緊鄰保留改造建筑的多種圍護形式基坑施工關鍵技術(shù)

吳波士

上海建工七建集團有限公司 上海 200050

從我國較多的工程實例總結(jié)來看，基礎施工占到了整個建筑物施工很大的份額，不管是工程造價還是工期，基礎都要占到1/3以上，大型工程甚至會占到1/2。其中基坑圍護工程對整個地下結(jié)構(gòu)施工期間的安全來說至關重要。通常情況下，單一的圍護形式因施工簡便及圍護結(jié)構(gòu)完成的可靠性、便利性等特點而被采納[1-2]。然而單一的圍護形式（例如支撐體系）往往造價高昂，如何既能滿足基坑圍護的安全技術(shù)要求，又能節(jié)約項目成本，加快工程進度，是亟待解決的問題。本文以上海市奉賢區(qū)青少年活動項目為例，根據(jù)地質(zhì)、復雜周邊環(huán)境條件等工況，研究了多種圍護形式在同一基坑工程中的優(yōu)化與應用。

1 工程概況

奉賢區(qū)青少年活動中心項目位于上海市奉賢區(qū)奉賢新城19單元16-02地塊。該工程為綜合性大型公共文化建筑綜合體，包含工人文化宮、文化館、青少年活動中心、婦女兒童發(fā)展指導中心、殘疾人綜合服務中心五大文化功能（圖1）。

圖1 工程效果圖

項目地上4層，地下1層，建筑高度24 m，共包含8棟單體，為綜合性大型公共文化綜合體，地下室主要為車庫及設備機房。7棟新建單體為鋼框架結(jié)構(gòu)，1棟改建單體為混凝土框架結(jié)構(gòu)。

項目總建筑面積約9.4萬 m2?；娱_挖面積約3.1萬 m2，基坑周長約981 m，基坑大面積挖深約5.7 m，局部降板區(qū)域挖深約8.1 m，基坑為不規(guī)則多邊形，總出土量約19.5 萬 m3。

2 工程地質(zhì)與周邊環(huán)境

該基坑工程地質(zhì)條件較差，為上海典型土層，基坑開挖深度范圍內(nèi)分布有較厚的③、④層淤泥質(zhì)土層，土層軟弱，不利于基坑施工?；铀闹茑徑缆罚缆废掠卸鄺l市政管線，但離基坑較遠，場地內(nèi)基坑東南角有局部保留建筑物，周邊環(huán)境較復雜，基坑環(huán)境保護等級除東南角保留建筑物區(qū)域為二級外，其余區(qū)域均為三級。

3 多種基坑圍護結(jié)構(gòu)形式的應用

3.1 基坑圍護方案優(yōu)化的工程背景

該工程采用設計、采購、施工一體化模式（EPC工程總承包模式），項目運營模式為總價包干類別，施工單位與設計單位的成本、利益、風險共享。EPC總承包盈利模式需各個分項內(nèi)容統(tǒng)籌考慮，優(yōu)選出既能滿足業(yè)主功能和工藝要求，又能降低工程造價的方案。在該工程圍護初步設計出圖時，總承包單位充分發(fā)揮設計施工聯(lián)動的優(yōu)勢，在保證基坑圍護安全性的前提下，針對圍護形式方案的選擇進行多次比選與技術(shù)優(yōu)化。

3.2 初步圍護方案設計（重力壩＋鉆孔樁）

初版圍護結(jié)構(gòu)考慮到重力壩圍護形式無內(nèi)支撐，且方便土方開挖、工期相對較短等特點，因此大部分區(qū)域均采用雙軸攪拌樁重力壩的圍護形式，鄰近保留建筑物采用鉆孔樁＋雙軸攪拌樁作為擋土止水系統(tǒng)，豎向設置1道內(nèi)支撐的支護形式（圖2）。

圖2 基坑圍護平面（原設計）

攪拌樁采用φ700 mm@1 000 mm雙軸水泥土攪拌樁，水泥摻量13%，攪拌樁搭接200 mm，重力壩壓頂厚度300 mm，內(nèi)配φ8 mm@200 mm雙向鋼筋。鉆孔樁采用φ650 mm，混凝土等級為C30，鉆孔樁間距200 mm，鉆孔樁與止水帷幕間距150 mm。

