軟土地區(qū)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)分析與比選

文／楊云帆 上海張江高科技園區(qū)開發(fā)股份有限公司 上海 201203

引言：

聚焦長三角中心城區(qū)大型建筑項(xiàng)目的深基坑工程，場地土質(zhì)條件較差，周邊環(huán)境復(fù)雜，施工組織要求高，使其成為建設(shè)工程中的一大難點(diǎn)。作為施工重大危險(xiǎn)源，基坑外圍護(hù)及支撐系統(tǒng)雖然是地下室開挖的臨時(shí)施工措施，但其材料、人工投入在建安成本中卻有相當(dāng)大的占比，據(jù)統(tǒng)計(jì)可達(dá)5～10%左右，并且地下室回筑后會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄混凝土及鋼材。隨著“十四五”時(shí)期到來，“雙碳”目標(biāo)成為國家戰(zhàn)略。房地產(chǎn)建筑行業(yè)作為碳排放“大戶”迎來了關(guān)鍵的綠色化轉(zhuǎn)型升級階段。由此，在保證基坑及周邊環(huán)境安全的前提下，選擇經(jīng)濟(jì)適用的圍護(hù)體系，適當(dāng)減少材料用量并壓縮工期，從而達(dá)到節(jié)能減排、低碳環(huán)保的綠建目標(biāo)，是項(xiàng)目開發(fā)和設(shè)計(jì)工作中需要重點(diǎn)關(guān)注的課題。

1、工程概況

集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)園5-1 項(xiàng)目位于上海市浦東新區(qū)張江鎮(zhèn)，擬建物主要包括 2 棟 20 層辦公樓、1 棟 4 層和 1 棟 2 層的商業(yè)+配套多層建筑及滿堂地下 3 層地下室。擬建建筑地下室采用承臺樁+筏板的基礎(chǔ)形式，工程樁采用鉆孔灌注樁?；娱_挖面積為24300m2，東西向最大跨度177.6m，南北向最大跨度178.9m，基坑周長634m，邊界較不規(guī)則。普挖區(qū)開挖深度為14.00m，主樓區(qū)域挖深為15.10m（局部集水井、電梯井落深1.75～～3.40m，采用旋噴樁加固封底）。

場地西、北兩側(cè)為市政道路，管線敷設(shè)較為密集。西側(cè)地塊為既有樁基礎(chǔ)建筑，距基坑開挖邊線最近約35.7m，大于兩倍開挖深度。場地東北角為既有110kV電業(yè)開關(guān)站，基礎(chǔ)形式為天然基礎(chǔ)，距離基坑開挖邊線約13.3m，屬重點(diǎn)保護(hù)對象。場地東、南為規(guī)劃道路，存在局部堆土。詳見圖1 所示。

圖1 基坑周邊環(huán)境總平面圖

2、地質(zhì)水文條件

根據(jù)勘察報(bào)告，地基土主要由粘性土、粉性土、砂土組成。擬建場地受古河道切割影響，僅場地西北角有穩(wěn)定分布的⑥層土，其它區(qū)域?yàn)棰迣尤笔^(qū)。場地主要土層參數(shù)如表1 所示。

表1 土層圍護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)表

本場潛水年平均水位埋深一般為0.5～0.7m。設(shè)計(jì)時(shí)地下水位埋深建議按不利因素考慮，設(shè)計(jì)水頭埋深為0.5m。

擬建場地勘探深度內(nèi)賦存有⑤3-3層微承壓水、⑦層承壓水。兩者水位呈周期性變化，微承壓水水位埋深約 3.0～11.0m；承壓水水位埋深約 3.0～12.0m。按年最高水頭 3m 進(jìn)行抗突涌計(jì)算，⑤3-3層微承壓水頂板埋深最淺為 39.20m，一般區(qū)域（開挖深度 14.00m）Pcz/Pwy=1.25，無突涌風(fēng)險(xiǎn)；⑦層承壓水頂板埋深最淺為 30.50m（⑥層分布區(qū)）和36.90m（⑥層缺失區(qū)），⑥層分布區(qū)基坑一般區(qū)域（開挖深度 14.00m）Pcz/Pwy=1.08，無突涌風(fēng)險(xiǎn)；考慮基坑內(nèi)存在的局部落深坑，Pcz/Pwy<1.05，⑦層承壓水存在突涌可能。因此本工程擬設(shè)置⑦層水位觀測井兼?zhèn)溆镁?，觀測為主，必要時(shí)開啟，按需減壓。

3、圍護(hù)方案選型分析

3.1 工程特點(diǎn)、難點(diǎn)

（1）本工程為深大基坑，基坑形狀不規(guī)則，工期原因未作分坑。后期開挖引起的時(shí)空效應(yīng)對周邊環(huán)境影響較大。東北側(cè)有一較大陽角，不利于支撐平面布置和變形控制。

（2）基坑周邊環(huán)境相對復(fù)雜：基坑?xùn)|北角現(xiàn)狀變電站為淺基礎(chǔ)，鄰近變電站西側(cè)基坑環(huán)境保護(hù)等級為一級；基坑西、北兩側(cè)均緊鄰市政道路，下設(shè)地下管線，保護(hù)等級二級；其余側(cè)環(huán)境保護(hù)三級。

