吳昌將，彭 杰，易 禮，王 倉，邵幼立

（1.南通大學 交通與土木工程學院，江蘇 南通 226019；2.上海申元巖土工程有限公司，上海 200011）

近年來，隨著城市密區(qū)地下空間的開發(fā)與利用熱潮不斷升起，一大批“大、深、緊、近”的復雜基坑不斷涌現(xiàn)。為了保證深基坑安全及滿足周圍環(huán)境保護要求，基坑設計理念已由穩(wěn)定控制轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃慰刂啤Ｄ孀鞣ㄒ蚱浒踩愿?，控制變形能力強的施工?yōu)勢開始廣泛應用于各類復雜基坑中[1-6]。

傳統(tǒng)的逆作法施工，僅在出土和材料出入處設置小型洞口，土方開挖和材料運輸速度慢，施工效率低；同時，緩慢的挖土速度讓基坑長時間暴露，使得圍護墻變形位移過大，反而抵消了逆作法支撐結(jié)構(gòu)剛度大，圍護體系變形小的優(yōu)點。在深大基坑中，這類缺點更為突出。為此，工程界在既有逆作法施工的基礎上不斷改進和創(chuàng)新，提出了大開口逆作法的施工技術(shù)[7-11]，可以改善逆作施工環(huán)境，提高逆作出土效率。這種技術(shù)既保留了傳統(tǒng)逆作法僅需少量支撐的特點，又兼具順作法留設大開口出土空間的優(yōu)點。相對于傳統(tǒng)逆作法，采用大開口逆作施工后，主體結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)梁板大開洞會導致整體剛度削弱，進而降低控變形能力。因此，結(jié)合深基坑自身特點、主體結(jié)構(gòu)設計及周圍環(huán)境保護要求，如何采取合理的大開口逆作設計理念，是確保深基坑大開口逆作施工技術(shù)方案安全可行的前提，尤其要注意大開口的設置原則及加固措施，開洞后結(jié)構(gòu)水平拉應力的控制，順作逆作交界面節(jié)點處理等問題。

本文以上海滬東文化中心深基坑為依托工程，介紹大開口逆作法在上海軟土地區(qū)深基坑的應用，探討具體支護設計要點，并結(jié)合現(xiàn)場實際工程監(jiān)測成果分析，評估基坑變形對坑外建筑的安全影響，為類似深基坑工程的設計施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

上海滬東工人文化宮（分部）改擴建工程位于楊浦區(qū)通北路540 號，由14～17F 主樓公益服務中心和2～3F 輔助用房及地下二層的大地下車庫組成，采用樁筏基礎?；娱_挖面積約10 000 m2，圍護周長約490 m，基坑普遍區(qū)域開挖深度9.75～10.25 m，局部深坑處落深1.5～3.3 m。

1.1 周邊環(huán)境

擬建項目位于上海市楊浦區(qū)，北至吉林路、東至許昌路、南至霍山路、西至通北路，場地內(nèi)有待拆除的舊建筑，坑外有較多鄰近建筑物。基坑東側(cè)臨近匯山公園，公園內(nèi)有水池、景觀高坡；基坑南側(cè)的霍山路、基坑西側(cè)的通北路地下有眾多供水、污水、煤氣等市政管線；基坑北側(cè)有多棟已建3～7 層的多層建筑（樁基礎、天然基礎均有）。周圍環(huán)境極為復雜，保護要求非常高，如圖1 所示。

1.2 工程地質(zhì)條件

本工程場地的地貌類型屬濱海平原，場地地基基礎影響深度范圍內(nèi)的地層主要由第四紀的全新世及上更新世的黏性土、粉性土、砂土組成。土層主要物理力學性能參數(shù)見表1。

