尤 波

(上海地礦工程勘察有限公司，上海 200072)

0 引言

上海屬于長三角地區(qū)典型的軟土分布區(qū)。上海地區(qū)軟土主要為③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和④層淤泥質(zhì)黏土。淤泥質(zhì)黏土具有高含水率、高壓縮性、高流變性、低抗剪強度等特性[1-2]。軟土地區(qū)基坑變形控制難度大，基坑開挖對周邊環(huán)境影響較大[3-4]。隨著長三角地區(qū)城市群的快速發(fā)展，臨近建筑物的基坑越來越多，本文以上海某深基坑工程為案例，介紹了臨近既有建筑地庫深大基坑的實施過程，對基坑工程的設(shè)計及施工重點、難點及實施效果進行研究分析，具有重要的參考價值。

1 項目概況

1.1 基坑情況

項目位于上海市嘉定區(qū)，基坑總面積約為7200 m2，總延長米約為370 m，基坑呈規(guī)則矩形。基坑普遍開挖深度為10 m，局部深坑區(qū)域挖深達13.2 m。根據(jù)上海市《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(DG/TJ 08—61—2018)，基坑安全和環(huán)境保護等級均為二級。

1.2 環(huán)境情況

本工程位于城市核心區(qū)，兩邊臨已建市政道路，兩邊緊靠小區(qū)內(nèi)部建筑物，場地施工空間狹小。

基坑西側(cè)和北側(cè)分別為已建市政道路永盛路和寶塔路，西側(cè)基坑邊線距離道路邊線約20 m。西側(cè)市政道路上主要分布有天然氣管、給水管、電力管、雨水管等，天然氣管和電力管距離基坑約12～14 m，電力管、雨水管距離基坑約24～26.6 m。北側(cè)基坑邊線距離道路邊線約6 m。北側(cè)分布有電力管、燃氣管，其中電力管距離北側(cè)基坑約7.1 m，燃氣管距離基坑約10.52 m。

基坑?xùn)|側(cè)為已建成的二期住宅樓，基坑邊線距離二期住宅地庫約26.5 m。南側(cè)為已建成的三期住宅樓，基坑距離南側(cè)住宅地庫約3.5 m。二期和三期住宅地庫基坑挖深分別為8.0 m和7.2 m。基坑與周邊環(huán)境關(guān)系見圖1。

圖1 環(huán)境總圖

1.3 水文地質(zhì)概況

擬建場地地基屬第四紀(jì)松散沉積物。地基土主要由粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和粉砂等組成。

工程場地淺層地下水主要為孔隙潛水，場地內(nèi)靜止地下水埋深0.8～1.2 m。本場區(qū)賦存于⑦層、⑧2-3層及第⑨層地基土中的地下水屬承壓水，對本工程有影響的承壓水為第⑦層中承壓水，經(jīng)驗算，基坑開挖至普遍區(qū)域及集水井區(qū)域抗承壓水穩(wěn)定性均不滿足要求，承壓水會發(fā)生突涌，基坑開挖時需采取降壓封底等措施進行處理。

擬建場地北部有暗浜分布，暗浜呈北東—南西向斜穿場地，暗浜寬約14～17 m，浜底深3.5～3.7 m，暗浜分布處缺失②層地基土；擬建場地內(nèi)雜填土層普遍稍偏厚，層厚在1.2～2.8 m。場地內(nèi)暗浜及厚填土均屬于不良地質(zhì)條件。

場地土層主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 土層主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

2 基坑重難點分析

(1)地基土：本基坑地基土屬于上海地區(qū)典型軟土區(qū)。軟土層為灰色淤泥質(zhì)黏土，厚度約7.0 m。軟土層位于基坑開挖面，基坑施工及土方開挖難度大。

