上海中心城區(qū)復(fù)雜環(huán)境深大基坑工程設(shè)計與實踐

謝小林 方銀鋼

同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司 上海 200092

上海地處東海之濱、長江入海口，為三角洲沖積平原。上海淺部土層以飽和軟土為主，具有孔隙比及壓縮性大、抗剪強度低、靈敏度高、呈軟塑或流塑狀等特點，土體受擾動后固結(jié)穩(wěn)定時間較長[1]。在這樣的地質(zhì)條件中進行基坑施工活動，極易產(chǎn)生較大變形，從而對周邊環(huán)境和重要建（構(gòu)）筑物造成影響。

本文將以上海中心城區(qū)復(fù)雜環(huán)境條件下的某一基坑工程為實例，對其支護設(shè)計方案及實施效果作介紹分析。

1 工程概況

背景工程位于上海靜安區(qū)上海展覽中心以西，由南京西路、銅仁路、延安中路、常德路所圍合（圖1）。安義路將該項目場地分為南、北2個地塊，安義路下設(shè)3個地下通道將南、北地塊連接。

該項目基坑開挖總面積約37 400 m2，地塊被安義路一分為二，基坑劃分為北區(qū)、南區(qū)和通道區(qū)域。其中北區(qū)面積約11 745 m2，設(shè)2層地下室，基坑開挖深度13.85 m；南區(qū)面積約24 432 m2，南區(qū)西側(cè)局部區(qū)域為地下2層，開挖深度13.95～14.95 m，南區(qū)其余區(qū)域為地下4層，開挖深度22.50～23.15 m；通道區(qū)域面積約1 220 m2，開挖深度9.95～14.40 m。

圖1 工程總平面示意

2.1 周邊環(huán)境

基坑北側(cè)為南京西路，距離基坑約21 m。南京西路南側(cè)下有軌交2號線運營隧道，隧道距離北區(qū)基坑最近8 m，隧頂埋深約8.3 m，區(qū)間隧道外徑6.2 m，管壁厚350 mm。

基坑南側(cè)為延安高架路，主線高架橫向共設(shè)置3個橋墩，其中北側(cè)橋墩距基坑圍護結(jié)構(gòu)最近11.2 m，基礎(chǔ)為φ600 mm預(yù)應(yīng)力管樁，樁長34～38 m，每段接樁長度約10 m。

基坑西側(cè)為常德路，有在建的軌交7號線靜安寺站，站體與基坑邊線基本平行，車站主體結(jié)構(gòu)外邊線距離基坑地下連續(xù)墻外邊線10.1～13.3 m，頂板埋深約3.8 m。車站部分附屬結(jié)構(gòu)與本工程地下室連通。

北區(qū)基坑?xùn)|側(cè)為嘉里中心，距基坑最近7 m；南區(qū)基坑?xùn)|側(cè)為銅仁路。

基坑南北區(qū)中間為安義路，安義路東段南側(cè)63號為文物保護建筑——毛澤東故居，相鄰建筑57、59、61、65號均為歷史建筑。這些建筑為2層混合結(jié)構(gòu)房屋，基礎(chǔ)均為磚砌大放腳條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深約0.7 m。它們被南區(qū)基坑三面環(huán)繞，距離南區(qū)圍護結(jié)構(gòu)最近6 m，距離北區(qū)圍護結(jié)構(gòu)約17 m。

