顧衛(wèi)東

上海寶冶集團有限公司 上海 200941

引言

基坑工程是比較典型的巖土工程，每一個基坑工程都有其特殊性和差異性，需綜合考慮項目地質(zhì)條件、水文條件、周邊環(huán)境條件、基坑開挖深度、面積和平面大小等一系列影響因素[1]。面對復(fù)雜的深基坑環(huán)境，深基坑支護形式、施工分區(qū)和安全監(jiān)測顯得尤為重要，選擇科學(xué)經(jīng)濟合理的支護形式；施工運用時空原理，面對復(fù)雜周邊環(huán)境，科學(xué)合理進行施工部署，采取順作法+逆作法、地下連續(xù)墻+混凝土支撐等支護形式，地下連續(xù)墻+三軸攪拌樁止水帷幕技術(shù)，為工期節(jié)點、施工質(zhì)量和基坑安全提供了經(jīng)濟合理的施工思路。

1 項目概況

某超高層項目位于湖北省武漢市中心城區(qū)的中山大道與三陽路交叉處，緊鄰長江漫灘和武漢市軌道交通7號線，項目為地鐵7號線過長江隧道提供送風(fēng)及排風(fēng)功能（即風(fēng)塔作用），并與商務(wù)辦公樓相結(jié)合充分利用空間資源，項目主塔樓建筑高度229m，塔樓地上46層，地下3層，地下室埋深20m，塔樓結(jié)構(gòu)形式為：圓鋼管混凝土柱+鋼框梁+鋼筋混凝土核心筒。

2 基坑概況及周邊環(huán)境

本工程基坑開挖深度為17.2m～25.3m，開挖面積為7740m2，南北方向長約95m、東西方向?qū)捈s84m。施工場地狹小，距離東側(cè)20m處為多層住宅樓群，西側(cè)距市政道路16m，南側(cè)與地鐵工作井共用地下連續(xù)墻（墻厚1.2m、墻深50m，工作井基坑尺寸為64.8m×52.8m、深度為27.7m，工作井采用地下連續(xù)墻支護形式、設(shè)置五層臨時鋼筋砼內(nèi)支撐），北側(cè)距一棟17層辦公樓僅9.5m。并且項目基坑?xùn)|側(cè)距長江河漫灘約560m，周圍環(huán)境十分復(fù)雜。項目基坑及周邊情況如圖1所示。

圖1 項目基坑及周邊情況圖

3 項目重難點

3.1 周邊環(huán)境復(fù)雜，施工部署要求高

項目基坑周邊緊鄰在建地鐵7號線隧道和在建地鐵工作井（正在施工，2018年10月1日地鐵7號線運行）、超高層建筑和居民住宅、保留舊廠房，周邊環(huán)境十分復(fù)雜；本項目作為地鐵7號線長江隧道的通風(fēng)塔，于2016年4月開工要求2018年7月1日前達到排風(fēng)功能，工期緊，如何進行有效的施工部署，施工分區(qū)，保證關(guān)鍵工期節(jié)點，深基坑的施工顯得尤為重要。

3.2 鄰江鄰地鐵，基坑支護體系設(shè)計施工要求高

深基坑與地鐵工作井（在建國內(nèi)首條公鐵兩用跨江隧道盾構(gòu)機接收井）共用一道地下連續(xù)墻，變形要求高控制難度大，北側(cè)居民住宅又不能及時拆遷，為了保證按期達到風(fēng)塔的功能。選擇經(jīng)濟合理的基坑支護體系和施工技術(shù)至為重要。

武漢鄰江區(qū)域的地下承壓水與長江有著十分密切的水力關(guān)系，其承壓水位受長江水位變化影響大，常年水量豐富，場地距離長江邊僅550m，承壓地下水位高，跨長江汛期施工，地下水控制難度大。

