大型住宅小區(qū)大面積淺基坑圍護設計方案優(yōu)化

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0 引言

在大型住宅小區(qū)工程建設中進行地下空間的開發(fā)利用已成為主流，但作為軟土地基城市，軟弱土層深厚，地下水位埋藏淺，環(huán)境條件敏感復雜，從而造成該類基坑工程設計與施工中有以下特點[1-6]：

（a）軟土地區(qū)的基坑設計應以變形控制為主導，如何因地制宜采用適合的基坑圍護結構形式，合理選用設計參數(shù)，不僅關系到工程的造價、工期，對基坑的變形控制更起到十分關鍵的作用。

（b）對面積巨大的基坑而言，空間效應顯著，同時基坑施工周期長，軟弱土體的流變特性將進一步加大基坑開挖對周邊環(huán)境的影響，因此在設計與施工過程中均應合理考慮時空效應的影響，優(yōu)化施工參數(shù)，采取控制措施。

（c）與城市中獨立的地下建筑不同，住宅小區(qū)地下室的空間布局受地面上住宅建筑的影響較大，由于上部住宅須滿足建筑容積率、基礎埋深等技術和使用要求，基底開挖面往往深淺不一，有時地下室的布局甚至對基坑圍護造成不利，只有將兩者合理匹配方可取得地下空間開發(fā)的最佳效益。

（d）此類基坑越來越多地出現(xiàn)在場地嚴重受限的城市中心等地區(qū)，因而施工場地緊湊，有些地方甚至緊貼城市規(guī)劃紅線；基坑周邊環(huán)境復雜敏感，臨近大量管線、建筑與地鐵構筑物等。這些都對基坑工程的圍護體系提出了更高的要求。

（e）基坑圍護作為臨時性結構，其設計的安全儲備系數(shù)相比永久性結構本來就較小，而該類基坑工程由于挖深不大，在設計及施工中往往由于缺乏足夠的重視而加大了工程隱患。

綜上所述，綜合地質(zhì)條件，從安全、造價、施工工藝以及工期進度角度綜合考量，開展軟土地區(qū)大型淺基坑圍護設計優(yōu)化研究，尋求最佳的圍護設計方案已成為一個迫切而重要的課題。

1 淺基坑圍護方案的比較與分析

在多年的城市建設實踐中，巖土工程界針對軟土地基不同的基坑開挖深度、場地土質(zhì)及水文狀況、周邊環(huán)境等條件，形成了相對成熟的圍護形式、設計計算方法與配套施工技術，在淺基坑工程中常見的圍護結構類型主要有以下幾種：復合土釘支護、水泥土攪拌樁重力式擋墻、鋼板樁、鋼筋混凝土板樁、鉆孔灌注樁；近年來還開發(fā)了型鋼水泥土攪拌墻（SMW工法）等。這些圍護結構各有優(yōu)缺點和適應范圍，見表1。

從表1中不難發(fā)現(xiàn)，各種類型的圍護形式在適用條件、施工便捷性、造價經(jīng)濟性等方面各有特點，因此需綜合考慮每個工程項目的規(guī)模、周邊環(huán)境、工程水文地質(zhì)條件等因素對基坑圍護結構方案進行合理選型。

2 基坑圍護方案選型影響因素分析

（a）工程地質(zhì)水文條件[7]。工程地質(zhì)勘察提供的場地土性指標、不良地質(zhì)現(xiàn)象、地下水的埋藏條件及滲流特性等有關參數(shù)，是進行基坑支護結構設計、坑內(nèi)地基加固設計、降水設計、土方開挖等的重要依據(jù)。

（b）周邊環(huán)境條件。在建筑物密集、管線眾多的地區(qū)，環(huán)境保護是基坑工程的重要任務之一。了解受影響區(qū)內(nèi)的紅線、道路、市政管線、建（構）筑物的詳細資料，從而合理選擇圍護寬度，留設施工空間，確定基坑變形敏感程度，評估基坑開挖對周邊環(huán)境可能產(chǎn)生的影響，為采取針對性的保護措施提供依據(jù)。

（c）建筑結構設計[8]。建筑結構的設計資料是基坑圍護設計必不可少的依據(jù)，它決定了基坑的挖深、規(guī)模、開挖面各區(qū)域的高差情況以及基坑與周邊環(huán)境之間的平面關系等。

表1 常用圍護結構優(yōu)缺點比較

3 大面積淺基坑圍護設計優(yōu)化

在影響基坑圍護結構選型的三大主要因素中，工程地質(zhì)條件和周邊環(huán)境條件都是客觀條件，在工程建設地點確定以后是不可改變的，而建筑結構設計則是主觀條件，是可以優(yōu)化的。因此在基坑圍護方案設計中除了關注工程地質(zhì)和周邊環(huán)境條件外，還應注重建筑結構設計。筆者在一些大型住宅小區(qū)基坑圍護方案設計中，通過與設計單位的協(xié)商和溝通，以建筑總體布局優(yōu)化和大型結構設計優(yōu)化來降低基坑工程造價，縮短施工工期，取得了良好效果。

3.1 建筑總體布局優(yōu)化

不少大型住宅小區(qū)傳統(tǒng)的建筑總體布局為利于居民出行，多采用號房居中、地庫環(huán)繞周邊的形式。但這種建筑布局存在明顯缺陷：形成基坑的中間淺、周邊深，使基坑圍護方案只能按照較大挖深選型，導致成本增加，工期延長。