(2)地下水：本基坑⑦層承壓水對基坑影響較大，經(jīng)驗算，基坑開挖至基底、承臺底及集水坑底時，均不滿足抗突涌穩(wěn)定要求，需采取止水帷幕隔斷承壓水措施處理。考慮到⑧1-1層灰色粉質(zhì)黏土夾砂質(zhì)粉土土層透水性較大，并沒有達到隔斷的效果，故需要配合坑底集水井封底加固，結(jié)合減壓井控制基坑內(nèi)承壓水。本工程基坑面積較大，最大挖深達13.2 m，土層滲水性好，基坑滲水風(fēng)險較高，基坑止水帷幕及降水施工應(yīng)嚴(yán)格把控，保證施工質(zhì)量和效果。

(3)不良地質(zhì)：擬建場地北部有暗浜分布，擬建場地內(nèi)雜填土層普遍稍偏厚，厚填土及暗浜對圍護結(jié)構(gòu)施工的質(zhì)量影響較大，施工前應(yīng)對暗浜等不良地質(zhì)進行換填處理。

(4)環(huán)境保護：基坑西側(cè)和北側(cè)為已建市政道路，市政道路上分布有大量市政管線，其中中壓和高壓天燃氣管距離基坑約10～12 m，在一倍坑深處。西側(cè)給水管距離基坑約13.8 m?；?xùn)|側(cè)和南側(cè)為已建成二期和三期地庫及高層住宅，其中東側(cè)二期地庫距離東側(cè)基坑邊線約26.5 m，二期地庫挖深約8 m?；幽蟼?cè)為已建成的三期地庫及高層住宅，三期地庫邊線距離南側(cè)基坑邊線約3.2 m，三期基坑挖深約7.2 m。基坑周邊管線，尤其給水管和燃氣管保護要求較高。西側(cè)和南側(cè)已建地庫及住宅，尤其三期地庫和高層距離基坑非常近，保護要求高。

(5)施工空間：本工程基坑場地空間狹小，基坑南側(cè)緊臨三期已建建筑，最近距離僅3 m左右，西側(cè)和北側(cè)為場地圍墻，基坑距離西側(cè)和北側(cè)圍墻較近，分別為2 m和4 m?；?xùn)|側(cè)為已建二期建筑，二期和本基坑中間為場地公用道路，基坑距離公用道路約8 m?；緵]有施工堆場及搭建臨設(shè)空間，施工空間非常狹小。圍護設(shè)計需考慮設(shè)置棧橋，棧橋除保證基坑土方開挖的便利性外，還要兼顧施工材料堆場、汽車轉(zhuǎn)運等功能，且場地僅有北側(cè)一個車輛出入口。

(6)土方工程：本工程基坑面積較大，相應(yīng)土方量也較大，約73000萬方?；訄龅乜臻g狹小，且僅有一個場地出入口，土方車在場地內(nèi)部難以形成環(huán)路，只能借助棧橋形成環(huán)路?？紤]到棧橋需兼顧土方及堆場需要，棧橋面積占比較大，棧橋下土方的掏挖施工難度也較大。

3 方案設(shè)計

3.1 方案選型

本工程屬于深大基坑工程。周邊管線及已建建筑需重點保護。在控制基坑本身變形的同時，需降低基坑開挖對周邊管線及建筑物的影響。

綜上因素，結(jié)合本工程實際情況，基坑考慮選擇圍護樁結(jié)合內(nèi)支撐的板式支護體系進行支護。根據(jù)本工程基坑挖深以及該地區(qū)基坑設(shè)計、施工經(jīng)驗，綜合經(jīng)濟性、環(huán)保性因素，圍護結(jié)構(gòu)采用SMW工法樁形式，其中三軸攪拌樁作為止水帷幕，內(nèi)插型鋼作為受力構(gòu)件[5-6]。

考慮到基坑項目屬于上海地區(qū)，基坑挖深超過8 m，必須設(shè)置兩道支撐，且第一道支撐需為混凝土支撐，故本工程基坑支撐體系采用兩道鋼筋混凝土支撐。

鋼筋混凝土支撐布置形式分為圓環(huán)撐和角對撐結(jié)合邊桁架兩種形式。兩種形式的支撐平面布置見圖2。

圖2 圓環(huán)撐和角對撐布置示意圖

采用啟明星BSC4.1軟件進行支撐平面整體計算。由計算結(jié)果對比可知：第一道支撐變形，其中圓環(huán)撐布置形式支撐桿件最大變形為11.7 mm，最大變形部位在上部圓環(huán)的左側(cè)中間部位，角對撐布置形式支撐最大變形為7.5 mm，最大變形部位在左下側(cè)角撐位置。角對撐形式支撐變形比圓環(huán)撐形式減小約35%。