基坑四周道路下方管線密布，其中距離基坑邊最近的為南側(cè)延安路下的一組供電管，距離約為5 m。

2.2 工程地質(zhì)條件

本基坑工程所涉及的主要土層從上至下依次為①1雜填土、①2素填土、②1粉質(zhì)黏土、②2粉質(zhì)黏土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④淤泥質(zhì)黏土、⑤1a黏土、⑤1b粉質(zhì)黏土、⑥粉質(zhì)黏土、⑦1a砂質(zhì)粉土、⑦1b粉砂、⑦2粉砂、⑧1粉質(zhì)黏土、⑧2粉質(zhì)黏土。其中；②1層屬中壓縮性土；③、④、⑤1a層土具有含水量高、孔隙比大、壓縮模量小等特性，土質(zhì)軟弱；⑥層土物理力學(xué)性質(zhì)較好；⑦1a⑦2層土孔隙比小，壓縮系數(shù)小，壓縮模量大，土性較好；⑧1層土土性較軟弱；⑧2層土土體物理力學(xué)性質(zhì)好。

根據(jù)水文地質(zhì)勘察報告，場地內(nèi)潛水穩(wěn)定水位埋深1.0～2.8 m，地下水主要補給來源為大氣降水?；釉O(shè)計采用地下水位0.5 m。根據(jù)本基坑的開挖深度，僅涉及第1承壓含水層⑦層，根據(jù)抽水試驗結(jié)果，其承壓水頭埋深為7.7～9.2 m。

2.3 工程重、難點分析

由前文描述可知，本基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，環(huán)境保護要求高，因此須在設(shè)計與施工過程中嚴(yán)格控制基坑變形，減小對周邊環(huán)境的影響。

1）基坑北側(cè)距離軌交2號線運營隧道僅8 m，深基坑開挖對周圍土體產(chǎn)生的變形和擾動較大，加之?dāng)_動土體在列車運行振動下極易發(fā)生隧道振陷沉降，進而威脅地鐵運營的安全。

2）基坑西側(cè)鄰近在建的軌交7號線車站，基坑西北角、西南角鄰近車站與盾構(gòu)隧道的接頭處，由于站體與區(qū)間隧道的剛度差異，在土體變形作用下容易變形開裂。

3）毛澤東故居被南區(qū)基坑三面環(huán)繞，距離基坑最近處僅6 m，且建筑物年代久遠(yuǎn)，整體剛度差，抗變形能力弱，對地基沉降及差異沉降敏感。

4）基坑周邊各類市政管線分布較密集。

5）南區(qū)深基坑鄰近延安高架路，高架橋樁基為PHC管樁，管樁接頭抗側(cè)向變形能力差。

3 基坑支護設(shè)計方案

3.1 基坑分區(qū)籌劃

根據(jù)本工程開發(fā)計劃，結(jié)合對軌交2號線運營隧道、軌交7號線車站及區(qū)間隧道、延安高架路、毛澤東故居、周邊市政管線等的保護要求，經(jīng)研究籌劃將本工程基坑分為5個區(qū)獨立交叉施工，如圖2所示。施工時，先開挖南1區(qū)，待底板施工結(jié)束后不拆支撐，在施工塔樓核心筒的同時開挖施工北1區(qū)，待北1區(qū)施工出±0 m后再依次開挖施工北2區(qū)、北3區(qū)。同時待南1區(qū)和北1區(qū)均施工出±0 m后，再施工南2區(qū)。最后施工安義路地下通道區(qū)域。

圖2 基坑分區(qū)示意

本工程基坑分區(qū)籌劃主要考慮了以下幾個方面的 影響：

1）根據(jù)本工程施工控制節(jié)點的要求，同時考慮到對鄰近地鐵設(shè)施的保護，先施工塔樓區(qū)域的南1區(qū)、北1區(qū)基坑，待塔樓主體結(jié)構(gòu)施工出±0 m后，通過加載控制大基坑隆起穩(wěn)定后，在向上施工塔樓的同時開挖施工鄰近地鐵設(shè)施的窄條基坑，以控制圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形，既滿足周邊設(shè)施的變形控制要求，又不影響主體工程的總施工工期 節(jié)點。

2）北1區(qū)場地內(nèi)建筑障礙物較多，在開挖施工前清障工作量較大，因此南1區(qū)先施工，待南1區(qū)底板施工完成后再開挖施工北1區(qū)，確保施工搭接流暢。