圖1 工程周圍環(huán)境示意圖Fig.1 Schematic diagram of surrounding environment

表1 基坑圍護設計土層參數(shù)表Tab.1 Soil layer design parameters for retaining structure

2 基坑工程設計

2.1 設計主要難點與總體方案

在進行基坑支護方案比選時，主要考慮本工程具有以下特點及難點：1）基坑開挖面積較大，挖深較深；2）環(huán)境保護要求高，周邊分布有道路、地下管線、臨近多層建筑物及景觀高坡等，尤其是臨建建筑對變形非常敏感；3）場地狹隘，施工組織難度大，施工場地十分緊張；4）業(yè)主對工期和文明施工要求較高；5）⑤2層為深厚微承壓水含水層，坑底不滿足抗承壓水穩(wěn)定性高要求。

因此，本工程采用大開口逆作法設計方案，即周邊臨時圍護樁+逆作大開口水平梁板結(jié)構(gòu)替代支撐的支護形式，另止水帷幕隔斷承壓含水層。采用周邊臨時圍護樁結(jié)構(gòu)，與兩墻合一地下連續(xù)墻相比，既可降低施工技術(shù)難度、節(jié)約工程造價，又能滿足地下兩層深度的基坑安全要求，更適合本基坑開挖面積與挖深；逆作法利用地下結(jié)構(gòu)梁板作為水平支撐體系，很大程度上增強支撐體系的平面內(nèi)剛度，提高變形控制能力，能有效保護周圍環(huán)境；首層梁板結(jié)構(gòu)逆作封閉后可兼做施工機械通道和材料堆場，解決了施工場地有限的問題，在結(jié)構(gòu)梁板上適當大開口后，有利于改善挖土條件和材料運輸條件，加快地下挖土和施工效率；地下結(jié)構(gòu)梁板替代水平支撐，節(jié)約大量的臨時支撐安裝和后期拆除工作，縮短工期；相比于順作法的開放式作業(yè)，減少了施工噪音與揚塵，能體現(xiàn)綠色施工的建設形象；同時，采用止水帷幕隔斷承壓含水層，可滿足坑底抗突涌穩(wěn)定性。

逆作法設計采用周邊臨時圍護結(jié)構(gòu)加地下室梁板兼做水平支撐，主樓區(qū)域設置大開口順作，局部采用鋼筋混凝土支撐作為臨時支撐的施工方案?；訉嵤┻^程為：從上往下依次逆作各層地下室結(jié)構(gòu)梁板并與圍護結(jié)構(gòu)相連；待挖至基底澆筑基礎底板后，拆除局部臨時混凝土支撐；再對地下室外墻、柱等其他結(jié)構(gòu)進行施工，進而完成整體地下結(jié)構(gòu)的施工。

2.2 圍護結(jié)構(gòu)設計與計算

考慮到基坑挖深及周圍環(huán)境，圍護結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁加TRD 水泥土攪拌墻止水帷幕。其中，基坑東側(cè)南側(cè)坑外為道路和市政管線，環(huán)境保護要求相對寬松，采用φ900@1100 鉆孔灌注樁；基坑西側(cè)鄰近景觀高坡，采用φ950@1100 鉆孔灌注樁；基坑北側(cè)鄰近多棟多層建筑（樁基礎、天然基礎），視基礎類型分別采用φ950@1100 和φ1000@1200 鉆孔灌注樁，同時坑內(nèi)被動區(qū)設置雙軸攪拌樁裙邊加固，以控制變形。圖2 為基坑北側(cè)鄰近建筑的圍護剖面圖。

圖2 典型圍護剖面圖Fig.2 Typical profile of retaining structure

圍護樁設計時，采用豎向彈性地基梁法進行圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形計算，同時需考慮坑外建筑物和景觀高坡的超載作用；另外基坑還應滿足抗傾覆、整體以及抗隆起穩(wěn)定性驗算，相應計算結(jié)果見表2、3。

