軟土復(fù)雜環(huán)境條件某主變電站深基坑設(shè)計(jì)

呂琦

（上海市地礦工程勘察（集團(tuán)）有限公司，上海 200072）

0 引言

隨著上海城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，深基坑工程［1，2］越來(lái)越多，周邊環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜，基坑周邊往往鄰近大量建構(gòu)筑物、城市干道及市政管線等［3，4］。而上海屬于典型的軟土地區(qū)，第四紀(jì)沉積物深厚且土層軟弱，同時(shí)地下水位較高，并伴有潛水、微承壓水、承壓水等多層地下水分布，因此上海地區(qū)的深基坑開挖存在較大的難度和挑戰(zhàn)［5］。

文中以上海軌道交通14號(hào)線某地鐵站110kV主變電站項(xiàng)目深基坑工程為背景，介紹位于軟土地區(qū)復(fù)雜環(huán)境條件下深基坑工程的設(shè)計(jì)思路與設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 工程概況

1.1 基坑概況

項(xiàng)目位于上海市浦東新區(qū)，地下主體結(jié)構(gòu)為全地下現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地上主體結(jié)構(gòu)為1層變電房。工程±0.000相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高4.450，自然地坪設(shè)計(jì)絕對(duì)標(biāo)高為3.950，即相對(duì)標(biāo)高為-0.500?；?xùn)|西寬約37m，南北向長(zhǎng)約73m，面積約為2672.4m2，總延長(zhǎng)米約為215.8m，基坑形狀較為規(guī)則；地下室底板面標(biāo)高-18.900，底板厚度1300mm，墊層厚度300mm，普遍開挖深度為20m，屬于深基坑工程。

1.2 周邊環(huán)境

擬建場(chǎng)地位于浦東新區(qū)羅山路以西、昌邑路以南地塊，場(chǎng)地周邊均為已建道路及已有建（構(gòu)）筑物，且距離較近，周邊環(huán)境條件復(fù)雜見(jiàn)圖1。

圖1 基坑周邊環(huán)境圖

（1）基坑?xùn)|側(cè)開挖邊線距離用地紅線約10.2m，紅線外為羅山路，道路寬約38m，道路下埋設(shè)有電信、燃?xì)?、上水等市政管線，距離基坑邊線13.5～48.8m。羅山路上方為內(nèi)環(huán)高架路-楊浦大橋見(jiàn)圖2所示，楊浦大橋邊線與基坑邊線的最近距離約為23.7m，該大橋已建成21年，上部結(jié)構(gòu)形式為連續(xù)簡(jiǎn)支T梁，下部結(jié)構(gòu)橋墩采用雙柱式或三柱式蓋梁的結(jié)構(gòu)形式。位于工程?hào)|側(cè)的主要為EK1墩、EK2墩和EK3墩，EK1墩、EK2墩采用預(yù)制方樁（0.4×0.4）承臺(tái)基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)30m，持力層為⑦1-1層；EK3墩采用鉆孔灌注樁（D=1.0）承臺(tái)基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)44m，持力層為⑦2層。

（2）基坑南側(cè)開挖邊線距離用地紅線約13.3m，紅線外為浦東大道，道路寬約30.0m，道路兩旁埋設(shè)有上水管，距離基坑邊線最近約23.3m。浦東大道道路下為已建成地鐵站，車站采用地連墻的圍護(hù)形式，樁基礎(chǔ)采用800mm灌注樁，車站目前已施工完成，車站外墻線與基坑邊線的最近距離約為20.60m，車站本體與工程之間有附屬設(shè)施連接，工程施工階段該車站尚未投入使用，附屬設(shè)施與工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)部分公用，且圍護(hù)體同時(shí)施工，待主體結(jié)構(gòu)出±0.000方開挖車站附屬設(shè)施區(qū)域。

（3）基坑西側(cè)開挖邊線距離用地紅線約4.5m，紅線外為龍珠廣場(chǎng)，其中龍珠廣場(chǎng)下部設(shè)2層地下室，基底埋深約9m，上部設(shè)4層商業(yè)裙房及2個(gè)主塔樓-龍珠商務(wù)樓及龍珠公寓見(jiàn)圖3，龍珠商務(wù)樓為24層，龍珠公寓為28層，主體結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)，樁基采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，其中塔樓區(qū)域下部樁徑為800，樁長(zhǎng)39.5m；裙房區(qū)域下部樁徑為600，樁長(zhǎng)24.5m。龍珠廣場(chǎng)圍護(hù)體外邊線與基坑邊線的最近距離約為8.50m，地下室外墻線與基坑邊線的最近距離約為11.80m。龍珠廣場(chǎng)與工程之間埋設(shè)有電信、燃?xì)獾榷喾N市政管線，距離工程基坑邊線8.3～11.9m。