3）毛澤東故居位于南1區(qū)和北1區(qū)之間。為減少北1區(qū)基坑開挖階段的圍護結(jié)構(gòu)變形，盡量確保相鄰基坑的土壓傳力平衡，北1區(qū)開挖施工階段南1區(qū)的支撐不拆除。南1區(qū)的支撐布置避開了南區(qū)塔樓的剪力墻和勁性柱，使南1區(qū)能夠在不拆支撐的情況下先施工塔樓結(jié)構(gòu)。

3.2 基坑支護形式

3.2.1 圍護結(jié)構(gòu)

南1區(qū)開挖深度為22.50～23.15 m，塔樓區(qū)域開挖深度25.80 m。為了減小南1區(qū)基坑變形及降承壓水產(chǎn)生的地面沉降，保護延安高架路和毛澤東故居以及軌交7號線區(qū)間隧道，圍護結(jié)構(gòu)采用厚1 m、深53 m的地下連續(xù)墻（圖3），墻底進入⑧層土以切斷承壓水層，其中地下連續(xù)墻埋深45 m以下的部分僅配構(gòu)造鋼筋。另外，南1區(qū)鄰近毛澤東故居側(cè)地下連續(xù)墻兩側(cè)采用深31 m三軸攪拌樁進行槽壁預(yù)加固，防止地下連續(xù)墻成槽坍壁，并加強地下連續(xù)墻的止水效果。

圖3 基坑圍護結(jié)構(gòu)布置

北1區(qū)基坑開挖深度13.85 m，塔樓區(qū)域開挖深度16.65 m。該區(qū)鄰地鐵側(cè)采用厚1 m、深31 m地下連續(xù)墻；北1區(qū)東側(cè)環(huán)境要求相對較低，采用厚0.8 m、深30 m地下連續(xù)墻；北1區(qū)場地南側(cè)分布有原安義大廈圍護結(jié)構(gòu)，采用長30 m的φ900 mm@1 000 mm鉆孔灌注樁（鄰毛澤東故居側(cè)為長35 m的φ1 000 mm@1 150 mm鉆孔灌注樁）與原圍護樁形成復(fù)合圍護結(jié)構(gòu)。另外，鄰地鐵地下連續(xù)墻兩側(cè)采用深20 m的三軸攪拌樁進行槽壁預(yù)加固。

南2區(qū)、北2區(qū)、北3區(qū)基坑開挖深度均為13.85～ 14.95 m。該區(qū)鄰近地鐵設(shè)施側(cè)均采用厚1 m、深31 m的地下連續(xù)墻，且鄰地鐵側(cè)地下連續(xù)墻采用三軸攪拌樁槽壁預(yù) 加固。

3.2.2 坑內(nèi)加固

南1區(qū)、北1區(qū)及南2區(qū)鄰道路側(cè)采用了寬8 m、深4 m的三重管高壓旋噴樁裙邊加固。塔樓基礎(chǔ)深坑局部挖深約26 m，采用三軸攪拌樁護坡，并采用一定的坑底高壓旋噴樁加固。

北2區(qū)、北3區(qū)鄰運營地鐵隧道側(cè)采用了深6 m的三軸攪拌樁滿堂加固，并結(jié)合鋼支撐布置設(shè)置了抽條加固，抽條加固范圍為第2道支撐底至開挖面下6 m。

3.2.3 支撐體系

各分區(qū)均為明挖順作法施工。南1區(qū)采用5道鋼筋混凝土支撐，支撐布置避開南塔樓的豎向構(gòu)件，確保支撐不拆除的情況下快速施工塔樓結(jié)構(gòu)；北1區(qū)采用3道鋼筋混凝土支撐；南2區(qū)、北2區(qū)、北3區(qū)基坑采用4道支撐，首道為鋼筋混凝土撐，其余為鋼支撐。其中北2區(qū)、北3區(qū)鄰近運營地鐵隧道，其鋼支撐采用自動軸力伺服系統(tǒng)，以控制地下連續(xù)墻側(cè)向變形。