根據(jù)以上計算對比可知，角對撐布置形式受力簡單明確，基坑變形控制比圓環(huán)撐效果好，支撐施工難度相對圓環(huán)撐小，且角對撐形式布置棧橋能兼顧材料堆載等因素，故本基坑考慮采用角對撐結(jié)合邊桁架的形式。

3.2 圍護體系

圍護體系采用φ850@600三軸水泥土攪拌樁內(nèi)插H700×300×13×24型鋼。普遍側(cè)型鋼采用“插二跳一”的布置形式，機械車庫區(qū)域采用“密插”的布置形式，型鋼有效長度20 m?；拥湫推拭嬉妶D3。

3.3 支撐體系

本工程基坑采用鋼筋混凝土支撐，支撐布置采用角、對撐結(jié)合邊桁架的形式。由于本工程擬建場地只有北側(cè)一個出入口，周邊無環(huán)通道路，考慮到工期因素，為本工程基坑開挖、材料堆場、轉(zhuǎn)運等創(chuàng)造條件，將第一道支撐兩跨對撐位置作為棧橋，兩跨對撐與邊桁架連通形成環(huán)路，既滿足基坑土方車回轉(zhuǎn)，也能兼顧施工過程建材堆放的平臺，緩解施工場地緊張的問題。支撐、棧橋布置見圖4。支撐截面信息見表2。

表2 支撐信息表 mm

3.4 支護結(jié)構(gòu)計算

根據(jù)本工程基坑剖面及支撐布置，采用同濟啟明星軟件計算，普遍側(cè)圍護樁最大水平位移約為27.7 mm，計算結(jié)果見圖5。

3.5 基坑降水

本工程基坑采用真空疏干井進行降水，根據(jù)經(jīng)驗，上海地區(qū)以淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土為主的潛水含水層中，真空疏干管井單井有效疏干面積取250 m2。基坑總面積約7200 m2，基坑內(nèi)實際布置真空管井33口即可滿足要求。

圖3 基坑典型剖面示意圖(單位：m、mm)

圖4 支撐、棧橋布置圖

圖5 普遍側(cè)圍護結(jié)構(gòu)剖面計算結(jié)果

基坑內(nèi)承壓水不滿足抗突涌穩(wěn)定性要求，采取加長止水帷幕的形式隔斷⑦層承壓水，但本場區(qū)⑧1-1層滲透性均比較大，止水帷幕僅能隔斷承壓含水層，無法隔斷承壓水層下方滲透性較大的⑧1-1層，可以認為相對隔斷[7]。故基坑需要采取減壓措施，減壓井采取“按需減壓”的原則，按照基坑開挖工況，動態(tài)控制承壓水水頭標(biāo)高，綜合考慮在基坑內(nèi)部設(shè)置8口降壓井，并對基坑內(nèi)落深坑采取高壓旋噴樁加固封底。

4 土方開挖

根據(jù)時空效應(yīng)原理，本工程基坑開挖按照“分層、分塊、對稱、平衡、限時”的原則[8]，對基坑進行分區(qū)開挖。第二、三皮土方分區(qū)開挖圖見圖6、圖7。第二皮土方與第二道支撐形成工況見圖8。

(1)基坑平面分區(qū)

基坑第二皮土方按照指定的分區(qū)線分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)，基坑第二皮土方開挖過程中，基坑內(nèi)土方按照指定開挖分界線進行分區(qū)、分段、盆式開挖。具體土方開挖順序如下：Ⅱ、Ⅲ區(qū)→Ⅰ、Ⅳ區(qū)。即首先開挖Ⅱ、Ⅲ區(qū)土體至第二道支撐底標(biāo)高，及時形成兩區(qū)范圍內(nèi)對撐，待支撐形成并達到設(shè)計強度后，方可開挖Ⅰ、Ⅳ區(qū)土方，并及時形式兩區(qū)范圍內(nèi)角、對撐。第二皮土方開挖剖面示意圖見圖9。

