相鄰區(qū)域產(chǎn)生的土體沉降變形、環(huán)境建筑物沉降的疊加效應。

B基坑位于A、C基坑之間，東側(cè)靠近D基坑，與周邊3個基坑距離均較近，若該基坑先行與其他任一基坑同步開挖則會產(chǎn)生較明顯的耦合效應，因此不宜與其他基坑同步施工；A與C基坑邊線距離約130m，大于十倍開挖深度，一般開挖原則認為當基坑間距大于十倍開挖深度時則不用考慮基坑開挖耦合效應[6]，基坑可按照單一坑實施，且兩個基坑面積、開挖深度相差不大，工期時長較為接近；D基坑規(guī)模相較更大，單獨施工時間較長，從節(jié)省整體工期的角度應盡量早施工；其位置相對獨立，與西北角A、西南角C基坑間距約38m，約4倍處開挖深度范圍，若同時開挖則仍應存在一定的影響，但產(chǎn)生的不良效應較為可控。在盡量減少基坑間耦合效應的前提下，施工工期需最優(yōu)化，避免基坑隨時空效應產(chǎn)生不利情況，同時節(jié)約造價。最終，開挖工況整體安排如下：

(1)場地整平后，施工4個地塊工程樁、圍護樁等，進行基坑降水；

(2)4個基坑均開挖至第一道支撐底標高，施工鋼筋混凝土壓頂梁、支撐構(gòu)件，如圖4(a)所示；

(3)待第一道支撐達到設計強度的80%后，開挖A、C及D基坑，如圖4(b)所示；

(4)待A、C和D基坑地下一層中樓板及中樓板換撐達到設計強度的80%后，開挖B基坑，如圖4(c)所示；

(5)各個基坑地下結(jié)構(gòu)施工完畢后，施工基坑間連通道，如圖4(d)所示。

A、C與D基坑開挖時，除遵照分層、分塊、間隔開挖的基本原則之外，應盡量相對平衡開挖，每層開挖的時間應嚴格保持同步。

(a) (b) (c) (d)

圖4 施工工況順序示意圖

5 監(jiān)測情況分析

為確保4個基坑施工與土方開挖安全高效進行，對基坑圍護墻頂及墻體位移、周邊地面沉降等項目采取全程信息化監(jiān)測。

5.1 整體施工效果與監(jiān)測結(jié)果分析

A、C、D基坑于2019年1月施工圍護樁，3月3日開始土方開挖，4月20日左右開挖至基底，于5月22日第二道支撐拆除，中樓板施工完成，B地塊同步施工完第一道支撐開挖第二層土。所有基坑于2019年9月地下結(jié)構(gòu)全部施工完成。

5.1.1A、C、D基坑

截至2019年6月12日，A、C基坑第一道支撐拆除完畢，A基坑圍護墻頂水平位移最大累計值為14.9mm，豎向位移最大值為23.5mm，C基坑圍護墻頂水平位移最大累計值為15.1mm，豎向位移累計最大為20.8mm；D與A、C基坑同時開挖，但規(guī)模相較稍大，支撐拆除時間較晚于兩地塊。截止A、C第一道支撐拆除時，D基坑處于地下一層施工階段，圍護墻頂水平位移累計最大為14.2mm，豎向位移累計最大為21.14mm，以上監(jiān)測結(jié)果均在報警值范圍以內(nèi)。

A基坑各測點圍護深層水平位移普遍最大約為26mm～29mm，變形峰值對應深度在9m～10.5m范圍區(qū)間，對應基底所在深度，部分測點深層水平位移累計最大值達到54mm～71mm，超出報警值；C基坑個別點位深層水平位移累計達到39mm～53mm，超過報警值，但普遍最大約為30mm，由其西側(cè)圍護深層水平位移均較小，最大約29mm，體現(xiàn)圓拱形圍護結(jié)構(gòu)的變形控制能力。

D基坑各點位深層水平位移累計最大約為28～40mm(圖5)。據(jù)分析，3個基坑圍護側(cè)向位移較大的點位，主要分布于角撐與對撐中間支撐較薄弱區(qū)域，以及施工出土口行車動荷載最大區(qū)域，普遍區(qū)域圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移處于正常變化水平。