3.3 土方開挖要求

土方開挖、支撐施工應(yīng)用時空效應(yīng)原理，嚴(yán)格實行“分層、分段、分塊、留土護壁、限時對稱平衡開挖支撐”的原則，將基坑施工對周圍設(shè)施的變形影響控制在允許的范圍內(nèi)。開挖過程中必須隨挖隨撐（或澆筑墊層）。土方開挖時嚴(yán)格控制挖土量，嚴(yán)禁超挖。

南1區(qū)和北1區(qū)采用盆式開挖，先開挖中部土方，再限時對稱開挖鄰近圍護結(jié)構(gòu)的邊坡土方，減少圍護結(jié)構(gòu)無支撐暴露時間，以控制圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形。北區(qū)基坑和南區(qū)基坑的土方分塊開挖布置分別如圖4、圖5所示。

圖4 北區(qū)基坑土方分塊開挖布置

圖5 南區(qū)基坑土方分塊開挖布置

4 變形監(jiān)測結(jié)果及分析

本基坑在施工全過程中實施了信息化監(jiān)測，對基坑支護結(jié)構(gòu)、周邊環(huán)境設(shè)施等進行跟蹤監(jiān)測，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋指導(dǎo)施工，獲得了較好的效果。

南1區(qū)為超深超大基坑，其地下連續(xù)墻側(cè)向變形及周邊環(huán)境沉降監(jiān)測結(jié)果如圖6、圖7所示。地下連續(xù)墻側(cè)向變形實測值為47 mm，與計算結(jié)果較為吻合；南1區(qū)完成時保護建筑（毛澤東故居，距離基坑僅6 m）最終沉降不超過25 mm，周邊其余建筑物沉降也未超過25 mm。

北2區(qū)、北3區(qū)基坑距離軌交2號線運營隧道最近距離僅8 m，為控制地下連續(xù)墻側(cè)向變形，減少地鐵隧道的變形，該區(qū)鋼支撐采用自動軸力伺服系統(tǒng)。北2區(qū)、北3區(qū)地下連續(xù)墻側(cè)向累計變形及各階段地鐵隧道沉降變形如圖8、圖9所示。

圖6 南1區(qū)地下連續(xù)墻側(cè)向變形值

圖7 南1區(qū)基坑實施階段周邊環(huán)境沉降值

圖8 北2區(qū)、北3區(qū)地下連續(xù)墻累計側(cè)向變形值

圖9 軌交2號線運營隧道累計沉降值

可以看到，該區(qū)域地下連續(xù)墻最大變形平均值小于10 mm，采用鋼支撐自動軸力伺服系統(tǒng)有效地控制了基坑側(cè)向變形。同時軌交2號線運營隧道的沉降最大值不超過10 mm，保障了地鐵運營的安全，基坑的設(shè)計與施工滿足了周邊環(huán)境安全保護的要求。

5 結(jié)語

本基坑工程開挖深度深、面積大，場地周邊環(huán)境復(fù)雜，基坑的安全等級和環(huán)境保護等級高，基坑工程的設(shè)計與施工難度大。針對上述工程特點，通過合理的施工分區(qū)籌劃和支護結(jié)構(gòu)設(shè)計，既保證了基坑及周邊環(huán)境的安全，也保證了工程的經(jīng)濟合理性。

通過精心設(shè)計和信息化施工，至本基坑工程和地下主體工程全部完成，監(jiān)測結(jié)果和工程實踐證明，基坑的圍護結(jié)構(gòu)和支撐體系方案使用效果良好，對運營地鐵、歷史保護建筑、延安高架路等重要設(shè)施的影響均控制在允許范圍內(nèi)。本工程的設(shè)計及實施經(jīng)驗可為其他同類工程提供借鑒。