如上海浦江鎮(zhèn)125-1地塊住宅小區(qū)就采用了這種建筑總體布局，如圖1所示。該工程基坑總面積約7.9 萬m2，周長約1 113 m，總體呈較規(guī)則的正方形。基坑緊鄰市政道路，周邊市政管線密集，尤其在臨近基坑東北側(cè)分布有一煤氣管線，與基坑邊最近距離僅6 m。盡管居于小區(qū)中央的號房基坑開挖深度只有3.45 m，但是分布在外圍的地庫區(qū)域的普遍挖深為5.40～5.80 m。經(jīng)過綜合比選，采用了板式圍護結合豎向斜撐的支護方案，如圖2所示。這樣不但圍護結構成本比較高，而且地下工程需要分2 期先后施工，施工工期比較長。

圖1 浦江鎮(zhèn)125-1地塊住宅小區(qū)地下室方案

圖2 浦江鎮(zhèn)125-1地塊基坑支護結構剖面

針對傳統(tǒng)住宅小區(qū)建筑總體布局存在的缺陷，我們在后續(xù)浦江鎮(zhèn)128-2地塊中對建筑總體布局進行了優(yōu)化：即采用地庫居中、號房環(huán)繞周邊布置的形式，如圖3所示。這種建筑布局具有明顯優(yōu)勢：基坑中間深、周邊淺；基坑圍護方案按周邊號房較淺的挖深選型即可，圍護方案選擇范圍大；內(nèi)部地庫深坑開挖時僅需在高差較大處進行局部加固即可，相對施工成本可大幅度降低、且工期也大大縮短。

圖3 浦江鎮(zhèn)128-2地塊住宅小區(qū)地下室方案

浦江鎮(zhèn)128-2地塊基坑總面積約7.5 萬m2，周長約1 124 m，總體呈較規(guī)則矩形。盡管居于小區(qū)中央的地庫區(qū)域的開挖深度也有5.2 m，但是位于周邊的號房開挖深度只有3 m左右。經(jīng)過綜合比選，采用了放坡開挖結合輕型井點降水的圍護方案，其內(nèi)部坑中坑高差區(qū)域則采用土釘墻支護，不單獨占用空間，能貼近已有建筑物開挖，如圖4所示。相對浦江鎮(zhèn)125-1地塊，優(yōu)化了建筑總體布局的浦江鎮(zhèn)128-2地塊基坑圍護結構成本大大降低，施工環(huán)境明顯改善，施工工期顯著縮短。

圖4 浦江鎮(zhèn)128-2地塊基坑支護結構剖面

3.2 內(nèi)部高差處結構方案優(yōu)化

由于功能需求的不同，不少住宅小區(qū)內(nèi)部的號房地下室和地下車庫緊鄰區(qū)域往往存在較大的高差，倘若對高差處的建筑結構基礎形式和基坑的圍護設計能統(tǒng)籌考慮，將對工程經(jīng)濟合理性的實現(xiàn)有重要意義。現(xiàn)以浦江鎮(zhèn)128-3地塊住宅小區(qū)工程實例解析如下。

浦江鎮(zhèn)128-3地塊住宅小區(qū)項目擬建37 棟小高層、2 棟多層商業(yè)建筑，均為單層地下室，并與地下車庫連接成一個整體。由于地下車庫上有覆土要求，其頂板標高與小高層地下室頂板有1.8 m左右的高差，另外，地下車庫層高為3.6 m，小高層地下室層高為2.8 m，兩者地下室底板也存在2.5 m左右的高差，有較大的錯層，使得結構水平力傳遞復雜。為了在復雜的結構中尋求合理且經(jīng)濟的結構方案，我們采用了3 種基礎方案進行對比分析：

方案一，小高層設置2 層地下室，地下室底板標高與地下車庫底板標高拉齊，此方案施工簡單，受力合理，傳力明確，但也將帶來內(nèi)部號房挖深的增加，導致工程造價也較高。

方案二，因為地下室頂板無法作為小高層的嵌固層，所以將基礎梁做高，以達到滿足小高層的嵌固要求，此方案結構材料費用較省，但要保證小高層的水平力合理傳遞至基礎，使得坑底加固成本較高，另外由于梁高較大，施工也非常麻煩。

方案三，將住宅地下1層的墻體落至地下車庫底板標高，但結構底板仍在地下1層底標高，使得基礎底板與基礎梁錯開1 層（圖5），此種方案使得結構設計非常復雜，號房挖深增大，但施工相對簡單，且工程造價較低。

圖5 內(nèi)部高差處基礎方案3示意

綜合考量施工及造價的影響，本項目最終選擇結構設計最難的方案3，但大大節(jié)約了工程造價。

4 結語

本文在對于軟土地區(qū)大型住宅小區(qū)基坑工程存在的面積巨大、基礎底板深淺不一、環(huán)境敏感復雜等特點進行總結的基礎上，對適用圍護類型的優(yōu)缺點及選型影響因素進行了詳細的研究、分析和歸納，結合近年來開發(fā)的上海軟土地區(qū)多個大面積住宅小區(qū)基坑的工程實踐，針對性地提出能有效降低項目成本，縮短施工工期的2 個優(yōu)化措施，可為同類住宅小區(qū)大面積基坑工程的設計與施工提供有益的借鑒和參考。