復(fù)雜地質(zhì)條件和敏感環(huán)境中基坑設(shè)計(jì)實(shí)踐及關(guān)鍵技術(shù)

邵晨晨

（上海市巖土地質(zhì)研究院有限公司，上海200072）

0 引言

隨著上海世博會(huì)的結(jié)束，世博地區(qū)的建設(shè)進(jìn)入一個(gè)高潮期，新建工程以深基坑為主，大多位于地鐵7、8號(hào)線沿線。目前上海地區(qū)常規(guī)深基坑項(xiàng)目主要通過增加圍護(hù)墻體和支撐體系的剛度來滿足圍護(hù)變形的控制要求。實(shí)踐表明圍護(hù)墻體的最終變形往往與多種因素相關(guān)，最終的實(shí)施效果有較大的離散性。地鐵作為民生工程的重要組成部分，確保地鐵的安全運(yùn)營(yíng)必須放在首位，且容不得半點(diǎn)閃失，因此地鐵公司對(duì)地鐵鄰近基坑工程施工對(duì)其產(chǎn)生的附加變形提出了嚴(yán)苛的控制要求［1-3］。

上海作為典型的軟土地區(qū)，淺部土層以淤泥質(zhì)土為主，土性軟弱，靈敏度高且流變性顯著，不利于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制［4］。而世博地區(qū)位于黃埔江畔，深部承壓水層較厚，在無法隔斷承壓水水層的情況下，坑內(nèi)降承壓水對(duì)坑外的影響巨大［5-7］，如何合理確定止水帷幕的長(zhǎng)度和制定降水方案顯得尤為重要。

本文以地處世博地區(qū)的某國(guó)際金融大廈為背景，研究并提出了復(fù)雜地質(zhì)條件和敏感環(huán)境條件下深基坑的選型思路［8-10］，并根據(jù)其項(xiàng)目特點(diǎn)提出關(guān)鍵技術(shù)對(duì)策，確保了地鐵及周邊管線的安全，對(duì)后續(xù)類似工程設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

1 工程概況

本金融大廈項(xiàng)目位于黃浦江畔，世博梅賽德斯奔馳文化中心南側(cè)，項(xiàng)目總用地面積7824 m2，主要建筑物為1棟高49.95 m塔樓，除北側(cè)臨近區(qū)間隧道為地下2層外，其余地下3層。因本項(xiàng)目部分位于地鐵保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，抗壓兼抗拔樁為?850 mm鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)51.5～56.0 m，工程樁樁端進(jìn)入⑨層土深度≮1.7 m，單樁樁頂抗壓荷載最大為3000 k N，單樁樁頂抗拔荷載最大為1000 kN。

本工程基坑面積6195 m2，其中地下2層區(qū)域736 m2，地下3層區(qū)域5459 m2，基坑開挖深度10.45 m/14.95 m。基坑周邊緊鄰運(yùn)營(yíng)地鐵8號(hào)線區(qū)間隧道和世博共同管溝，環(huán)境保護(hù)要求極高。根據(jù)《上海市基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（DG/TJ 08-61—2018），本基坑屬于深大基坑工程，地鐵隧道及共同管溝一側(cè)環(huán)境保護(hù)等級(jí)為一級(jí)［11］。

2 環(huán)境地質(zhì)情況

2.1 周邊環(huán)境

（1）基坑北側(cè)地下有地鐵8號(hào)線（中華藝術(shù)宮—西藏南路）區(qū)間隧道，部分位于紅線內(nèi)，區(qū)間隧道直徑7.0 m，埋深12.339～13.881 m，基坑開挖邊線距離區(qū)間隧道8.57～24.28 m。

（2）基坑南側(cè)緊貼用地紅線下方埋設(shè)有世博地下共同管溝，共同管溝埋深2.85 m，管溝結(jié)構(gòu)尺寸3.0～6.0 m×3.80 m，混凝土結(jié)構(gòu)，管溝結(jié)構(gòu)壁厚300 mm。

（3）基坑西側(cè)與鄰近地塊地下室共墻，其地下室埋深與本項(xiàng)目一致。

（4）除上述重要環(huán)境因素外，基坑周邊尚有大量市政管線設(shè)施，如燃?xì)?、雨污水、給水等。

2.2 工程及水文地質(zhì)

（1）擬建場(chǎng)地位于長(zhǎng)江三角洲入海口東南前緣，其地貌類型屬于上海地區(qū)五大地貌單元中的濱海平原地貌類型，根據(jù)本項(xiàng)目地質(zhì)勘察報(bào)告（詳勘），具體土層綜合物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層綜合物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of soils