3.3 復(fù)雜深基坑，換撐拆撐難度大、安全性高

本工程復(fù)雜深基坑采用“外基坑套內(nèi)基坑，內(nèi)基坑含小基坑”，支撐拆除難度大、安全性高?；邮┕r需保證基坑支撐拆除的安全性，保證水平側(cè)向荷載的平穩(wěn)過渡。

在以往的深基坑工程中，采用地下連續(xù)墻+鋼筋混凝土內(nèi)支撐時需進行換撐、拆撐。而本基坑工程的復(fù)雜在于，基坑分為4個區(qū)依次施工，需要不斷地換撐、拆撐、地下連續(xù)墻拆除、后澆帶恢復(fù)等，且地下結(jié)構(gòu)有順作法區(qū)域、逆作法區(qū)域，地下空間狹小，換撐、拆撐轉(zhuǎn)換技術(shù)顯示更為復(fù)雜。

4 關(guān)鍵技術(shù)點

4.1 復(fù)雜深基坑“外基坑套內(nèi)基坑，內(nèi)基坑含小基坑”+局部逆作法綜合施工技術(shù)

深基坑與地鐵工作井（在建國內(nèi)首條公鐵兩用跨江隧道盾構(gòu)機接收井）共用一道地下連續(xù)墻、周邊存在超高層建筑、居民住宅，周邊環(huán)境復(fù)雜，為了保證超高層建筑塔樓結(jié)構(gòu)（核心筒含有國內(nèi)首條公鐵兩用跨江隧道通風(fēng)塔）率先施工，保證工期。同時基坑周邊需形成施工道路，深基坑開挖時需充分考慮周邊地鐵工作井、匝道等已有地下工程的支護安全性。在確保塔樓主線的原則、合理場布、基坑支護結(jié)構(gòu)傳力合理的原則，保證周邊建筑、地下工程的安全性，對主塔樓基坑進行內(nèi)坑支護。

4.1.1 基坑分區(qū)。本項目深基坑與地鐵工作井共用一道地下連續(xù)墻，如在該共用地下連續(xù)墻內(nèi)側(cè)直接進行土方開挖，將改變已有地下連續(xù)墻的受力方式，對基坑開挖和地鐵工作井造成很大的安全風(fēng)險。如何確保兩個深基坑在開挖和換撐拆撐施工過程中等對相鄰基坑影響最小，項目在塔樓I區(qū)和工作井之間設(shè)置基坑II區(qū)，一方面減少了基坑開挖對已有工作井的影響，形成了塔樓I區(qū)與工作井之間的支護傳力“緩沖帶”，增加了該共用地下連續(xù)墻的安全性；另一方面減少了一次性基坑開挖工作量，保證了主塔樓的施工進度。項目基坑分區(qū)圖如圖2所示。

同時項目開工時，在西側(cè)、北側(cè)的項目紅線內(nèi)，即裙樓區(qū)仍有未拆遷建筑，距塔樓基坑邊分別為7m、3m，而且由于Ⅱ區(qū)及Ⅲ區(qū)負二層為地鐵隧道通風(fēng)設(shè)備外掛機房，功能區(qū)別于Ⅳ區(qū)，綜合考慮到基坑南北方向長約95m，分成兩個施工區(qū)域，更便于基坑支護結(jié)構(gòu)和內(nèi)支撐的布置，降低基坑支護難度，故將其分為Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)兩個施工區(qū)域。III區(qū)為地下軌道交通順利運行提供條件，需先行施工。

綜合考慮上述因素，本項目基坑分為4個施工區(qū)域（I區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)），通過科學(xué)合理的施工部署，形成了“外基坑套內(nèi)基坑、內(nèi)基坑含小基坑”的基坑工程施工布局。“外基坑”是指項目裙樓Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)，承臺底標高為-17.2m；“內(nèi)基坑”是指項目塔樓I區(qū)，塔樓筏板底標高為-19.6m；“小基坑”是指塔樓核心筒區(qū)域的電梯井底部,底標高為-25.3m，與塔樓筏板存在5.7m高差。