圖5 基坑圍護體深層水平位移曲線圖(2019.06.12)

從日變量變化趨勢來看，圍護結(jié)構(gòu)的變形速率與工況密切相關(guān)，隨著基坑的開挖，圍護變形速率加快，開挖至基底時位移增量最明顯，但處于警戒值范圍內(nèi)，為正常變化趨勢。此外，對基坑周邊地面沉降、管線沉降、地下水水位、支撐軸力及立柱沉降等監(jiān)測結(jié)果均較穩(wěn)定。

5.1.2B基坑

B基坑于5月22日左右開挖第二層土，此時其他3個基坑中樓板換撐已達到強度。7月2日部分區(qū)域已開挖至基底，8月1日開始拆除第二道支撐。截至8月21日監(jiān)測數(shù)據(jù)，B基坑圍護墻頂水平位移累計最大約16.8mm，豎向位移累計最大為26.0mm，未超過報警值。

但由于開挖至基底期間部分區(qū)域底板澆筑工作未及時跟進土方開挖，部分圍護體側(cè)向位移變化較大，且正處雨季，B基坑部分圍護體此間側(cè)向位移增量較大，通過加快地下結(jié)構(gòu)施工速度，底板澆筑完成后，深層側(cè)向位移即趨于穩(wěn)定，累計最大達到49mm，而此后日變量均不超過0.5mm(圖6)。

圖6 基坑圍護體深層水平位移曲線圖(2019.08.21)

5.2 基坑間影響分析

為比較B基坑實際開挖時對A、C、D基坑的影響，選取5月21日(B基坑開始開挖)與7月8日(B基坑普遍開挖至基底)兩個典型時間點監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比。在A、C、D 3個基坑靠近及遠離B基坑的兩條圍護邊各選取2個圍護體深層水平位移點位，計算各點位各深度側(cè)向位移變化百分比，可見：

A、C基坑于B基坑開挖后圍護結(jié)構(gòu)深層水平位移無增加，呈收斂趨勢。A、C基坑靠近B基坑一側(cè)的CX5、CX6、CX27、CX28點位各深度處水平位移收斂程度均比遠離B基坑一側(cè)CX1、CX2、CX31、CX32更顯著，曲線中上段基本平直，約15m深度處收斂程度加大(圖7～圖8)。

圖7 A基坑圍護體深層水平位移變化百分比曲線圖

圖8 C基坑圍護體深層水平位移變化百分比曲線圖

D基坑于B基坑開挖后，圍護結(jié)構(gòu)整體仍為向坑內(nèi)側(cè)移的趨勢，但距離B基坑較遠一側(cè)的圍護體內(nèi)移量更大，較近一側(cè)圍護體的位移則較小，且受深度變化的影響微弱(圖9)。

由于B基坑開挖后對于其余3個基坑相當于坑外土體卸載，土壓力大大減少，理論上3個基坑圍護結(jié)構(gòu)所受坑外擠壓應減少。實際結(jié)果顯示，已開挖基坑圍護體變形的確在后開挖基坑影響下呈現(xiàn)向坑外側(cè)收斂的趨勢，且距離越近，收斂作用越明顯。

圖9 D基坑圍護體深層水平位移變化百分比曲線圖

6 結(jié)語

該工程包含多個基坑，位置相距較近，屬于典型坑靠坑基坑群，除結(jié)合工程地質(zhì)條件及環(huán)境條件合理設計圍護支撐方案之外，土方開挖工況安排尤為重要。通過對4個基坑開挖順序進行調(diào)整，盡量避免了鄰邊基坑同時開挖時產(chǎn)生的顯著耦合效應，后開挖基坑至少在先開挖基坑中樓板達到強度后再開挖。監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證該工況設計的合理性，先開挖基坑在后開挖基坑土方開挖之時，圍護結(jié)構(gòu)所受影響較微弱，達到保證各基坑安全穩(wěn)定目的。