朱小軍

（上海申元巖土工程有限公司，上海 200011）

2010年上海世博會(huì)中國(guó)館（地區(qū)館）基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)

朱小軍

（上海申元巖土工程有限公司，上海 200011）

結(jié)合2010年上海世博會(huì)中國(guó)館（地區(qū)館）項(xiàng)目基坑面積巨大，開(kāi)挖較深，周邊環(huán)境復(fù)雜，保護(hù)要求較高，且對(duì)施工工期要求極高的特點(diǎn)，提出采用鉆孔灌注樁排樁擋土結(jié)合一道鋼管斜拋撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)信息化施工，大大節(jié)約了工程造價(jià)和施工周期，具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。

基坑，圍護(hù)設(shè)計(jì)，中心島，環(huán)境影響，信息化施工

中國(guó)2010年上海世博會(huì)中國(guó)館項(xiàng)目由國(guó)家館、地區(qū)館、港澳臺(tái)館三個(gè)部分組成，其中國(guó)家館與地區(qū)館作為世博園區(qū)核心建筑物之一，永久保留。中國(guó)館項(xiàng)目場(chǎng)地位于浦東新區(qū)世博規(guī)劃圍欄區(qū)B片區(qū)，東接云臺(tái)路、南起南環(huán)路、西鄰上南路、北抵北環(huán)路，軌道交通M8號(hào)線從基地西北角地下穿過(guò)并通過(guò)地鐵周家渡站與場(chǎng)地內(nèi)建筑連接。國(guó)家館和地區(qū)館地下空間連通為一體，設(shè)1層地下室（局部地下2層），基坑總面積近4.5萬(wàn)m2。其中，地區(qū)館基坑面積約3.3萬(wàn)m2，開(kāi)挖深度8.6 m～10.3 m。

1 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)

1）地質(zhì)條件復(fù)雜。擬建場(chǎng)地工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復(fù)雜，表層雜填土較厚，成分主要為建筑垃圾，對(duì)基坑施工不利;坑底位于第④層淤泥質(zhì)粘土，土層較厚且力學(xué)性能較差，基坑開(kāi)挖時(shí)土體變形大，開(kāi)挖后容易發(fā)生蠕變變形;本場(chǎng)地在深度約17.0 m以下存在著第⑤2層砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土層，為微承壓含水層，對(duì)基坑可能產(chǎn)生頂突及突涌作用的危害。另外，擬建場(chǎng)地原為上鋼三廠，其下廢棄基礎(chǔ)、樁基等地下障礙物較多且埋置較深，清理困難。場(chǎng)地土層分布及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

2）周邊環(huán)境復(fù)雜。世博中國(guó)館項(xiàng)目，西側(cè)緊鄰運(yùn)營(yíng)中地鐵M8號(hào)線及地鐵周家渡站，其他三側(cè)鄰近已建市政道路，道路下分布有共同溝、煤氣管、污水管、上水管等眾多重要地下管線及構(gòu)筑物，對(duì)水平位移的控制要求較高，且對(duì)基坑開(kāi)挖引起的地面沉降較為敏感，環(huán)境保護(hù)要求極高。

3）工期緊張。按照常規(guī)設(shè)計(jì)及建造施工周期，類似建筑至少需要兩年時(shí)間才能完成，但根據(jù)進(jìn)度計(jì)劃要求中國(guó)館項(xiàng)目必須在2009年年底前竣工，工期只有不到一年半的時(shí)間且完全沒(méi)有回旋余地，這就要求中國(guó)館項(xiàng)目必須是在邊設(shè)計(jì)邊施工的特殊條件下進(jìn)行，由此勢(shì)必帶來(lái)較大的調(diào)整工作量。由于圍護(hù)設(shè)計(jì)的特殊性質(zhì)，施工圖設(shè)計(jì)須待主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)整完成后方可進(jìn)行，屬于設(shè)計(jì)調(diào)整的最后一個(gè)環(huán)節(jié);圍護(hù)結(jié)構(gòu)卻是施工開(kāi)始的第一項(xiàng)任務(wù)，因此圍護(hù)設(shè)計(jì)及施工周期極為緊張。

4）基坑規(guī)模較大。地區(qū)館項(xiàng)目基坑總面積約3.3萬(wàn)m2，開(kāi)挖土體約30萬(wàn)m3?；邮┕み^(guò)程中“時(shí)空效應(yīng)”特別是空間效應(yīng)影響比較顯著，從而可能導(dǎo)致坑底土體隆起，周邊地面沉降，進(jìn)而影響基坑及周邊環(huán)境安全，對(duì)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及施工要求較高。