（3）不良地質(zhì)條件：場地普遍填土較厚，填土成分復(fù)雜，土質(zhì)不均，可能成為圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工的障礙物；淺部③t層灰色砂質(zhì)粉土滲透性較強(qiáng)，基坑開挖時(shí)易發(fā)生管涌、流砂的可能；場地大部分為古河道切割區(qū)域，⑥層硬土層缺失，分布有較厚的⑤3粉質(zhì)粘土，土性較差。

（4）承壓水突涌風(fēng)險(xiǎn)：擬建場地內(nèi)第⑦層承壓含水層遍布整個(gè)場地，受古河道切割影響層面起伏較大。根據(jù)承壓水突涌驗(yàn)算，在⑥層分布區(qū)域，基坑一般區(qū)域無突涌風(fēng)險(xiǎn)，局部深坑區(qū)域第⑦層承壓水存在產(chǎn)生突涌可能，需要考慮抽降承壓水對環(huán)境的不利影響。

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)適用性評價(jià)

（1）鉆孔灌注樁排樁+止水帷幕

對于開挖深度15m 以內(nèi)的基坑工程，鉆孔灌注樁排樁+止水帷幕是可選的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式。其施工工藝簡單，質(zhì)量易于控制，施工時(shí)對周邊環(huán)境影響小。止水帷幕可根據(jù)工程環(huán)境特點(diǎn)、基坑開挖深度等要求采用雙軸水泥攪拌樁、三軸水泥攪拌樁或旋噴樁。

鉆孔灌注樁的優(yōu)點(diǎn)包括受力性能可靠、工藝成熟，剛度可通過樁徑靈活調(diào)整，施工速度較快；對于規(guī)模較大的基坑其造價(jià)一般可比地下連續(xù)墻（兩墻合一）節(jié)省約20%～30%；作為非擠土樁，灌注樁施工對周邊環(huán)境影響??；鉆孔灌注樁后設(shè)三軸水泥土攪拌樁止水，止水性能較好。

鉆孔灌注樁的不足之處在于其剛度與相應(yīng)地下連續(xù)墻相當(dāng)時(shí)，整體性卻不如后者，實(shí)際施工中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍地層變形也要比地下連續(xù)墻大；水下混凝土澆筑是保證灌注樁樁身質(zhì)量的關(guān)鍵工序，受力穩(wěn)定性依賴于現(xiàn)場施工質(zhì)量，大直徑鉆孔灌注樁施工可靠性較差，樁徑大于1m時(shí)，不能采用常規(guī)GPS 鉆機(jī)施工；鉆孔灌注樁自身不具備擋水性，需另設(shè)止水帷幕；施工產(chǎn)生的廢棄泥漿存在環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，需按相關(guān)規(guī)定采取現(xiàn)場干化處理。

（2）地下連續(xù)墻

對開挖深度超過15m 或不超15m 但周邊環(huán)境保護(hù)要求較高的基坑，宜采用地下連續(xù)墻圍護(hù)體形式，在上海地區(qū)是一種傳統(tǒng)和成熟的圍護(hù)形式。

地下連續(xù)墻具有剛度大，整體性好的優(yōu)點(diǎn)，其施工工藝成熟，成墻質(zhì)量可靠，施工風(fēng)險(xiǎn)較小。從對周邊環(huán)境保護(hù)角度來講，剛度相當(dāng)?shù)牡叵逻B續(xù)墻和鉆孔灌注樁，地墻的整體剛度表現(xiàn)的效果更好，圍護(hù)結(jié)構(gòu)體變形和周圍地層的位移、沉降均較小，尤其適合周邊環(huán)境保護(hù)要求較高、基坑開挖較深的基坑工程。此外地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)不需要再單獨(dú)設(shè)置防滲樁，僅在墻幅之間作防滲處理，既擋土，又防滲。

地下連續(xù)墻的缺點(diǎn)在于其圍護(hù)結(jié)構(gòu)造價(jià)通常較常規(guī)鉆孔灌注排樁高，且鋼筋加工場、大型施工設(shè)備等占用場地大，施工面協(xié)調(diào)難度高。地墻的成槽、導(dǎo)墻施工對周邊環(huán)境影響較大。若采用“兩墻合一”方案，地下室應(yīng)按照地墻外邊線退界，損失地下使用面積。

圖2 鉆孔灌注排樁+止水帷幕圍護(hù)示意圖

圖3 地下連續(xù)墻圍護(hù)示意圖

4、圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比選

4.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）鉆孔灌注樁+三軸水泥土攪拌樁止水帷幕方案

普挖區(qū)圍護(hù)樁采用鉆孔灌注樁Φ1000@1200，樁長29.0～33.0m；變電站區(qū)域適當(dāng)增加圍護(hù)體系剛度，采用鉆孔灌注樁Φ1200@1400，樁長 31.0m。止水帷幕為三軸水泥土攪拌樁Φ850@600，套接一孔施工，水泥摻量 20%，樁長 21m。豎向設(shè)置三道水平鋼筋砼支撐，從上至下支撐截面分別為1000×800、1200×900、1200×800?？觾?nèi)被動(dòng)土體采用Φ850@600 三軸水泥土攪拌樁進(jìn)行墩式加固，加固寬度5.65m；坑底以下強(qiáng)加固厚度4m，水泥摻量 20%，坑底以上弱加固至第一道支撐底，水泥摻量10%；被動(dòng)土體加固與圍護(hù)樁之間縫隙采用Φ800@600 旋噴樁充填。