4.1.2 “順作法+局部逆作法”。受周邊復(fù)雜環(huán)境影響，基坑開挖分為四個分區(qū)，采用順作法（Ⅰ、Ⅳ區(qū)）和逆作法（Ⅱ、Ⅲ區(qū)）相結(jié)合。

一方面保證了主樓（Ⅰ區(qū)）的率先施工，同時在Ⅱ、Ⅲ區(qū)采用逆作法（Ⅱ區(qū)及Ⅲ區(qū)負二層為地鐵隧道通風(fēng)設(shè)備外掛機房），保證了部分裙樓地下室與周邊隧道、地鐵配套用房按期交付并進行隧道通風(fēng)塔相關(guān)設(shè)備的安裝，為地下軌道交通順利運行提供條件，經(jīng)方案比選（順做法、逆作法），采用地下室逆作法（半逆作法）施工技術(shù)，縮短了地下室移交時間。

另一方面結(jié)合基坑“外基坑套內(nèi)基坑、內(nèi)基坑含小基坑”的施工布局，裙樓Ⅱ、Ⅲ區(qū)采用逆作法可省去Ⅱ、Ⅲ區(qū)的內(nèi)部支撐，大大減小了基坑變形，在保證基坑安全的基礎(chǔ)上，即保證了工期同時節(jié)約了工程造價。

4.2 鄰江鄰地鐵復(fù)雜深基坑支護體系設(shè)計施工技術(shù)

4.2.1 地質(zhì)條件及水文情況。根據(jù)項目地勘報告，場地地貌單元屬河流堆積平原，為長江一級階地。施工范圍內(nèi)的土層自上而下主要有素填土、粉質(zhì)黏土、粉砂土、黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、粉細砂1層（中軟土，厚度約10m）、粉細砂2層（中硬土，厚度達20m以上），弱膠結(jié)礫巖，中等膠結(jié)礫巖層（軟質(zhì)巖石，設(shè)計為樁端持力層）[2]。

場地地下水主要包括以下3種：①上層滯水，基坑開挖期間采用截斷處理技術(shù)，避免滯水沿坑壁流入基坑內(nèi)。②粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂混合層及砂土中的承壓水與長江有密切的水力聯(lián)系，項目場地承壓水位18.40m，承壓水對基坑施工影響大，需采取降水、止水措施。③單元基巖裂隙帶中的基巖裂隙水，與承壓水呈連通關(guān)系[2]。

4.2.2 支護方案選擇。根據(jù)武漢地區(qū)（鄰江區(qū)域）深基坑工程經(jīng)驗及技術(shù)特點，在該地質(zhì)條件下垂直開挖深度在17～20m左右的大型深基坑通常采用以下幾種方案：

方案1：地下連續(xù)墻（不嵌巖）或鉆孔灌注樁+二～三層臨時鋼筋混凝土支撐；

方案2：地下連續(xù)墻（嵌巖）+二～三層臨時鋼筋混凝土支撐；

方案3：地下連續(xù)墻（嵌巖）+地下三層結(jié)構(gòu)梁柱支撐（即與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的逆作法）。

本項目采用剛度較大的“兩墻合一”地下連續(xù)墻（嵌巖），地下連續(xù)墻兼作基坑支護和地下室結(jié)構(gòu)用，做到嚴格控制變形，節(jié)省施工空間和工程成本。

4.2.2 .1 塔樓區(qū)及裙樓Ⅳ區(qū)采用方案2，采用地下連續(xù)墻（嵌巖）+三層臨時鋼筋混凝土支撐支護結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示；