圖6 第二皮土方分區(qū)圖

圖7 第三皮土方分區(qū)圖

圖8 第二皮土方與第二道支撐形成工況圖

基坑第三皮土方按照后澆帶進行分區(qū)，分為A、B、C、D區(qū)共四區(qū)，基坑第三皮土方開挖過程中，按照由南向北的順序退挖，開挖順序：D區(qū)→C區(qū)→B區(qū)→A區(qū)，最后從北側(cè)出口收尾。每開挖一個區(qū)塊應(yīng)及時澆筑該區(qū)塊墊層并綁扎底板鋼筋，待墊層、底板澆筑完成后，方可開挖下一區(qū)塊土方。第三皮土方開挖剖面示意圖見圖10。

圖9 第二皮土方開挖剖面示意圖(單位：m、mm)

圖10 第三皮土方開挖剖面示意圖(單位：m、mm)

(2)基坑豎向分層

基坑豎向首先卸掉首層土，即第一皮土方開挖至第一道支撐底標(biāo)高，挖方厚度約為1.5 m，挖方標(biāo)高為-2.500 m?；迂Q向第二皮土方開挖至第二道支撐底標(biāo)高，挖方厚度約5.3 m，土方量共計約為38160方。第二皮土方分兩層開挖，第一層厚度為2.5 m，第二層土方厚度約為2.8 m，分層開挖采用放坡的形式，一、二層土方坡比均為1∶2.0，設(shè)置5.0 m的卸土平臺?；迂Q向第三皮土方開挖至基底標(biāo)高，挖方厚度約3.05 m，土方量共計約為22000方。第三皮土方分兩層開挖，第一層厚度為2.75 m，基底以上300 mm采用人工清除。分層開挖采用放坡的形式，坡比均為1∶2.0，設(shè)置5.0 m的卸土平臺。第三皮土方采取分區(qū)退挖的形式，開挖一個區(qū)塊應(yīng)及時澆筑該區(qū)塊墊層并綁扎底板鋼筋，待 墊 層、底 板 澆筑完成后，方可退挖下一區(qū)塊土方。

5 有限元分析

5.1 分析模型

本工程基坑重點保護對象為西側(cè)燃氣管和供水管、北側(cè)燃氣管、東側(cè)和南側(cè)已建二期和三期建筑。本次主要針對距離基坑較近的西側(cè)燃氣管、給水管和南側(cè)三期地庫進行模擬分析。主要采用PLAXIS有限元軟件對保護對象在基坑開挖階段進行模擬分析[9]。

5.2 模擬結(jié)果

(1)南側(cè)三期地庫

主要針對南側(cè)三期地庫進行模擬分析。由于南側(cè)三期地庫跨度較大，考慮按照最不利原則，模型中三期地庫截取30 m寬度進行模擬。南側(cè)三期地庫典型剖面見圖11。

圖11 南側(cè)三期地庫剖面示意圖(單位：m、mm)

南側(cè)地庫埋深約7.2 m，三期地庫距離南側(cè)基坑邊線約為3.2 m?；诱w變形、圍護樁變形和地庫變形模擬結(jié)果分別見圖12—圖14。

圖12 開挖至基底時基坑變形云圖

圖13 圍護樁變形29.49 mm

圖14 三期地庫變形18.22 mm

(2)西側(cè)管線

西側(cè)燃氣管和供水管埋深約1.6 m和1.4 m，燃氣管和供水管距離西側(cè)基坑邊線分別約為12 m和14 m?；娱_挖至基底時，燃氣管和供水管變形模擬結(jié)果：燃氣管沉降及傾斜變形約8.56 mm，供水管沉降及傾斜變形約為7.57 mm。