表2 圍護墻、支撐內(nèi)力計算結(jié)果Tab.2 Internal force of retaining wall and struts

表3 基坑穩(wěn)定性計算結(jié)果Tab.3 Stability results of foundation pit

2.3 水平支撐體系設計與計算

2.3.1 梁板支撐體系設計

圖3～4 分別為一層和地下一層水平梁板結(jié)構(gòu)布置圖，其中陰影區(qū)域為頂板的加固區(qū)域和作業(yè)施工階段機械車輛作業(yè)通道。

圖3 一層水平梁板結(jié)構(gòu)布置示意圖Fig.3 Layout of horizontal beam and slab structure for the first floor

圖4 地下一層水平梁板結(jié)構(gòu)布置示意圖Fig.4 Layout of horizontal beam and slab structure for the first floor underground

為了便于挖土，在主樓有剪力墻的電梯井兩個區(qū)域設置了兩個大開口，每個洞口約1 000 m2，該區(qū)域后期順作；根據(jù)電梯井位置和逆作出土與垂直運輸?shù)男枰?，在其他區(qū)域留設了5 個小取土口；逆作階段一層結(jié)構(gòu)梁板局部區(qū)域作為施工機械運輸通道和施工堆載，需對梁板進行加強處理；在主樓大開口順作區(qū)域及局部樓板缺失面積較大區(qū)域?qū)α喊宓恼w剛度有較大影響，且對梁板的局部內(nèi)力分布較為不利，故在大開口處采用臨時鋼筋混凝土支撐，加強水平梁板支撐的剛度，控制梁板體系變形及開洞后結(jié)構(gòu)水平拉應力；對于順逆交界區(qū)域，在逆作梁板結(jié)構(gòu)上根據(jù)主體結(jié)構(gòu)設計要求預留鋼筋或接駁器，以便后期與順作區(qū)域連接。梁板具體參數(shù)詳見表4。

表4 樓板、臨時支撐梁參數(shù)Tab.4 Parameters of slab and temporary struts mm

2.3.2 梁板支撐體系內(nèi)力計算

第2步，生產(chǎn)設備采購量驅(qū)動因子（描述各個影響因素的說明性變量）的選取。生產(chǎn)設備采購量驅(qū)動因子的確定原則：采購量驅(qū)動因子合乎邏輯地和各個影響因素相聯(lián)系；采購量驅(qū)動因子的變化引起生產(chǎn)設備采購量的變化具有一貫性；采購量驅(qū)動因子的量值易于確定。

為了評估梁板結(jié)構(gòu)開口后的水平受力性態(tài)，掌握結(jié)構(gòu)內(nèi)部應力狀態(tài)水平，尤其是在大開口剛度削弱的情況下，確保水平梁板支撐體系的結(jié)構(gòu)性能安全，本基坑采用Etabs 有限元軟件對梁板支撐體系的結(jié)構(gòu)應力進行平面二維計算，具體結(jié)果如圖5～7所示。計算結(jié)果表明：1）由于計算模型自身的缺陷，基坑四周角點處由于應力集中，拉應力稍大，但一層、地下一層整體梁板的兩個方向混凝土拉應力基本小于1.43 MPa（C30 混凝土強度抗拉設計值），且大開口洞口處由于設置臨時支撐后其拉應力未出現(xiàn)明顯增大；2）一層、地下一層樓板大開口處的臨時支撐最大軸力分別為1 640 kN 和5 500 kN。這說明大開口的布置和臨時支撐的補強設計是完全合理的。

2.4 豎向支撐體系設計

圖5 一層水平梁板結(jié)構(gòu)應力云圖（拉應力為正）Fig.5 Stress cloud diagram of horizontal beam slab structure for the first floor（positive represents tensile stress）

圖6 地下一層水平梁板結(jié)構(gòu)應力云圖（拉應力為正）Fig.6 Stress cloud diagram of horizontal beam slab structure for the first floor underground（positive represents tensile stress）