圖3 西側(cè)龍珠廣場(chǎng)

（4）基坑北側(cè)開挖邊線距離用地紅線約5.4m，紅線外為昌邑路，道路寬約16.0m。昌邑路下埋設(shè)有電信、電力、燃?xì)?、上水等市政管線，距離工程基坑邊線3.9～25.5m。

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

（1）擬建位于長(zhǎng)江三角洲入?？跂|南前緣，屬三角洲沖擊平原，地貌形態(tài)單一。場(chǎng)地地勢(shì)較為平坦，無(wú)明浜等地表水體分布，地面標(biāo)高在3.88～4.00m之間。

（2）基坑開挖深度范圍內(nèi)主要影響的土層有①1層雜填土、②層粉質(zhì)粘土、③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、④層淤泥質(zhì)粘土、⑤1層粉質(zhì)粘土、⑥層粉質(zhì)粘土、⑦1-1層砂質(zhì)粉土、⑦1-2層粉砂、⑦2層粉砂；①1層雜填土結(jié)構(gòu)較松散且土質(zhì)不均；③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土及④層淤泥質(zhì)粘土呈流塑狀態(tài)，具有高含水量、高壓縮性、高靈敏度、低強(qiáng)度等特征，為上海地區(qū)典型的軟弱土層，易受擾動(dòng)變形?；邮┕み^(guò)程中易引起基坑周圍土體發(fā)生較大的沉降、側(cè)移以及基坑坑底隆起，進(jìn)而導(dǎo)致基坑周邊鄰近建（構(gòu)）筑物、道路和地下管網(wǎng)產(chǎn)生較大變形，影響其安全和正常使用，對(duì)基坑工程影響較大。土層主要物理力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表1［6］。

表1 土層主要物理力學(xué)性能參數(shù)

（3）擬建場(chǎng)地地下水類型主要為淺部土層的潛水和深部粉（砂）土層中的承壓水。潛水主要受大氣降水及地表逕流補(bǔ)給，水位呈季節(jié)性變化，地下水高水位埋深按地表下0.5m考慮，低水位埋深按地表下1.5m考慮。承壓水分布在⑦層砂質(zhì)粉土、粉砂中，承壓水含水層水位年呈周期性變化，承壓水水位埋深的變化幅度一般在3.0～12.0m；場(chǎng)地內(nèi)⑦層最淺層面埋深30.7m，承壓水水頭埋深按3.00m考慮，根據(jù)計(jì)算，抗突涌安全系數(shù)Ks=0.7，基坑存在突涌可能。

3 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.1 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)

（1）工程基坑開挖深度大，會(huì)引起土體較大變形；且基底以上開挖涉及的土層主要為深厚軟弱粘性土，若不及時(shí)支撐，其流變特性會(huì)使變形更大。

（2）工程場(chǎng)地周邊環(huán)境復(fù)雜，四周分布已建道路、建（構(gòu)）筑物及多種重要市政管線等，位于基坑1～3倍開挖深度影響范圍內(nèi)，保護(hù)要求高。

（3）工程存在承壓水突涌的可能，需設(shè)置減壓降水井，但由于⑦層承壓含水層厚度大，圍護(hù)墻不能隔斷承壓水水力聯(lián)系，基坑減壓降水過(guò)程中需注意采取措施減小對(duì)鄰近內(nèi)環(huán)高架、道路、地下管線及已有建（構(gòu)）筑物的影響。

根據(jù)工程的開挖深度、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、周邊環(huán)境條件等，按照上海市工程建設(shè)規(guī)范DG/TJ 08-61-2010《基坑工程技術(shù)規(guī)范》及SZ-08-2000《上海地鐵基坑工程施工規(guī)程》，基坑安全等級(jí)為一級(jí)，環(huán)境保護(hù)等級(jí)為一級(jí)［7，8］。

3.2 基坑支護(hù)方案

3.2.1 圍護(hù)體系設(shè)計(jì)