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)主體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，中國(guó)館地下結(jié)構(gòu)“名義”上為地下1層，但其地下室層高達(dá)8 m，實(shí)際相當(dāng)于中樓板缺失的常規(guī)項(xiàng)目地下2層的深度。按照上海地區(qū)的常規(guī)做法，類似項(xiàng)目基坑工程一般采用板式圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合兩道水平混凝土支撐分區(qū)施工。此種做法具有以下缺點(diǎn):分區(qū)施工，基坑內(nèi)部考慮大基坑的風(fēng)險(xiǎn)一般需設(shè)置分期墻，同時(shí)為保證挖土、出土方便須設(shè)置大量施工棧橋及立柱，工程造價(jià)較高;結(jié)構(gòu)中樓板缺失，為保證基坑安全，在第一道水平支撐拆除時(shí)須另行設(shè)置中樓板換撐，施工較為繁瑣;支撐爆破后會(huì)有二次變形，且生成大量的建筑垃圾處理困難，不利于環(huán)保;地下室結(jié)構(gòu)施工工期將比預(yù)定工期延誤約6個(gè)月等。

作為上海市重大工程、世博會(huì)重點(diǎn)項(xiàng)目的中國(guó)館項(xiàng)目，對(duì)施工工期要求近乎苛刻，上海地區(qū)類似深度及規(guī)?；釉O(shè)計(jì)的常規(guī)做法對(duì)本工程不適用。針對(duì)中國(guó)館項(xiàng)目的特點(diǎn)，圍護(hù)設(shè)計(jì)人員通過(guò)計(jì)算分析、多方案比選，本著在保證安全、經(jīng)濟(jì)的大前提下，一切為了進(jìn)度的原則，大膽而科學(xué)地進(jìn)行科技創(chuàng)新，將中心島做法應(yīng)用于本工程，提出采用鉆孔灌注樁排樁擋土結(jié)合一道鋼管斜拋撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式。在此之前，“斜拋撐中心島做法”在上海地區(qū)一般用于開(kāi)挖較淺及周邊環(huán)境保護(hù)要求不高的基坑工程。通過(guò)本工程的成功實(shí)施，大大節(jié)約了工程造價(jià)和施工周期，且為上海軟土地區(qū)深大基坑工程采用“中心島”技術(shù)積累了豐富而寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

2.2 圍護(hù)技術(shù)特點(diǎn)

地區(qū)館項(xiàng)目主要挖深8.6 m，區(qū)域板式圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 000 @1 150 mm鉆孔灌注樁，因基坑面積較大，為控制坑底土體隆起，圍護(hù)灌注樁基坑插入比為1∶1.4左右;為控制樁頂位移，同時(shí)考慮到距離道路下管線距離較近，灌注樁后排設(shè)置3.85 m寬無(wú)擠土效應(yīng)且強(qiáng)度較高的φ850三軸勁性水泥土攪拌樁壩體。

支撐采用一道斜拋撐中心島開(kāi)挖的形式。斜拋撐體系具有設(shè)置靈活方便，節(jié)省工程造價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，在大面積基坑工程中使用經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)非常明顯。本工程基坑開(kāi)挖較深，圍護(hù)結(jié)構(gòu)所受側(cè)壓力較大，斜拋撐采用16 mm厚φ609雙拼鋼管。同時(shí)，因斜拋撐較長(zhǎng)，為防止支撐失穩(wěn)，構(gòu)造上設(shè)置22號(hào)槽鋼將雙拼鋼管連接，以增強(qiáng)其整體性。

基坑剖面示意圖如圖1所示。

圖1 基坑剖面示意圖

中國(guó)館項(xiàng)目采用此種結(jié)構(gòu)形式具有以下優(yōu)點(diǎn):圍護(hù)及支撐等臨時(shí)結(jié)構(gòu)工程量最少，造價(jià)最低;地下室部分的施工工期最短;中間留有超大的挖土空間，施工方便，但是具有圍護(hù)體位移較大的缺點(diǎn)。針對(duì)這一問(wèn)題，在設(shè)計(jì)中采取了如下措施:為進(jìn)一步控制淺層土體位移，鉆孔灌注樁樁頂與地面齊平;為了增加被動(dòng)區(qū)土體抗力，減小基坑變形，在坑內(nèi)兩級(jí)放坡平臺(tái)位置設(shè)置4.7 m寬的水泥土攪拌樁加固，此區(qū)域加固考慮經(jīng)濟(jì)性因素，加固攪拌樁采用φ700@500雙軸水泥土攪拌樁;合理安排土方分塊開(kāi)挖，優(yōu)化土方開(kāi)挖模式，包括每層土方開(kāi)挖的厚度、范圍、坑邊留土高度與寬度，特別是坑底區(qū)域的挖土、留土、底板澆筑與臨時(shí)支撐的設(shè)置等。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 圍護(hù)體計(jì)算

基坑圍護(hù)體的計(jì)算采用規(guī)范推薦的豎向彈性地基梁法，土的c，φ值均采用勘察報(bào)告提供的固結(jié)快剪峰值指標(biāo)，圍護(hù)墻變形、內(nèi)力計(jì)算和各項(xiàng)穩(wěn)定驗(yàn)算均采用水土分算原則，地面超載按20 kN/m2考慮。在支撐體系的計(jì)算中，將支撐與圍檁作為整體，按平面桿系進(jìn)行內(nèi)力、變形分析。支撐豎向及立柱按空間受力的框架進(jìn)行分析?；釉O(shè)計(jì)計(jì)算軟件采用同濟(jì)啟明星基坑支護(hù)計(jì)算軟件（FRWS），支護(hù)樁體內(nèi)力及位移計(jì)算采用朗肯土壓力理論。圍護(hù)體位移內(nèi)力計(jì)算包絡(luò)圖如圖2所示。