（2）地下連續(xù)墻方案

普挖區(qū)地墻厚800mm，墻長 29.0～33.0m；變電站區(qū)域適當(dāng)增加圍護(hù)體系剛度，墻厚增加到1000mm，墻長 31.0m。地墻內(nèi)、外兩側(cè)設(shè)置槽壁加固，采用三軸水泥土攪拌樁Φ850@600，水泥摻量 20%。內(nèi)側(cè)槽壁加固樁長約18m，搭接250mm 施工；外側(cè)槽壁加固樁長 21m，套接一孔施工。地墻槽段范圍應(yīng)進(jìn)行地坪硬化并設(shè)置導(dǎo)墻。支撐布置及坑內(nèi)加固做法同排樁方案。

4.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形計(jì)算

采用豎向彈性地基梁法按水土分算原則進(jìn)行計(jì)算，土層c、φ 值均采用固結(jié)快剪峰值指標(biāo)，地面超載取20kPa，鄰近建筑物超載按實(shí)際情況考慮。各工況包絡(luò)計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 鉆孔灌注樁方案典型剖面計(jì)算結(jié)果匯總表

由上表可以看出，鉆孔灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。地下連續(xù)墻方案內(nèi)力及穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果與排樁相近，墻體位移較排樁減小1～2cm。

4.3 環(huán)境影響有限元數(shù)值模擬算

本工程東北角2F 變電站環(huán)境保護(hù)要求較高，僅用規(guī)范方法無法有效計(jì)算基坑開挖對其影響情況。且鉆孔灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體性不及地下連續(xù)墻，若采用此方案，應(yīng)通過有限元數(shù)值模擬的方法，補(bǔ)充基坑開挖對鄰近建筑影響的數(shù)值模擬分析。

本次數(shù)值模擬軟件采用Plaxis，分析計(jì)算模型中包含土體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、坑內(nèi)加固、支撐體系、鄰近建（構(gòu)）筑物等結(jié)構(gòu)，其中土體采用適用于上海軟土層的小應(yīng)變硬化土模型本構(gòu)關(guān)系（HS-small 模型），土體材料采用彈塑性模型模擬，計(jì)算單元選用精度較高的三角形15 節(jié)點(diǎn)單元；其他混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用線彈性模型模擬。模型水平方向總長取120m，豎直方向取地表以下50m。模型左側(cè)邊界施加固定水平向位移約束，右側(cè)邊界施加對稱約束，底部邊界施加固定水平、豎向位移約束邊界條件。降，始終保持著坑底以下1.0m 處。變電站區(qū)域位移矢量見下圖4，模擬變形結(jié)果匯總見表3。

圖4 圍護(hù)樁測斜位移矢量圖（左）、變電站位移矢量圖（右）

表3 模擬變形結(jié)果匯總

通過上述模擬結(jié)果可以看出，變電站區(qū)域最大附加變形滿足規(guī)范要求。

4.4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)工期造價(jià)對比

經(jīng)過上述圍護(hù)結(jié)構(gòu)截面設(shè)計(jì)與分析計(jì)算，初步確定兩種方案圍護(hù)體布置情況及深度要求，對成本比較敏感的主要材料用量及造價(jià)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果詳見下表4。

由上表4 可以看出，采用灌注樁方案工程造價(jià)可節(jié)省約1470 萬，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢較為明顯。另外結(jié)合此類項(xiàng)目工程經(jīng)驗(yàn)，灌注樁作業(yè)機(jī)械設(shè)備較為靈活，利于施工面的管理和協(xié)調(diào)，且工序相對簡單可控，可通過增加樁架提高成樁效率，從而縮短工期。通常類似體量項(xiàng)目其工期往往較地墻方案縮短約1 個(gè)月左右。

表4 圍護(hù)方案造價(jià)估算對比表

結(jié)語：

“十四五”時(shí)期，在綠色地產(chǎn)新理念的引領(lǐng)下，因地制宜、節(jié)能減排的開發(fā)思路越發(fā)得到推廣。本項(xiàng)目通過前期完善的方案比選，在滿足基坑安全和環(huán)境保護(hù)要求的前提下采用排樁方案，節(jié)約了大量圍護(hù)工程量和工期，減少了廢棄建材的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了安全環(huán)保、降低污染的開發(fā)目標(biāo)。目前本工程已順利通過市科技委專家論證，相關(guān)方案分析比選經(jīng)驗(yàn)供同類項(xiàng)目基坑工程設(shè)計(jì)和管理參考借鑒。