針對(duì)工程的基坑開挖深度、面積、場(chǎng)地內(nèi)的土層地質(zhì)及周邊環(huán)境等實(shí)際情況，在安全、合理、經(jīng)濟(jì)、可行的基本原則下，確定工程采用順作法施工，基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案采用“兩墻合一”地下連續(xù)墻［9］結(jié)合四道鋼筋混凝土水平支撐的形式，支護(hù)剖面圖見(jiàn)圖4。

圖4 基坑支護(hù)剖面圖（單位：mm）

圍護(hù)墻采用1.0m厚地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為水下C35，抗?jié)B等級(jí)P8，地墻有效長(zhǎng)度48.0m，其中地墻-36.500～-48.750段采用構(gòu)造配筋，樁端進(jìn)入⑦2粉砂層。為加強(qiáng)止水，兩幅地墻之間采用十字鋼板接頭連接。鋼筋混凝土支撐體系采用邊桁架結(jié)合角、對(duì)撐的布置形式，第一道支撐混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，第二道支撐混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C35，第三、四道支撐混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40。為便于施工，提高出土效率，第一道支撐中部對(duì)撐區(qū)域設(shè)置施工棧橋。具體支撐布置形式見(jiàn)圖5，桿件參數(shù)見(jiàn)表2。

圖5 第一道支撐平面布置

表2 支撐桿件參數(shù)

由于第四道支撐拆除之后，第三道支撐與底板面之間的距離為7.5m，跨度較大，易產(chǎn)生較大的變形，因此在底板周邊利用內(nèi)襯墻設(shè)置上翻鋼筋混凝土牛腿進(jìn)行換撐，以減小拆撐后的跨度，控制圍護(hù)變形量。

3.2.2 地基加固方案

由于基坑開挖面位于軟弱粘性土層中，施工過(guò)程中土層受到擾動(dòng)后易產(chǎn)生較大變形，影響周邊環(huán)境安全。為控制基坑變形，坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)采用三軸水泥土攪拌樁進(jìn)行裙邊加固，加固寬度6.05m，水泥摻量：-1.300～-20.500標(biāo)高范圍水泥摻量為12%，-20.500～-24.000標(biāo)高水泥摻量20%。加固樁與地墻之間空隙采用800@500高壓旋噴樁填充，高壓旋噴樁有效樁長(zhǎng)22.70m。所有加固體在基坑開挖時(shí)，28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度須不低于1.0MPa。

3.2.3 基坑降水方案

工程需要處理的地下水為潛水和承壓水。潛水賦存于淺部土層中，采用真空深井進(jìn)行疏干。通過(guò)疏干淺部土層中的潛水，特別是對(duì)第③層和第④層淤泥質(zhì)粘性土體的疏干，可以減少坑內(nèi)土體含水量，提高土體穩(wěn)定性，防止土體在開挖過(guò)程中發(fā)生縱向滑坡，方便挖掘機(jī)和工人在坑內(nèi)施工，提高施工效率；同時(shí)可以提高坑內(nèi)土體抗力，從而減少坑底隆起和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量，防止坑外地表過(guò)量沉降。

承壓水分布在⑦層砂質(zhì)粉土、粉砂中，采用降壓井進(jìn)行減壓降水以確?；邮┕み^(guò)程中的抗突涌穩(wěn)定性，保證基坑開挖的安全。承壓降水遵循“按需降壓”的原則，在降水運(yùn)行過(guò)程中隨開挖深度逐步降低水頭，控制承壓水頭與上覆土壓力滿足基坑穩(wěn)定性要求，降低降水對(duì)周圍環(huán)境的影響。由于工程基坑周邊環(huán)境保護(hù)要求較高，且地下連續(xù)墻未隔斷承壓含水層，在基坑周邊間隔10m設(shè)置一口回灌井，并遵循“按需回灌”的原則進(jìn)行回灌，保證坑外建（構(gòu)）筑物不發(fā)生較大沉降。