圖3 塔樓Ⅰ區(qū)、裙樓Ⅳ區(qū)基坑支護平面布置圖

基坑Ⅰ區(qū)（塔樓區(qū)）采用常規(guī)順作法施工，采用臨時地下連續(xù)墻+三層鋼筋混凝土內(nèi)支撐（內(nèi)支撐的布置避開主體塔樓剪力墻核心筒和鋼管樁等豎向構(gòu)件，節(jié)省拆撐換撐時間，確保主體塔樓施工進度）的支護結(jié)構(gòu)方案，其中靠近南側(cè)工作井的臨時地下連續(xù)墻不嵌巖落底，僅需滿足支護要求，節(jié)省投資[3]。

基坑Ⅳ區(qū)（裙樓區(qū)域）也采用順作法施工，支護結(jié)構(gòu)與塔樓結(jié)構(gòu)相結(jié)合設(shè)計。Ⅳ區(qū)裙房區(qū)域基坑作為最后的開挖施工區(qū)域，主要關(guān)注重點是對北側(cè)周邊建筑物的影響，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，調(diào)整設(shè)計采用順作法施工，將原設(shè)計的臨時側(cè)向支護結(jié)構(gòu)和水平換撐結(jié)構(gòu)調(diào)整為利用周邊已完工的塔樓結(jié)構(gòu)體系、其他側(cè)利用已完工的地下連續(xù)墻作為側(cè)向支護結(jié)構(gòu)；設(shè)置二層水平支撐體系，在-2F樓板標高處設(shè)置少量斜向支撐進行臨時換撐，有利于節(jié)省工期，節(jié)省支撐工程量。裙樓Ⅳ區(qū)基坑支撐如圖4所示。

圖4 裙樓Ⅳ區(qū)基坑支撐效果圖

4.2.2 .2 裙樓Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)采用方案3，采用地下連續(xù)墻（嵌巖）+地下三層結(jié)構(gòu)梁柱支撐（逆作法）支護結(jié)構(gòu)形式，如圖5所示。

圖5 裙樓Ⅱ、Ⅲ區(qū)基坑支護平面布置圖

裙樓Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)即自上而下，先施工上層大部分結(jié)構(gòu)梁、板作為水平方向支撐，局部留設(shè)施工洞口；隨后開挖樓板下層土方；從上到下依次進行，直到基坑筏板施工完成。

本項目基坑外圍采用地下連續(xù)墻既作地下室的外墻，同時又作支護結(jié)構(gòu)，起到隔水和擋土作用；內(nèi)側(cè)鋼筋混凝土支撐作為水平支撐結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)各分區(qū)之間的臨時地下連續(xù)墻既作支護結(jié)構(gòu)，同時起到施工分區(qū)作用。內(nèi)側(cè)鋼筋混凝土支撐均采用臨時型鋼格構(gòu)立柱+灌注樁作為豎向承載結(jié)構(gòu)，本項目地下連續(xù)墻布置形式如圖6所示。

4.2.3 模擬施工最不利工況，確定最優(yōu)施工思路。預(yù)先分析基坑施工時可能遇到的各種最不利工況，及時根據(jù)實際情況進行優(yōu)化部署。（最不利工況：地鐵工作井、隧道匝道同步在開挖。）

措施1：裙樓Ⅱ、Ⅲ區(qū)（隧道配套用房區(qū)域）基坑逆作施工，滿足與施工時與在建工作井、匝道相互之間互不影響的要求。

措施2：裙樓Ⅱ、Ⅲ區(qū)域地下室負二層為地鐵跨越長江隧道的配套用房，其封頂節(jié)點要求非常嚴格，須在塔樓Ⅰ區(qū)結(jié)構(gòu)封頂時同步投入使用，同時考慮Ⅱ、Ⅲ區(qū)地下室的位置特點，及與相鄰工作井、匝道的施工工況情況，考慮相互影響要求，經(jīng)過方案比選和安全模擬分析，Ⅱ、Ⅲ區(qū)域采用逆作法是該情況下最可靠、最節(jié)省時間、最可行的施工方案?；英颉ⅱ髤^(qū)平面圖如圖7，剖面圖如圖8所示。