5.3 模擬結(jié)果分析

根據(jù)模擬結(jié)果，基坑開挖至基底時，圍護樁變形約27～30 mm，與理論計算基本吻合。按照不利原則，南側(cè)三期地庫在六期基坑開挖過程中，地庫結(jié)構(gòu)向基坑側(cè)斜下方產(chǎn)生18.22 mm的位移，其中產(chǎn)生的向基坑水平位移約20 mm，產(chǎn)生向下沉降位移約10 mm，考慮到實際三期地庫在南北向跨度約120 m，但實際建模只取30 m寬，故模擬結(jié)果可不考慮其水平位移，豎向沉降位移10 mm可供參考。說明基坑開挖對南側(cè)三期地庫有一定的影響，但位移均在設(shè)計控制范圍內(nèi)。西側(cè)燃氣管和給水管變形分別約為8.46 mm和7.57 mm，均在可控范圍之內(nèi)。

6 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

本工程基坑監(jiān)測自2017年7月16日測定初始值，至2018年7月2日基本施工至±0.00，歷時約12個月，監(jiān)測總次數(shù)為200次。

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果顯示，基坑開挖至基底時，圍護樁側(cè)向變形為10.8～29.4 mm，最大值基本位于坑底部位，施工至地庫頂板完成時，圍護樁拆撐后側(cè)向最終變形26.5～39.9 mm，最大值基本在拆撐后的樁頂位置。最大值位于基坑北側(cè)和東側(cè)，比理論計算稍微偏大，該側(cè)基坑北側(cè)為場地出口市政道路，東側(cè)為二期、三期和六期公共道路，材料及土方運輸車頻繁通行的動荷載引起該側(cè)圍護樁側(cè)斜偏大，但均在可控范圍內(nèi)。

基坑邊電力管布置13個沉降監(jiān)測點，各測點累計變化-7.27～-9.67 mm，燃氣管設(shè)置12個沉降監(jiān)測點，各測點累計變化-5.98～-10.03 mm，上水管布置8個沉降監(jiān)測點，各測點累計變化-6.64～-10.11 mm，雨水管布置8個沉降監(jiān)測點，各測點累計變化-5.76～-8.82 mm?；邮┕て陂g，各管線均產(chǎn)生了一定的沉降，實際監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬基本吻合，均在可控范圍內(nèi)，不影響其正常使用。

基坑周邊建筑物沉降監(jiān)測共布置20個點，其中東側(cè)二期地庫設(shè)置7個監(jiān)測點，三期地庫及高層設(shè)置13個監(jiān)測點，基坑施工期間，二期和三期地庫均產(chǎn)生了約11 mm的沉降變形。實際監(jiān)測與數(shù)值模擬基本吻合。

基坑周邊共布置20個監(jiān)測點，基坑施工期間，周邊地表沉降約為-5.28～-11.24 mm?；涌油夤膊贾?個潛水位監(jiān)測孔，基坑施工期間，潛水水位累計變化750～850 mm，均在控制范圍內(nèi)。

總體而言，基坑圍護結(jié)構(gòu)和周邊管線等實際監(jiān)測結(jié)果均與軟件計算結(jié)果、有限元模擬結(jié)果基本吻合。基坑施工歷時一年期間，基坑變形控制較為理想，說明該圍護方案合理可行，實施效果較好。

7 結(jié)論

(1)對于板式支護的基坑工程，通過對比角、對撐布置與圓環(huán)支撐布置的變形計算結(jié)果，綜合本基坑實際情況，最終選擇采用角對撐布置形式。說明采用支撐整體平面計算方法對基坑支撐布置、選型、優(yōu)化及合理化具有指導(dǎo)作用。

(2)采用理論計算與現(xiàn)場監(jiān)測對比分析，輔以有限元模擬的方法，能更加合理準(zhǔn)確地對基坑工程進行評估。

(3)軟土地區(qū)深基坑工程采用板式支護體系，結(jié)合合理的地下水處理措施，施工過程嚴(yán)格控制挖土和支撐或結(jié)構(gòu)施工工況等，根據(jù)實際監(jiān)測情況反饋，基坑施工全過程，臨近既有建筑物和管線變形均在控制范圍內(nèi)，取得了良好的效果，可為類似工程提供參考。