4 實(shí)施效果分析

工程在實(shí)施過(guò)程中，對(duì)基坑和周邊環(huán)境進(jìn)行了全面監(jiān)測(cè)，包含圍護(hù)墻體位移、支撐軸力、周邊地表沉降、周邊管線變形、鄰近建（構(gòu)）筑物、地下水位等。其中沿圍護(hù)墻周邊共布置17個(gè)測(cè)斜點(diǎn)，測(cè)斜點(diǎn)Q1～Q3位于基坑北側(cè)，測(cè)斜點(diǎn)Q4～Q8位于基坑?xùn)|側(cè)，測(cè)斜點(diǎn)Q9～Q11位于基坑南側(cè)，測(cè)斜點(diǎn)Q12～Q17位于基坑西側(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，基坑開挖至基底時(shí)，圍護(hù)墻體各測(cè)斜點(diǎn)位移最大值在25～31mm之間，位移量最大處基本上位于樁身17～18m處，位移量最大值及圍護(hù)墻體變形曲線與同濟(jì)啟明星深基坑支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件計(jì)算結(jié)果基本一致見(jiàn)圖6。另外，由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，基坑?xùn)|側(cè)變形大于其他三側(cè)變形，分析原因是由于東側(cè)設(shè)置了施工道路和材料堆場(chǎng)，且距離基坑較近，導(dǎo)致該側(cè)在車輛動(dòng)載和材料堆載作用下發(fā)生較大變形，因此在施工過(guò)程中應(yīng)盡量控制周邊荷載的大小以及與基坑之間的距離，避免對(duì)基坑造成不利影響。

圖6 圍護(hù)墻側(cè)向計(jì)算位移與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

每道支撐設(shè)置8個(gè)支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，根據(jù)支撐軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果，第一道支撐最大軸力監(jiān)測(cè)值約為3280kN，小于軸力監(jiān)測(cè)報(bào)警值6400kN；第二道支撐最大軸力監(jiān)測(cè)值約為9650kN，略小于軸力監(jiān)測(cè)報(bào)警值10500kN；第三道支撐最大軸力監(jiān)測(cè)值約為13162kN，接近軸力監(jiān)測(cè)報(bào)警值13200kN；第四道支撐最大軸力監(jiān)測(cè)值約為13137kN，接近軸力監(jiān)測(cè)報(bào)警值13200kN。工程支撐桿件截面選取較為合理，支撐體系實(shí)施效果較好。另外，通過(guò)對(duì)基坑開始挖土至底板澆筑完成階段兩組支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZLi-4和ZLi-5（i代表第i道支撐，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位見(jiàn)圖5）的軸力監(jiān)測(cè)值進(jìn)行分析可見(jiàn)，在此期間每道支撐軸力基本呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且每道支撐軸力在其下方土體開挖期間增長(zhǎng)速率較快，待其下方一道支撐形成并受力后該道支撐軸力趨于平穩(wěn)見(jiàn)圖7、圖8。同時(shí)由圖7、圖8還可以看出，第一道支撐～第四道支撐軸力在土方開挖階段的增長(zhǎng)速率由小變大，分析原因是由于第一道支撐至第四道支撐下方土體開挖量逐層減小致使每道支撐下土體開挖完成時(shí)間減短，支撐完全受力過(guò)程加快。

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZLi-4支撐軸力變化歷時(shí)曲線

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZLi-5支撐軸力變化歷時(shí)曲線

工程周邊布設(shè)5組地表沉降監(jiān)測(cè)斷面，每組沉降監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置3～5個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)由基坑邊2m開始布置，然后依次間隔5、10、10、15m布設(shè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，地表沉降最大值約18～30mm見(jiàn)圖9，其中東側(cè)地表沉降大于其他側(cè)地表沉降，分析原因是由于東側(cè)鄰近施工道路和材料堆場(chǎng)所致。另外，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，位于一倍基坑開挖范圍內(nèi)的地表沉降較大，一倍范圍之外的地表沉降逐漸減小。

圖9 地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線

龍珠廣場(chǎng)周邊布置了14個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中靠近基坑側(cè)的8個(gè)房屋沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)下沉了約2～3.5mm，遠(yuǎn)離基坑的6個(gè)房屋沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)上升了約1.5～3.5mm，均小于監(jiān)測(cè)報(bào)警值20mm；房屋傾斜率0.46‰～0.99‰，小于監(jiān)測(cè)報(bào)警值1‰。