圖7 Ⅱ、Ⅲ區(qū)基坑平面圖

圖8 Ⅱ、Ⅲ區(qū)基坑剖面圖

4.2.4 深基坑穩(wěn)定控制與變形控制的數(shù)值模擬。場地內(nèi)房屋拆遷情況復(fù)雜，周邊緊鄰在建地鐵隧道、在建地下匝道、居民小區(qū)，環(huán)境十分復(fù)雜；根據(jù)設(shè)計施工規(guī)范及相關(guān)要求，需嚴格控制相應(yīng)的支護結(jié)構(gòu)變形，確保支護結(jié)構(gòu)位移變形限值要求。基坑周邊圍護結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻（兼做地下室結(jié)構(gòu)），水平支撐構(gòu)件采用多層鋼筋混凝土臨時支撐或利用主體結(jié)構(gòu)水平樓板，采用多種分析軟件進行二維和三維的模擬分析，控制支護結(jié)構(gòu)位移變形限值。

圖9 塔樓Ⅰ區(qū)基坑開挖與工作井基坑開挖不利工況數(shù)值分析圖

4.3 深厚細砂層中地下連續(xù)墻+三軸攪拌樁豎向支護技術(shù)研究

基坑開挖的范圍內(nèi)上部分土層呈可塑或流塑狀，下部分土層為深厚細砂層，且地下水較豐富且水位較高，易出現(xiàn)流沙、坍塌等情況。綜合考慮基坑周邊嚴峻的環(huán)境條件（隧道工作井、匝道、歷史保護建筑物等）、土層條件、水文條件及施工難度，最終選用嵌巖落底式地下連續(xù)墻+三軸攪拌樁豎向支護體系，以隔斷基坑內(nèi)地下水與外界聯(lián)系，同時在基坑內(nèi)僅設(shè)置少量的備用降水井，將基坑內(nèi)的地下水疏干，同時也作為局部地下連續(xù)墻萬一發(fā)生滲透時的應(yīng)急降水措施，達到滿足降低地下水位的要求。根據(jù)項目基坑分區(qū)施工順序和地下水特點，優(yōu)化布置降水井的位置和數(shù)量，采用降水分析軟件進行計算分析，控制降低地下水引起的周邊地面沉降理論計算值、沉降差，計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求[5]。

本項目先進行塔樓I區(qū)三軸攪拌樁的施工，再進行裙樓區(qū)的施工，三軸攪拌樁分區(qū)施工順序如圖10所示。

圖10 三軸攪拌樁分區(qū)施工順序示意圖

4.4 復(fù)雜深基坑地下連續(xù)墻拆除及換撐拆撐技術(shù)

基坑施工時，按4個區(qū)依次流水進行，但最終地下室是貫通的，因此，各分區(qū)之間的臨時地下連續(xù)墻及支撐等必須拆除，需拆除地下連續(xù)墻的長度達210m、高度達16.3m，工程量大、難度大，混凝土強度達C40P10，硬度大，而且拆除時地下室需同步形成，各分區(qū)之間進行拆撐、換撐等轉(zhuǎn)換工序復(fù)雜。根據(jù)本項目的具體情況、結(jié)合周邊環(huán)境因素，為減少對已完工程的保護，減少施工擾民，保護施工現(xiàn)場周邊環(huán)境，各區(qū)結(jié)構(gòu)相聯(lián)通部位的地下連續(xù)墻及鋼筋混凝土內(nèi)支撐的拆除均采用混凝土靜音切割拆除技術(shù)。

圖11 基坑地下連續(xù)墻拆除及拆換撐區(qū)域示意圖

4.4.1 Ⅰ區(qū)與 Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)相連地下連續(xù)墻拆除及換撐拆撐。項目Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)與塔樓I區(qū)相臨的臨時地下連續(xù)墻和換撐梁拆除順序與Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)逆作法施工相配合，自上向下拆除，共分四步施工：