圖7 臨時支撐軸力圖（單位：kN）Fig.7 Axial force of the temporary struts（Units:kN）

逆作階段采用型鋼格構(gòu)柱、鋼管柱作為各層結(jié)構(gòu)樓板的豎向支承構(gòu)件，立柱樁均采用一柱一樁型式，即在主體結(jié)構(gòu)柱位置設置一根鋼立柱和立柱樁，與工程樁統(tǒng)一設計。局部臨時立柱采用鋼格構(gòu)，待地下室逆作完成并達到設計強度后割除。逆作施工階段一柱一樁的最不利工況為：兩層結(jié)構(gòu)梁板全部形成，基坑開挖至基底標高，基礎底板尚未澆筑之前。大開口順作區(qū)域及施工機械運輸通道加固區(qū)域設置臨時鋼立柱和立柱樁。主體結(jié)構(gòu)柱區(qū)域的立柱采用400 mm × 14 mm 鋼管混凝土柱，臨時鋼立柱采用4 根角鋼拼接的400 mm×400 mm、470 mm ×470 mm 鋼格構(gòu)柱。立柱樁盡量利用工程樁，以節(jié)省造價，新增立柱樁采用φ700 mm、φ800 mm 鉆孔灌注樁，樁徑和樁長視上覆荷載而定。

設計立柱及立柱樁時，一方面需考慮承受自重及結(jié)構(gòu)梁板的重力荷載、施工荷載等；同時應考慮逆作施工時相鄰柱間、柱與地下連續(xù)墻之間沉降差控制在20 mm 內(nèi)，以保證樓板不開裂；并采取樁端后注漿措施等以提高立柱樁的承載力及控制立柱樁的總體沉降，進而減少立柱之間的差異沉降；鋼管混凝土柱在永久使用階段外包鋼筋混凝土作為主體結(jié)構(gòu)的框架柱。

2.5 止水帷幕設計

本基坑開挖深度深，為了解決深厚⑤2層微承壓水層對坑底的抗承壓水穩(wěn)定性問題，且盡可能減少止水或承壓水降水措施對周邊環(huán)境的影響，本項目采取止水帷幕隔斷⑤2層微承壓水層的措施。

目前常用的施工工藝有超深三軸水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁、TRD 水泥土攪拌墻[12-13]、MJS 工法[14]、CSM 工法[15]等。TRD 技術(shù)將鏈鋸型切削刀具插入地基，掘削至墻體設計深度，然后注入固化劑，與原位土體充分混合攪拌，并持續(xù)橫向掘削、攪拌，水平推進，構(gòu)筑成連續(xù)的等厚度水泥土攪拌墻體。相較于其他止水結(jié)構(gòu)，其具有以下優(yōu)勢：1）施工深度大、適應地層廣；2）成樁質(zhì)量好、成墻精度高、墻體連續(xù)等厚度，截水性能好；3）施工安全性高、穩(wěn)定性好。因此，綜合考慮本工程的地質(zhì)條件、止水深度、施工條件、工程造價等因素，最終選用了TRD 水泥土攪拌墻隔斷⑤2層承壓含水層，以解決承壓水問題。

2.6 地基加固設計

為增強圍護樁的抗傾覆穩(wěn)定性，減小逆作施工時圍護樁的變形，在陽角及基坑中部的圍護樁內(nèi)側(cè)坑內(nèi)設置多處φ700@500 雙軸水泥土攪拌樁墩式加固，樁寬4 700 mm，北側(cè)坑內(nèi)采用裙邊加固，寬4 700 mm。雙軸水泥土攪拌樁與圍護灌注樁之間采用壓密注漿?？觾?nèi)落深區(qū)域大于1.5 m 的局部深坑，采用φ700@500 攪拌樁進行加固；大面積落深區(qū)域，采用φ800@600 高壓旋噴樁進行加固。