（2）場(chǎng)地土層具有以下特點(diǎn)：表層雜填土較厚，土質(zhì)松散，滲透系數(shù)較高，基坑開挖過程中在動(dòng)水作用下產(chǎn)生流砂和管涌的風(fēng)險(xiǎn)較高；場(chǎng)地淺層為深厚的淤泥質(zhì)土層，力學(xué)性質(zhì)差、靈敏度高，流變性顯著，不利于圍護(hù)穩(wěn)定性和變形控制；擬建場(chǎng)地承壓水水層埋深較淺，且第⑤2層微承壓水層、第⑦層第一承壓水層和第⑨層第二承壓水層部分區(qū)域連續(xù)分布，相互連通，有承壓水突涌的風(fēng)險(xiǎn)。

3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 總體方案

本項(xiàng)目的第一保護(hù)對(duì)象為地鐵區(qū)間隧道，根據(jù)地鐵運(yùn)營(yíng)單位反饋，由于周邊地塊的相繼開發(fā)和地鐵長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)，本項(xiàng)目實(shí)施前鄰近本地塊區(qū)域間隧道收斂變形已接近100 mm，其對(duì)變形極為敏感。要求本項(xiàng)目施工對(duì)地鐵隧道的附加變形≯10 mm，開挖過程中連續(xù)3天同方向日變量≯1 mm。常規(guī)的基坑大開挖方式顯然無法滿足對(duì)地鐵區(qū)間隧道的保護(hù)要求［12-13］。

為將“時(shí)空效應(yīng)”的影響降至最低，本項(xiàng)目采用“順挖施工，分坑圍護(hù)，限時(shí)開挖”的總體安排，分坑情況詳見圖1。按由遠(yuǎn)至近的原則，即最先施工A區(qū)（地下3層），后施工B區(qū)（地下2層），先施工的分坑應(yīng)在地下室結(jié)構(gòu)出正負(fù)零之后方可開挖下一個(gè)分坑?；涌傮w圍護(hù)方案選型詳見表2。

圖1 基坑分區(qū)示意Fig.1 Diagram of foundation pit partition

表2 基坑總體圍護(hù)方案Table 2 Design of the foundation pit enclosure

3.2 圍護(hù)體系

綜合本工程開挖深度、周邊環(huán)境保護(hù)要求和工程地質(zhì)情況，板式支護(hù)體系結(jié)合多道水平支撐體系是最優(yōu)選擇?？紤]地下連續(xù)墻剛度均勻，成墻質(zhì)量可靠，且可滿足超長(zhǎng)成墻要求，本項(xiàng)目采用“兩墻合一”設(shè)計(jì)，既可以滿足圍護(hù)變形控制要求，又可以作為永久結(jié)構(gòu)外墻，符合綠色、環(huán)保設(shè)計(jì)理念［14］。

A區(qū)和B區(qū)分隔墻和南側(cè)靠近共同管溝處采用1000 mm厚地下連續(xù)墻，墻長(zhǎng)28.0 m（外側(cè)地下連續(xù)墻底端加長(zhǎng)8.8 m止水段），受力段插入坑底以下15.15 m，插入比1.05。

B區(qū)靠近地鐵側(cè)采用800 mm厚地下連續(xù)墻，墻長(zhǎng)36.8 m（底端10.8 m為隔水段），受力段插入坑底以下16.55 m，插入比1.58；地下連續(xù)墻兩側(cè)分別采用單排3?850 mm@1200 mm三軸水泥土攪拌樁（迎土面）和3?850 mm@1800 mm三軸水泥土攪拌樁（迎坑面）作槽壁加固，樁長(zhǎng)均為27.0 m。

基坑圍護(hù)剖面如圖2所示。

3.3 支撐體系

A區(qū)采用3道鋼筋砼支撐，為確保支撐的剛度和均勻性，支撐采用井字對(duì)撐+八字撐的平面布置形式，結(jié)合場(chǎng)地2個(gè)出入口的位置，設(shè)置施工棧橋。豎向受力體系型鋼立柱避免工程樁、結(jié)構(gòu)主梁、人防墻體和口部設(shè)置。

B區(qū)采用3道水平支撐，為減少B區(qū)開挖后的無支暴露時(shí)間，第一道支撐為鋼砼支撐，第二、三道為水平鋼支撐［15］，每幅地下連續(xù)墻確保2根鋼支撐。鋼支撐體系軸力控制采用油壓泵軸壓自動(dòng)伺服系統(tǒng)，自動(dòng)伺服系統(tǒng)采用壓力量程3000 k N的油壓泵，油壓泵須帶回鎖功能。鋼支撐架設(shè)完成后應(yīng)施加預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力值為900 k N。