3.3 多種基坑圍護形式優(yōu)化后方案

3.3.1 東南角保留改造建筑區(qū)域圍護選型優(yōu)化

基坑東南角鄰近1棟保留改造建筑，此區(qū)域為本基坑工程控制的重點，需保護其結(jié)構(gòu)、基礎不受基坑開挖影響。由于場地無卸土條件，圍護結(jié)構(gòu)施工空間有限，考慮工法樁剛度較小，且與保留建筑距離較近，后期內(nèi)插型鋼拔除可能存在困難，增加造價且型鋼拔除時對周邊環(huán)境有一定影響。因此靠近改造建筑的東南角區(qū)域仍采用圍護結(jié)構(gòu)剛度較大、對變形控制較為有利的鉆孔灌注樁＋止水帷幕＋鋼支撐的圍護形式。對撐另一側(cè)靠近北側(cè)淺基礎的區(qū)域位移控制及穩(wěn)定性要求相比鄰近改造建筑側(cè)較低，采用工法樁的形式。

3.3.2 降板區(qū)域圍護選型優(yōu)化

對于挖深8.1 m的降板區(qū)域，原圍護方案在頂部以1∶1.5放坡卸土2 m，再采用1道鋼管斜拋撐圍護的方案（圖3）?？紤]到降板區(qū)域與場地西北角施工生活區(qū)臨設相距較近且需預留一定余量布置施工道路，否則無法環(huán)通。同時，若無卸土條件，則原先1道斜拋撐無法滿足此區(qū)域位移控制要求，因此改為2道斜拋撐（圖4）。

圖3 降板區(qū)原圍護結(jié)構(gòu)設計剖面

圖4 降板區(qū)優(yōu)化后圍護結(jié)構(gòu)剖面

支撐牛腿位于降板區(qū)東側(cè)地下室結(jié)構(gòu)底板及頂板上，因此牛腿擱置處的地下室分區(qū)在整個基坑開挖過程中的優(yōu)先級需提前。

3.3.3 轉(zhuǎn)角處及其他區(qū)域圍護選型優(yōu)化

該基坑工程受場地限制較小，例如基坑西側(cè)周邊場地寬松，基坑開挖邊線至圍墻邊線約22 m，有足夠空間采用二級放坡的圍護形式，但根據(jù)地勘報告，現(xiàn)場有③t層砂質(zhì)粉土層存在，在一定水動力條件下易發(fā)生塌方、管涌、流砂等不良地質(zhì)現(xiàn)象，因此二級放坡區(qū)域采用雙排雙軸攪拌樁加強止水效果。

根據(jù)圍護及地下室結(jié)構(gòu)施工階段的場布圖，合理調(diào)整了周邊道路、臨時設施、材料堆場、距紅線較近或?qū)ξ灰瓶刂埔筝^高區(qū)域的圍護形式。采用一級放坡＋工法樁的圍護形式?；咏遣啃巫冚^大的區(qū)域輔以角撐作為加固。

3.3.4 優(yōu)化后的多種基坑圍護形式

1）雙軸攪拌樁止水帷幕＋二級放坡：止水帷幕采用2φ700 mm@900 mm雙軸水泥土攪拌樁；采用1∶1.5放坡，坡面設60 mm厚C20細石混凝土護坡。

2）工法樁＋一級放坡：工法樁采用2φ700 mm@1 000 mm雙軸水泥土攪拌樁內(nèi)插H500 mm×300 mm×11 mm×18 mm型鋼，頂部設置1道1 200 mm×800 mm圈梁；采用1∶1.5放坡，坡面設置60 mm厚的C20細石混凝土護坡。

3）鉆孔灌注排樁＋雙軸攪拌樁止水帷幕：排樁采用φ600 mm@800 mm鉆孔灌注樁，樁頂設置1道1 200 mm×800 mm圈梁；止水帷幕采用雙排φ700 mm@1 000 mm雙軸水泥攪拌樁。

4）雙軸攪拌樁重力壩：采用2φ700 mm@1 000 mm雙軸水泥土攪拌樁，壩體寬度4.2 m，攪拌樁長11.0 m，攪拌樁內(nèi)外排插長5.0 m、φ48 mm×3.0 mm鋼管，壩頂設置200 mm厚C20細石混凝土壓頂（圖5）。