根據(jù)楊浦大橋管理部門委托的第三方監(jiān)測(cè)單位提供的數(shù)據(jù)，工程施工期間楊浦大橋橋墩沉降累計(jì)最大值為7.00mm，承臺(tái)沉降累計(jì)最大值為8.44mm，均小于監(jiān)測(cè)報(bào)警值20mm；承臺(tái)水平位移累計(jì)最大值為1.94mm，小于監(jiān)測(cè)報(bào)警值3mm。楊浦大橋作為上海內(nèi)環(huán)高速架路的組成部分，是連接楊浦區(qū)與浦東區(qū)的重要通道，確保楊浦大橋的安全運(yùn)營(yíng)具有十分重要的社會(huì)意義。

周邊煤氣管線布置了M01～M14共14個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降普遍在10mm左右。北側(cè)M02點(diǎn)達(dá)到22mm左右，分析原因是由于北側(cè)昌邑路為施工車輛進(jìn)出施工場(chǎng)地的主要通道且M02點(diǎn)臨近場(chǎng)地出入口，施工車輛長(zhǎng)期碾壓所致；但該點(diǎn)與其相鄰兩點(diǎn)的差異沉降量小于0.3% Lg（Lg為管節(jié)長(zhǎng)度），該段煤氣管線整體沉降較均勻，且現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)現(xiàn)管道破損、泄漏等情況，總體處于安全可控狀態(tài)。另外，周邊上水管布置了S01～S05共5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，上水管累計(jì)沉降值在2.5～7.5mm；電力管線布置了DL01～DL05共5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其累計(jì)沉降值在1.5～10.0mm；信息管線布置了××01～××17共17個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其累計(jì)沉降值普遍在3.0～10.0mm，僅××10與××14超過(guò)10mm，最大值為14.09mm，略大于監(jiān)測(cè)報(bào)警值。

坑外地下水位共設(shè)置了4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，水位變化量為-275～-752mm，坑外水位變化較小。

總體來(lái)講，工程圍護(hù)墻體的實(shí)際變形量與理論計(jì)算值較為吻合，除東側(cè)變形略大于報(bào)警值外，其他側(cè)變形均小于監(jiān)測(cè)報(bào)警值。而且在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，周邊的地表沉降、地下管線及鄰近建（構(gòu)）筑物等未出現(xiàn)大量報(bào)警，周邊環(huán)境得到很好地保護(hù)，取得了良好的社會(huì)效益。這取決于合理的設(shè)計(jì)方案以及項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中采取的有效應(yīng)對(duì)措施。

5 結(jié)語(yǔ)

文中通過(guò)對(duì)項(xiàng)目基坑支護(hù)方案以及實(shí)施效果的介紹，闡明了軟土地區(qū)復(fù)雜環(huán)境條件下深基坑工程的設(shè)計(jì)思路和需注意的要點(diǎn)。

（1）對(duì)于工程地質(zhì)差、周邊環(huán)境復(fù)雜、開挖深度深的基坑工程，應(yīng)注意支護(hù)體系的選型，可采用多種措施聯(lián)合的方式控制基坑變形，保護(hù)周邊環(huán)境。如采用剛度較大且整體性較好的地下連續(xù)墻結(jié)合混凝土支撐的支護(hù)體系；對(duì)坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行加固以提高土體強(qiáng)度，增大被動(dòng)區(qū)土體抗力；在底板設(shè)置上翻牛腿換撐以控制拆撐階段的圍護(hù)墻跨度。

（2）軟土地區(qū)基坑降水往往對(duì)工程的安全、進(jìn)度以及周邊環(huán)境有較大影響，基坑工程實(shí)施過(guò)程中應(yīng)做好止水、降水及回灌等工作。地墻之間可采用剛性接頭連接以加強(qiáng)止水、減少滲漏風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，適當(dāng)加長(zhǎng)地下連續(xù)墻嵌固深度以增加地下水繞流路徑；周邊環(huán)境復(fù)雜時(shí)可在基坑周邊設(shè)置回灌井，當(dāng)坑外地下水位下降較大時(shí)通過(guò)采用回灌措施保證坑外不發(fā)生較大沉降。

（3）施工過(guò)程中應(yīng)注意控制基坑周邊堆載及施工車輛行駛路線，盡量遠(yuǎn)離基坑布置，以減小對(duì)基坑及周邊環(huán)境的影響。

目前項(xiàng)目已順利竣工，項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中不僅確保了基坑安全，也很好地保護(hù)了周邊環(huán)境，工程的成功實(shí)施以及從中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)可為類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與施工提供參考。