支撐體系的具體平面布置詳見圖3、圖4，剖面計(jì)算結(jié)果如圖5。計(jì)算結(jié)果表明，第二道支撐受力最大，支撐截面參數(shù)詳見表3。

圖2 地鐵側(cè)基坑剖面Fig.2 Section of the retaining structur e on the tunnel side

3.4 被動(dòng)區(qū)加固

A區(qū)基坑地鐵側(cè)采用8.0 m寬、南側(cè)靠近共同管溝采用6.05 m寬三軸水泥土攪拌樁裙邊加固，加固范圍自第二道支撐底至坑底以下4 m，水泥摻量20%。B區(qū)基坑采用滿堂加固，加固范圍為第二道支撐至坑底以下8.0 m，水泥摻量20%。加固布置如圖6所示。

圖3 第一道支撐平面布置Fig.3 Layout of the fir st suppor t

圖4 第二、三道支撐平面布置Fig.4 Layout of the second and third support

圖5 基坑圍護(hù)剖面計(jì)算結(jié)果Fig.5 Calculation results of the foundation pit enclosure

表3 基坑支撐截面尺寸Table 3 Section dimensions of the foundation pit support

鄰近地鐵側(cè)被動(dòng)區(qū)均進(jìn)行20%水泥摻量的加固，土體的抗力得到顯著提高，在A區(qū)和B區(qū)基坑開挖疊加效應(yīng)影響下，鄰近隧道地下連續(xù)墻變形仍能保持較低的范圍，從而確保隧道變形在可控范圍內(nèi)。

圖6 被動(dòng)區(qū)加固及回灌井布置Fig.6 Layout of passive zone r einfor cement and r echarge wells

3.5 抽灌一體化降水方案

擬建場(chǎng)地承壓水主要分布于第⑤2層微承壓水層、第⑦層第一承壓水層和第⑨層第二承壓水層中，因3個(gè)承壓水含水層部分區(qū)域連續(xù)分布，可認(rèn)為地下水相互連通。

第⑤2層層頂埋深最淺處為16.8 m，根據(jù)《上海市基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，按抗突涌安全系數(shù)1.05計(jì)算基坑臨界開挖深度為8.05 m（承壓水水頭埋深按3.0 m計(jì)）。本項(xiàng)目基坑開挖深度10.45 m/14.95 m，均超過8.05 m，故本項(xiàng)目須對(duì)承壓水進(jìn)行降壓。

因本項(xiàng)目微承壓水層與第一承壓水層和第二承壓水層連通，止水帷幕無法隔斷承壓水，坑內(nèi)降壓勢(shì)必會(huì)引起坑外承壓水層水位波動(dòng)，而地鐵區(qū)間隧道底部位于微承壓水層中，因此合理確定隔水帷幕的長(zhǎng)度及制定合理的降水方案尤其重要。

根據(jù)計(jì)算，為確保A區(qū)基坑開挖至坑底不存在基坑突涌的風(fēng)險(xiǎn)，坑內(nèi)⑤2層微承壓水水頭埋深須降至13.5 m以深。按承壓水水頭降深10.5 m考慮，基坑四周止水帷幕須插入坑底不小于17.0 m，綜合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，最終止水帷幕插入坑底按22.9 m設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)置回灌應(yīng)急井。

（1）降壓井：A區(qū)基坑面積約為5459 m2，按照每500 m2布設(shè)1口⑤2層降壓井考慮，實(shí)際布置12口降壓井，另外布設(shè)2口水位觀測(cè)井。B區(qū)布設(shè)3口⑤2層降壓井兼作觀測(cè)井，考慮B區(qū)采用滿堂加固，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可不進(jìn)行降壓，故降壓井是備而不降，作為應(yīng)急井使用。

（2）回灌井：坑內(nèi)承壓水降水對(duì)坑外的影響受多重不確定因素影響。為確保地鐵隧道區(qū)域承壓水水位變化幅度在可控范圍之內(nèi)，基坑與地鐵隧道之間布設(shè)回灌井?？油獾冖?層回灌井兼水位觀測(cè)井按照地鐵50 m保護(hù)范圍內(nèi)井間距約10 m/口（回灌井布置參見圖6），濾管長(zhǎng)度為10.0 m。

基坑降承壓水期間，坑外承壓水水位波動(dòng)未超過地鐵公司要求的1.0 m，故本項(xiàng)目進(jìn)行過程中回灌井僅作為應(yīng)急儲(chǔ)備措施。表明地下連續(xù)墻的接頭在多重措施保障下止水效果良好，另外合理增加承壓水繞流路徑達(dá)到預(yù)期效果。

3.6 其它關(guān)鍵措施

（1）為確保地下連續(xù)墻的成墻質(zhì)量和減小成槽時(shí)成槽機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓對(duì)鄰近隧道的影響，兩側(cè)設(shè)置三軸水泥土攪拌樁槽壁加固。

