上海軟土地區(qū)重力壩支護的深基坑施工技術(shù)

潘世斌

上海建工四建集團有限公司 上海 201103

上海位于長江入?？冢饔驏|緣，屬于長江沖積平原，為典型的軟土地區(qū)。該區(qū)域土質(zhì)較差，土體承載力低、流變性大，地下水位極高，因此，上海地區(qū)的深基坑設(shè)計和施工難度很大。上海地區(qū)地下1層的建筑，基坑開挖深度一般約為5.5 m，基坑支護多采用懸臂支護形式的水泥土攪拌樁重力壩，重力壩的設(shè)計及施工質(zhì)量、降水形式及降水效果對基坑安全起著關(guān)鍵作用。因此，對于采用重力壩的懸臂支護基坑的施工關(guān)鍵技術(shù)進行研究至關(guān)重要[1-8]。

本文以上海某地上4層、地下1層、基坑挖深為5.5 m的工程項目為例，進行了基坑施工方案優(yōu)化，并通過有限元軟件Abaqus進行了方案優(yōu)化前后基坑變形的對比分析。

1 工程概況

1.1 工程地塊信息

背景項目位于上海市閔行區(qū)華漕鎮(zhèn)華翔路以西，柴塘北路以北（含柴塘北路），總建筑面積53 110.37 m2，其中地上建筑面積42 396.57 m2，地下建筑面積10 713.80 m2。本項目主要由停車樓、辦公樓、站房等單體組成（圖1）。

圖1 項目效果圖

停車樓是集車輛修理、檢測、試車、停車、充電等功能為一體的綜合停車場，地上4層，地下1層，建筑高度23.1 m，基坑區(qū)域面積11 000 m2，基坑開挖深度為5.5 m，基坑支護采用雙軸攪拌樁，為懸臂支護形式，基坑降水采用輕型井點降水。

1.2 項目水文地質(zhì)概況

本場地屬濱海平原地貌類型。擬建場地原為華漕鎮(zhèn)楊家巷村民房及苗圃，舊建筑均已拆除，現(xiàn)場地勢較為 平坦。

根據(jù)勘探揭露的地層資料分析，擬建場地內(nèi)的地基土，主要由黏性土、粉性土及砂土組成，從上至下可劃分為8個主要層次，其中場地缺失上海市統(tǒng)編第④層淤泥質(zhì)黏土。整個基坑開挖面深度均分布較厚的③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，含水量高、滲透性能好，呈流塑狀態(tài)，屬高壓縮性，工程性能差。

本工程地下水穩(wěn)定水位埋深一般在0.35～0.60 m之間，相應(yīng)標(biāo)高在3.02～3.15 m之間，平均值為3.25 m。承壓水埋深一般在3～12 m，低于潛水位，并呈年周期性變化。

1.3 項目周邊環(huán)境情況

擬建場地北側(cè)為綠化地及河浜，河浜距基坑僅11 m，西北角有1幢1層民房，與基坑相距約26 m。南側(cè)為楊家巷村進出重要通道的雅樂路，地下管線眾多，環(huán)境條件較為復(fù)雜，最近與基坑相距14 m；西側(cè)為綠化土，空闊。東側(cè)建筑邊線與華翔路相距約65 m。東南側(cè)與華漕鎮(zhèn)楊家巷村老年活動中心建筑相距最近28 m。因此，基坑施工對南側(cè)雅樂路影響的控制至關(guān)重要。

2 工程重、難點

2.1 施工場地有限、交通組織困難

本工程地下室1層，整個地下室區(qū)域上部均為結(jié)構(gòu)，基坑施工階段，南側(cè)距原柴唐北路較近，最近處僅1.4 m，現(xiàn)場施工道路無法環(huán)通，場地布置困難。根據(jù)基坑階段施工計劃，攪拌樁施工及土方施工與南側(cè)柴唐北路改道施工同時進行，導(dǎo)致基坑南側(cè)圍護施工無材料堆場及運輸?shù)缆贰?/p>

2.2 基坑開挖面積大

基坑面積約11 000 m2，由于基坑施工階段施工道路無法環(huán)通，基坑施工須由西向東依次施工，西南側(cè)局部無法采用跳倉法開挖，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，整個基坑只能分4塊依次進行施工，因此單次開挖面積較大。為減少基底暴露時間，保證基坑安全，在人力、物力投入較大的情況下，須合理安排人工及材料供應(yīng)。

2.3 基坑北側(cè)鄰近河浜

項目基坑北側(cè)鄰近河浜，最近處離基坑僅11 m，河浜水位對基坑地下水位影響較大，對北側(cè)重力壩止水效果要求較高，圍護施工時基坑北側(cè)重力壩為施工重點，以確保降水效果及基坑北側(cè)止水帷幕不漏水。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基坑圍護二次深化加固