圖5 基坑圍護平面（優(yōu)化后）

鋼支撐包含4處角撐、1處對撐、2處降板區(qū)域斜拋撐，均采用φ609 mm×16 mm鋼管。鋼管連桿采用H500 mm×300 mm×11 mm×18 mm型鋼，支撐相交處設置立柱。立柱樁為φ700 mm雙軸攪拌樁，長度15.0 m，水泥摻量18%。H型鋼和鋼管撐強度等級為Q235B（圖6）。

圖6 支撐平面布置

3.4 基坑開挖施工關鍵路線策劃與實施

基坑開挖按照后澆帶劃分各小塊（圖7）?；油练搅吭?9.5萬 m3左右，整個場地先卸土1.5～2.0 m進行輕型井點降水后再分塊開挖。由于場地及道路等條件限制，每天出土量控制在4 000 m3以內(nèi)。

圖7 基坑開挖分區(qū)示意

由于降板區(qū)需等周邊區(qū)域施工至頂板并養(yǎng)護達到設計強度再開挖，因此1-1區(qū)待周邊圍護及降水完成后作為第1次土方開挖的區(qū)域。第2次開挖范圍為1-2區(qū)，跳倉施工。第3次開挖范圍為2-1區(qū)、2-2區(qū)，由于東側(cè)外墻外有高壓電纜，2-2區(qū)在2-1區(qū)底板澆筑完成后再開挖施工。2區(qū)土方開挖前，4區(qū)淺基礎需施工完成，4區(qū)基坑南側(cè)、西側(cè)20 m范圍內(nèi)卸土2.75 m。

第4次土方開挖為1-3區(qū)降板區(qū)，降板區(qū)地下室結(jié)構(gòu)施工期間，第2道支撐通過φ609 mm鋼管端頭的400 mm×400 mm的H型鋼與鋼圍檁連接，通過焊接穿墻止水片穿墻施工、不拆撐。最后破除3區(qū)與1區(qū)中間的臨時施工道路，開挖西側(cè)二級放坡段的3區(qū)（圖8～圖11）。

圖8 第1階段挖土工況

圖9 第3階段挖土工況

圖10 第4階段挖土工況

圖11 第5階段挖土工況

4 實施效果

工期方面，多種形式圍護于工程樁完成、孔隙水壓力消散后開始施工。從2019年6月25日開始打設雙軸攪拌樁圍護至2019年8月30日完成先開挖分區(qū)的降水與鋼支撐的安裝，具備挖土前置條件，歷時2個月。整個地下室于2019年12月31日出±0 m，圓滿地提前完成地下室結(jié)構(gòu)階段的施工，為上部結(jié)構(gòu)及裝飾施工作了充足的準備。

經(jīng)濟效益方面，在滿足基坑安全性的前提下，經(jīng)測算，優(yōu)化后的基坑圍護方案較原圍護方案，工程成本共節(jié)逾600萬元。

整個基坑圍護安全性方面，根據(jù)監(jiān)測總結(jié)報告，在整個基坑開挖過程中，各個監(jiān)測項目均有一定的變化量，少部分測點的日變化量超過了報警值，但在施工中均采取了相應的施工措施，確保了基坑圍護體系和周邊環(huán)境的安全。以對保留改造建筑的影響為例，共在保留改造建筑周邊布設12個沉降監(jiān)測點和4個傾斜監(jiān)測點。

監(jiān)測結(jié)果顯示，整個地下室施工階段，施工對保留改造建筑的影響較小，整體變形在報警值范圍內(nèi)。在樁基施工過程中，周邊土體受到擾動，建筑物呈下沉趨勢。在開挖時，因為坑內(nèi)土方的卸載，致使坑內(nèi)外土體壓力失衡，最終呈現(xiàn)出周邊建筑物上抬的現(xiàn)象，但無明顯差異沉降。在底板澆筑完成后，周邊變化逐漸趨向于穩(wěn)定狀態(tài)，最終累計量變化范圍在1.10～8.45 mm。在開挖過程中，保留改造建筑未出現(xiàn)明顯傾斜變化。

5 結(jié)語

本文以奉賢區(qū)青少年活動中心項目基坑工程為例，在基坑開挖面積大、施工周期長、變形控制要求高的情況下，因地制宜地采用多種圍護形式對整個基坑進行圍護優(yōu)化、施工策劃，最終在工程進度、經(jīng)濟成本、基坑安全性等方面取得理想的效果，可為相似特點、難點的工程施工提供借鑒。