3.2 環(huán)境影響計(jì)算分析

主要考慮基坑開(kāi)挖對(duì)周邊道路的影響，采用Plaxis有限元分析程序建立二維分析模型。計(jì)算模型圖如圖3所示。

土體采用Mohr-Coulomb模型，圍護(hù)樁和支撐采用二維梁?jiǎn)卧紤]圍護(hù)與土體的耦合作用。計(jì)算區(qū)域?yàn)?豎直向影響深度一般不小于2H（H為基坑開(kāi)挖深度），本模型取為地表以下40 m;水平向影響范圍一般不小于3H（H為基坑開(kāi)挖深度），本模型水平向距離取為距基坑邊35 m。水平方向?yàn)閄方向，垂直方向?yàn)閅方向，且對(duì)X邊界施加X(jué)向位移約束，Y邊界施加Y向約束。采用等三角形六節(jié)點(diǎn)模擬土體、水泥土;用梁?jiǎn)卧M灌注樁;灌注樁和土體之間采用接觸面單元模擬。支撐模型采用點(diǎn)錨式桿件材料（彈性材料），支撐間距假定為10 m。

圍護(hù)體水平變形云圖如圖4所示。

圖2 位移內(nèi)力包絡(luò)圖

圖3 數(shù)值計(jì)算模型圖

圖4 水平變形云圖

計(jì)算結(jié)果表明:采用此種圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，基坑開(kāi)挖至坑底時(shí)，圍護(hù)樁最大水平位移為26.58mm，鄰近基坑道路及其地下管線最大水平位移為14.7 mm;最大豎向位移為11.2 mm。數(shù)值模擬結(jié)果表明基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

4 信息化施工

在本特大型超深基坑設(shè)計(jì)采用了一系列的科技創(chuàng)新和設(shè)計(jì)創(chuàng)新的同時(shí)，對(duì)信息化施工提出了詳細(xì)的要求和安排，同施工、監(jiān)理和監(jiān)測(cè)單位一起形成了一整套設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)相配合，由設(shè)計(jì)指導(dǎo)施工，施工、監(jiān)測(cè)驗(yàn)證完善設(shè)計(jì)的措施，真正做到信息化施工。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不斷調(diào)整對(duì)基坑施工、土方開(kāi)挖的要求，確?；庸こ淌┕た茖W(xué)合理的進(jìn)行，確保環(huán)境安全在可控范圍之內(nèi)，順利的完成了中國(guó)館項(xiàng)目的基坑工程施工。中心島施工形成及鋼管支撐架設(shè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)拍照片如圖5，圖6所示。

圖5 中心島形成實(shí)拍圖

圖6 斜拋撐架設(shè)實(shí)拍照片

5 結(jié)語(yǔ)

從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和工程造價(jià)分析來(lái)看，中國(guó)館項(xiàng)目采用此種結(jié)構(gòu)形式，具有以下優(yōu)點(diǎn):圍護(hù)及支撐等臨時(shí)結(jié)構(gòu)工程量最少，造價(jià)最低;地下室部分的施工工期最短;支撐下土體采用中心島式開(kāi)挖法，中間留有超大的挖土空間，施工最方便;可回收的鋼管斜拋撐同時(shí)兼做中樓板換撐，最經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。本工程的順利實(shí)施，為上海類似項(xiàng)目基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)提供了成功經(jīng)驗(yàn)，具有很強(qiáng)的借鑒意義和參考價(jià)值。

［1］蔡文輝，李駿.特大型基坑采用中心島斜支撐法的施工技術(shù)研究［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2005，6（3）：68-72.

［2］包旭范，莊麗，呂培林.大型軟土基坑中心島法施工中土臺(tái)預(yù)留寬度的研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28（10）：1208-1212.

［3］劉國(guó)彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊(cè)［M］.第2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

［4］JGJ 120-99，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］.

［5］DBJ 08-61-97，基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)程［S］.

［6］戚婷.某高層建筑基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化［J］.山西建筑，2010，36（5）：103-104.

Foundation enclosure design of Chinese pavilion（regional pavilion）in 2010 ShanghaiW orld Expo

ZHU Xiao-jun

（Shanghai Shenyuan Geotechnical Engineering Co.，Ltd，Shanghai200011，China）

In light of Chinese pavilion（regional pavilion）project characteristics in 2010 ShanghaiWorld Expo，such as large foundation area，deep excavation，complicated surrounding environment，high protection requirement and strict construction schedule，the paper puts forward the enclosure form of integrating bored pile retaining wallwith steel tube inclined bracing，which has strong economic value and social benefits.

foundation，enclosure design，center island，environmental influence，information construction

TU463

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2012.18.134

1009-6825（2012）18-0084-03

2012-04-25

朱小軍（1981-），男，碩士，工程師