（2）地下連續(xù)墻外側(cè)槽壁加固，水泥漿液水灰比調(diào)整至1.2，攪拌樁下沉速度≯0.5 m/min，提升速度≯1.0 m/min。

（3）鄰近地鐵側(cè)地下連續(xù)墻接頭采用十字鋼板剛性接頭，確保接頭止水可靠性。

（4）為減小B區(qū)基坑開挖至坑底后長(zhǎng)時(shí)間無底板暴露帶來的圍護(hù)變形增量，在墊層中開槽設(shè)置H300型鋼，間距按每幅地下連續(xù)墻不少于2根設(shè)置，可顯著改善墊層對(duì)圍護(hù)約束剛度不足的問題。

（5）地下連續(xù)墻外側(cè)未設(shè)槽壁加固段，在地下連續(xù)墻接頭處采用?2000 mm MJS工法樁加固處理，與三軸水泥土攪拌樁搭接長(zhǎng)度≮1.0 m。

（6）因地下連續(xù)墻底標(biāo)高與工程樁樁底標(biāo)高不一致，容易導(dǎo)致差異沉降，為防止地下連續(xù)墻與結(jié)構(gòu)樁基出現(xiàn)差異沉降，影響結(jié)構(gòu)與地下連續(xù)墻節(jié)點(diǎn)受力，在地下連續(xù)墻鋼筋綁扎時(shí)，埋設(shè)注漿管，在地下連續(xù)墻砼澆筑完成并達(dá)到一定強(qiáng)度后，墻底進(jìn)行注漿。此措施可以有效提高地下連續(xù)墻的承載力和減小其沉降［16-17］。

（7）淺埋共同管溝距離坑邊僅2.0 m，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在增加地下連續(xù)墻剛度和對(duì)被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行裙邊加固的情況下，仍無法滿足其變形控制要求。在共同溝兩側(cè)設(shè)置跟蹤注漿管，基坑開挖過程中當(dāng)管溝變形＞15 mm后立即進(jìn)行注漿頂升，確保管溝變形在可控范圍內(nèi)。

4 信息化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

圖7為基坑不同邊地下連續(xù)墻側(cè)向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終位移變化情況。由圖可知，隨著A區(qū)基坑的開挖，基坑?xùn)|側(cè)圍護(hù)測(cè)斜CX5變形最大值為49.58 mm，最大變形位置位于坑底附近；基坑南側(cè)（鄰近共同管溝）因考慮管溝保護(hù)，地下連續(xù)墻厚度為1000 mm，大于東側(cè)的800 mm，且被動(dòng)區(qū)設(shè)置三軸水泥土攪拌樁裙邊加固，圍護(hù)測(cè)斜CX7最大值為40.86 mm，最大變形位置位于第三道支撐與坑底之間；基坑北側(cè)（鄰近地鐵隧道）在A區(qū)基坑施工期間產(chǎn)生測(cè)斜變形最大為1.55 mm，B區(qū)施工期間圍護(hù)CX2累計(jì)變形最大值為17.54 mm，地鐵隧道最大變形6.52 mm。

圖7 地連墻測(cè)斜變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.7 Lateral displacements of the r etaining str ucture

基坑開挖前⑤2層實(shí)測(cè)初始水位埋深6.5 m，基坑開挖期間⑤2層實(shí)降水位約9.0 m，根據(jù)坑外水位觀測(cè)數(shù)據(jù)，坑外⑤2層水位最大降幅0.6 m，滿足了地鐵公司要求的基坑降水期間，坑外承壓水水位降幅≯1.0 m的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果，鄰近地鐵側(cè)圍護(hù)變形為17.54 mm，地鐵隧道變形為6.52 mm，滿足了嚴(yán)苛的地鐵變形控制要求。采用跟蹤注漿技術(shù)，共同管溝最終變形15.4 mm，保證了共同管溝結(jié)構(gòu)安全。

（2）坑內(nèi)承壓水水位降9.0 m的情況下，坑外水位平均降深0.6 m，表明通過加長(zhǎng)止水帷幕深度，增加承壓水繞流路徑，可以有效降低坑內(nèi)降承壓水對(duì)坑外的影響。

（3）針對(duì)基坑周邊復(fù)雜情況，按照“順挖施工，分坑圍護(hù)，限時(shí)開挖”總體思路，針對(duì)性地采用“兩墻合一”的設(shè)計(jì)理念，綜合運(yùn)用被動(dòng)區(qū)加固、預(yù)應(yīng)力伺服鋼支撐、墊層加設(shè)型鋼、抽灌一體化降水、強(qiáng)化地下連續(xù)墻接頭質(zhì)量等針對(duì)性較強(qiáng)的非常規(guī)措施，工程順利實(shí)施，證明了方案選型的合理性。同時(shí)也為類似工程的實(shí)施積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。