基坑圍護設(shè)計采用雙軸攪拌樁重力壩形式?；又饕獮椴捎忙?700 mm @500 mm雙軸水泥土攪拌樁，水泥摻量13%，有效樁長13～15 m，基坑內(nèi)側(cè)一排內(nèi)插φ48 mm×3.0 mm鋼管，間距1 000 mm，長7.0 m；外側(cè)內(nèi)插φ48 mm×3.0 mm鋼管，間距1 000 mm，長7.0 m；面層采用厚200 mm的C20混凝土壓頂，壩頂插筋φ12 mm@1 000 mm，插入混凝土壓頂板100 mm，壓頂板內(nèi)配φ8 mm@200 mm雙向鋼筋，壩壓頂寬度為4.7 m，具體做法如圖2所示。

對基坑局部貼邊深坑區(qū)域，內(nèi)插鋼管改為內(nèi)插28b#槽鋼，槽鋼長12 m。具體做法如圖3所示。

圖2 重力壩剖面做法

圖3 貼邊深坑區(qū)域重力壩剖面做法

基坑?xùn)|側(cè)、南側(cè)、西側(cè)為計劃主要施工道路，特別是南側(cè)離楊家巷村委會主要進出道路雅樂路較近，為保證后期施工過程中整個基坑安全及減小對南側(cè)雅樂路的影響，對原圍護設(shè)計進行深化加固，加固區(qū)域如圖4所示。該加固區(qū)域內(nèi)插鋼管改為內(nèi)插22b#槽鋼，長12 m，間距2 000 mm。對基坑這些薄弱區(qū)域通過槽鋼及混凝土壓頂形成門式剛架結(jié)構(gòu)，有效增加壩體強度。同時在整個基坑內(nèi)側(cè)重力壩頂部增加600 mm×400 mm冠梁，使整個重力壩形成有效整體。具體加固措施如圖5 所示。

圖4 加固區(qū)域示意

圖5 加固剖面示意

3.2 降水方案優(yōu)化

本工程基坑降水采用輕型井點降水，以抽取基坑內(nèi)土中的滯水，使基坑內(nèi)土體疏干，從而保證基坑安全、順利施工。降水方案需經(jīng)過圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計單位認可后，方可施工。雙軸攪拌樁重力壩圍護結(jié)構(gòu)，在降水過程中能有效隔斷重力壩深度范圍內(nèi)基坑外地下水對基坑范圍的補給，因此降水過程不考慮周邊地下水的側(cè)向補給。但為防止基坑北側(cè)河浜水頭壓力過大，在基坑北側(cè)臨時施工道路上增加3口深井，以有效避免河浜水位對基坑內(nèi)水位的影響。

根據(jù)設(shè)計圖紙，輕型井點共布置23套，沿基坑周邊布置9套，中間布置14套，輕型井點布置如圖6所示。圖紙中輕型井點的平面布置未合理避開坑底加固區(qū)域，該區(qū)域井點管無法施工，達不到降水效果，且設(shè)計井點管長度為7 m，屬非常規(guī)鋼管長度，施工費用較高。為確?；影踩笆┕そ?jīng)濟性，綜合考慮對降水方案進行優(yōu)化，對井點位置重新布置，對井點管長度進行優(yōu)化。降水井點布置原則為每套輕型井點影響范圍為15 m左右，合理避開坑底加固區(qū)域，優(yōu)化后的平面布置如圖7所示。為降低鋼管材料費用，且能夠保證降水效果，對降水方案進行優(yōu)化：先挖去整個基坑范圍內(nèi)0.8 m的表層土，再進行降水作業(yè)；同時井點管施工時，開槽采用二級放坡開挖，深度增加200 mm，這樣鋼管選用常規(guī)的6 m長度時，就能保證水位降至開挖面下0.5～1.0 m。

圖6 設(shè)計井點平面布置

圖7 方案優(yōu)化后井點平面布置

3.3 土方開挖方案優(yōu)化

本工程基坑開挖深度為5.5 m，開挖面積11 000 m2?；娱_挖前保證地下水位降至開挖面以下0.5～1.0 m。本次開挖根據(jù)現(xiàn)場實際施工條件，充分考慮基坑工程的“時空效應(yīng)”，采用分區(qū)、分層、明挖法，加快底板施工速度，減少坑底暴露時間。

為優(yōu)化降水效果及降低材料費用，本次土方開挖共分為2層。第1層土方為大開挖，從場地自然標(biāo)高面往下挖深0.8 m。第1層土方開挖完成后進行降水施工，水位必須降至第2層土方開挖完成面以下0.5～1.0 m之后，才能進行開挖。根據(jù)現(xiàn)場出土路線及停車樓后澆帶位置，第2層土方開挖分為4個施工區(qū)，如圖8所示。按照1→2→3→4區(qū)依次由西向東開挖，每個區(qū)一次性開挖至坑底標(biāo)高，相鄰2個施工區(qū)邊坡采用二級放坡，坡度1∶1。