第1步：拆除塔樓I區(qū)地下室頂板處混凝土換撐梁。

第2步：裙樓Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)土方開挖至負一層結(jié)構(gòu)板底，拆除Ⅰ區(qū)地下室負一層處混凝土換撐梁，同時臨時地下連續(xù)墻同步拆除至基坑Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)負一層結(jié)構(gòu)梁底。

第3步：Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)土方開挖至負二層結(jié)構(gòu)板底，拆除Ⅰ區(qū)負二層換撐梁。臨時地下連續(xù)墻拆除至Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)負二層結(jié)構(gòu)梁底。

第4步：Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)土方開挖至負三層板底底，臨時地下連續(xù)墻拆除至Ⅱ區(qū)、Ⅱ區(qū)負三層底板底及基礎(chǔ)梁底。

圖12 連續(xù)墻拆除步驟示意圖

4.4.2 I區(qū)與Ⅳ區(qū)相連地下連續(xù)墻拆除及換撐拆撐。裙樓Ⅳ區(qū)內(nèi)支撐隨著地下室從下向上的施工，依次拆除最下道和中間道支撐，并且地下室樓板澆筑時，在樓板標高處與塔樓Ⅰ區(qū)地下連續(xù)墻連接位置設(shè)置換撐，依次交替施工至負二層頂板。隨后進行Ⅰ區(qū)最上一道換撐拆除及負一層地下連續(xù)墻破除，隨即Ⅳ區(qū)負一層結(jié)構(gòu)和Ⅰ區(qū)第一層換撐部位結(jié)構(gòu)梁板一起澆筑。最后連續(xù)墻和換撐結(jié)構(gòu)從上到下依次拆除，拆換撐區(qū)域結(jié)構(gòu)梁板澆筑完成。至此施工地下室貫通形成整體。

圖13 Ⅰ區(qū)與Ⅳ換撐拆撐流程圖

圖14 Ⅰ區(qū)與Ⅳ區(qū)換撐拆撐示意圖

4.5 復(fù)雜深基坑監(jiān)測技術(shù)

為保證深基坑施工安全，對基坑開挖過程中基坑支護和周邊建筑物進行位移、沉降變形觀測，主要監(jiān)測內(nèi)容為：地下連續(xù)墻頂部冠梁位移、地下連續(xù)墻側(cè)向深層水平位移、內(nèi)支撐軸力、周邊建筑物水平和豎向位移等。結(jié)論：基坑施工全過程結(jié)構(gòu)安全，監(jiān)測結(jié)果均在限值之內(nèi)[4]。

表1 監(jiān)測數(shù)據(jù)主要信息表

5 結(jié)束語

本項目根據(jù)鄰江鄰地鐵復(fù)雜環(huán)境下深基坑工程經(jīng)驗及技術(shù)特點，綜合考慮現(xiàn)場周邊環(huán)境，基于時空效應(yīng)，采用“外基坑套內(nèi)基坑，內(nèi)基坑含小基坑”基坑施工布局。

本項目根據(jù)各分區(qū)的使用特點，分別采用嵌巖落底地下連續(xù)墻或不落底地下連續(xù)墻；根據(jù)各分區(qū)的施工順序優(yōu)化降水井布置，確保將降水引起的地面沉降對周邊環(huán)境的影響降至最低，確?；拥陌踩?。

本項目基于復(fù)雜深基坑的周邊復(fù)雜性，綜合考慮各種施工工況，選取安全有效的基坑支護形式，并采用數(shù)值模擬分析手段，分析各種可能的工況，按最不利工況進行設(shè)計，確保安全。

本項目根據(jù)復(fù)雜深基坑各分區(qū)特點，分區(qū)制訂不同的施工方案，分區(qū)順逆作施工，復(fù)雜深基坑地下連續(xù)墻拆除及換撐拆撐技術(shù)，通過BIM動畫模擬，確保復(fù)雜深基坑了安全快速施工，最終確保了2018年7月1日達到通風(fēng)塔的功能，為其他類似工程提供了有益的借鑒，并創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。