3 基坑工程實施與監(jiān)測

本工程從2016 年3 月2 日開始施工止水帷幕和圍護樁，至2017 年3 月9 日基本完成地下結(jié)構(gòu)施工。基坑施工過程中實施全面的信息化管理，為了實時掌握基坑本體變形及鄰近建筑物沉降發(fā)展趨勢，開挖過程中對基坑支護結(jié)構(gòu)、周圍環(huán)境進行全面地現(xiàn)場監(jiān)測，包括圍護樁測斜、水平支撐內(nèi)力、立柱樁隆沉、地下水位及周邊鄰近建筑、地下管線與土體的變形。圖8 為逆作施工現(xiàn)場情況。

圖8 逆作施工現(xiàn)場Fig.8 Reverse construction on site

3.1 圍護樁最大水平位移

圖9 為施工過程中圍護樁最大水平位移圖（括號中數(shù)值為位移值）。監(jiān)測結(jié)果表明：1）基坑北側(cè)中部P02 測點位移為47.8 mm，略大于基坑南側(cè)中部測點P09 位移為42.3 mm，基坑東側(cè)P06 測點位移為43.3 mm，略大于基坑西側(cè)P12 測點位移為39.2 mm，說明北側(cè)坑外建筑的超載及景觀高坡的超載對圍護樁變形有一定的影響；2）基坑大開口處P02 測點的最大水平位移為47.8 mm，而無大開口削弱的其他鄰近測點P04～P08 的位移為29.0～48.9 mm，二者并未有明顯區(qū)別，這說明大開口處的臨時支撐較好地彌補了該區(qū)域梁板缺失的剛度削弱。

圖9 圍護樁最大水平位移（單位：mm）Fig.9 Maximum horizontal displacement of retaining piles（Units:mm）

3.2 坑外建筑沉降

針對坑外周邊建筑沉降的情況，選取北側(cè)B樓（7F）進行具體分析，該建筑距離基坑邊線約12.6 m。圖10 為施工過程中部分測點的沉降發(fā)展歷程曲線。

圖10 北側(cè)7 層B 樓沉降變化曲線圖Fig.10 Settlement curve of 7-story building in the North

建筑沉降在2016 年7 月以后迅速增加，即頂板施工完畢后第二層土開始開挖階段；在2016 年12 月以后逐步趨向穩(wěn)定，即地下室底板澆注階段。由于測點F14、F21、F22 距離坑邊較近，其測點的沉降較建筑外側(cè)F24、F25、F26 測點明顯增大，最大相差40 mm 左右（測點F14 與F25）。由于基坑施工周期過長，且基坑淺層軟土具有蠕變特性，因此坑外建筑整體累計沉降也偏大，但各測點沉降分布較為平均，相鄰測點沉降差控制較好，滿足規(guī)范規(guī)定允許沉降差0.003L（L 為相鄰測點間距），因此建筑未出現(xiàn)明顯結(jié)構(gòu)性破壞。

4 結(jié)論

本工程依據(jù)基坑土層特點及周邊環(huán)境，本著安全可靠、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、方便施工的原則，提出了周邊鉆孔灌注樁臨時圍護結(jié)構(gòu)加大開口水平梁板結(jié)構(gòu)代替臨時支撐的逆作法設計方案，同時采用TRD 水泥土攪拌墻止水帷幕隔斷微承壓水的地下水控制措施。得到以下結(jié)論：

1）大開口逆作方案很好地解決了本基坑挖深深、面積大、場地空間狹隘、周圍環(huán)境保護要求高及工期緊的問題；

2）TRD 水泥土攪拌墻止水帷幕的運用阻隔了深厚⑤2層微承壓水層，是基坑成功控制地下水，保障安全施工的關(guān)鍵；

3）施工過程中實施全面地信息化施工和動態(tài)設計。由于外界出土與材料運輸?shù)葪l件的交通管制，造成基坑施工周期過長，以致基坑整體累計變形過大，較多測點變形均超過報警值，但周邊建筑未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫，坑外地下管線也未出現(xiàn)破壞，因此支護結(jié)構(gòu)體系是安全的，但應控制由于施工時間效應造成的基坑累計變形。