4 基坑變形控制效果分析

4.1 數(shù)值模擬對比分析

上海等沿海軟土地區(qū)，土質(zhì)較差，工程性能差，基坑變形的控制是基坑安全的前提保證。在項目未施工前，采用Abaqus有限元軟件分別對方案優(yōu)化前和優(yōu)化后進行了基坑變形模擬，通過2種方案基坑變形的對比分析，更能直觀地反映出基坑方案優(yōu)化對基坑變形的影響。

本次模擬采用二維模型，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗，基坑開挖在水平方向上影響范圍為3～5倍基坑開挖深度，豎向上影響范圍為約3倍開挖深度（圖9、圖10）。本次模擬選取基坑南側(cè)方案優(yōu)化區(qū)域的經(jīng)典截面，由于基坑具有對稱性，因此選取1/2模型，模型尺寸為70 m×30 m。土體選用勻質(zhì)彈塑性應(yīng)變單元，選用摩爾-庫侖模型，槽鋼選用線彈性梁單元。

圖8 土方分區(qū)示意

圖9 方案優(yōu)化前基坑變形云圖

圖10 方案優(yōu)化后基坑變形云圖

由圖9、圖10可知：在水平方向上，距基坑越遠，土體變形量越小，距基坑24 m以后，土體基本無變形，影響范圍為約5倍開挖深度；深度方向上，隨著深度增加，土體變形量也越小，距基坑開挖面約20 m，土體基坑無變形，因此在深度方向基坑開挖影響范圍為約4倍開挖深度。方案優(yōu)化前基坑最大變形為90.07 mm，發(fā)生在基坑頂部，而方案優(yōu)化后，對重力壩進行了二次加固，基坑壁的變形明顯減小，最大變形為坑底土體回彈，約86.45 mm，而基坑頂最大變形為70.70 mm。

基坑的安全與否主要是由基坑變形決定的。在懸臂支護類型的深基坑中，基坑坑壁的土體變形尤為重要，是反映基坑安全最重要的指標(biāo)。因此，本次模擬以基坑坑壁土體變形為主要分析參數(shù)。變形監(jiān)控路徑如圖11所示。

在基坑壁深度方向上，對15 m范圍內(nèi)土體位移進行監(jiān)測，方案優(yōu)化前后變形曲線如圖12所示，方案優(yōu)化前圍護頂部最大變形90.07 mm，方案優(yōu)化后圍護頂部最大變形70.70 mm，變形量減小19.37 mm，減小約21.51%，方案的優(yōu)化對圍護的變形有很好的控制作用，在深度約8 m，方案優(yōu)化前后土體變形基本相差不大，因此，此次方案的優(yōu)化影響深度為1.6倍開挖深度左右。綜上所述，通過本次方案優(yōu)化，能有效減小基坑變形，對基坑的安全控制十分 有利。

圖11 變形監(jiān)控線路示意

圖12 變形曲線

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

在基坑施工過程中，對圍護結(jié)構(gòu)的變形進行實時監(jiān)測，時刻關(guān)注基坑變化?；邮┕ね瓿珊?，重力壩頂最大水平位移為2區(qū)南側(cè)距基坑邊約2/3位置的Q14點，達39.30 mm，測斜最大位移也為該位置CX5點，達63.35 mm，南側(cè)雅樂路最大沉降量為26.33 mm。綜上所述，整個基坑施工過程中基坑變形穩(wěn)定，無突發(fā)性變形，基坑外道路變形較小，周邊建筑物沉降量較小，重力壩無漏水現(xiàn)象發(fā)生。通過對基坑關(guān)鍵施工技術(shù)的控制以及施工方案的優(yōu)化，很好地控制了基坑變形，保證了基坑安全。

5 結(jié)語

本項目位于上海市閔行區(qū)，北鄰河浜，南側(cè)道路車流量大，東側(cè)距華翔路和嘉閔高架路等主要市政道路較近，基坑環(huán)境較為復(fù)雜，對基坑變形控制要求高，必須保證基坑安全。

為保證基坑安全，在前期圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化上進行了一定的加強，并得到了業(yè)主和設(shè)計的認可。在施工過程中嚴格控制重力壩的質(zhì)量，為后期保證基坑安全打下了基礎(chǔ)。對降水方案進行合理優(yōu)化，避免無法施工區(qū)域，在保證降水效果的前提下節(jié)約了材料費用。對土方開挖方案進行合理優(yōu)化，并加快大底板施工進度。通過以上措施，有效確保了基坑施工的安全，減小了基坑施工對周邊環(huán)境的影響，為上海等軟土地區(qū)地下1層、重力壩支護的基坑施工提供了一定的參考。