軟土地區一層地下室淺基坑圍護選型研究

上海建工房產有限公司 上海 200080

1 圍護型式及選型分析

1.1 價值工程簡介

價值工程（Value Engineering）是第二次世界大戰期間，美國通用電氣公司麥爾斯總結出的一套在保證同樣功能的前提下，降低成本的比較完整的科學方法，隨著其研究內容的不斷豐富和完善，形成了一套完整的科學體系。

價值工程是通過對所研究對象的功能與費用的系統分析，研究對象的最低壽命周期成本可靠地實現使用者所需功能，以獲得最佳的綜合效益。價值工程中的“價值”，是研究對象功能和實現這個功能所耗用費用（成本）的比值，其表達式為V=F/C，其中：F為研究對象的功能；C為研究對象的成本；V為研究對象的價值。功能分析是價值工程的核心。功能是指研究對象能夠滿足某種需求的一種屬性，即研究對象的具體用途，功能分析就是透過研究對象的實物形象，將隱蔽在研究對象背后的本質—功能揭示出來，明確“研究對象有哪些功能”，找出各種功能相互之間的邏輯關系。經過測算，分析保證必要功能，剔除過剩功能，補充不足功能，使研究對象的功能結構更合理。

1.2 價值工程在基坑圍護選型的具體應用

基坑工程是臨時工程和隱蔽工程，不確定的影響因素較多，既涉及到土力學的強度、變形和穩定性問題，又涉及到土體與支護結構共同作用的問題，是一項綜合性強、風險性大的結構巖土工程。上海地區地下水位淺，淺層土體軟弱，周邊環境復雜，增加了基坑工程設計和施工的難度。基坑圍護選型應首先滿足安全性、周邊環境保護及技術經濟的要求，同時要有利于節約資源、符合可持續發展的要求，實現綜合的社會效益和經濟效益。

考慮到基坑工程是臨時工程，它的使用壽命是有限的；根據不同地層條件、周邊環境保護要求、工期要求等設計與施工的基坑工程，需要投入一定的人、財、物，耗用一定費用即成本；這樣就很有必要運用價值工程理論來比選圍護型式。如何運用價值工程的理念來比選基坑圍護型式，必須遵循如下步驟：

（a）根據實際需要設計盡可能多的圍護方案，根據場地周邊環境（道路、管線、建筑物、其他保護要求）、地質條件、基坑挖深、面積大小、工期要求、施工條件等進行初步方案篩選，列出可供比選的方案；

（b）確定功能評價指標及其重要權數；

（c）確定費用評價指標及其重要權數；

（d）計算各方案的功能系數、費用系數和價值系數；

（e）根據各方案的價值系數值，選出最優方案。

在上海地區，對于1 層地下室的淺基坑，其圍護結構型式主要有放坡開挖、水泥土攪拌樁重力式擋墻（重力壩）、土釘墻、雙排樁、板式支護懸臂、板式支護結合內支撐等圍護結構型式。為簡單、快速確定方案的比選，對1層地下室淺基坑，其功能的評價指標主要是：技術可行（滿足方案的科學性和先進性、圍護體系穩定性要求、圍護體系強度要求、圍護體系的變形要求）、環境影響（施工對環境的影響、施工可能產生的地質災害）、施工便捷（施工難易程度、設備可獲取性、施工工期）等，并假定各評價指標的權數相等；其費用的評價指標主要是：直接成本（基坑工程的勘察、設計、施工、監測等費用）、間接成本（環境保護成本、工期的經濟成本、管理成本等），并假定各評價指標的權數相等。根據工程經驗，對淺基坑中常見的圍護型式指標進行總結，假定功能系數取值區間為1～10，取值越大功能越能滿足要求，費用系數取值區間為1～10，取值越大費用越高；價值系數取值區間為0.1～10，價值系數為1 時方案最優（表1）。

表1 圍護結構型式及選型分析

2 工程實例分析[1-7]

本文以浦東新區東溝09-03地塊商品房項目為例，對該類基坑的圍護選型進行分析。

2.1 工程概況及周邊環境

項目位于上海浦東新區，基坑開挖面積19 660.1 m2，周長653.1 m。基坑東側和南側用地紅線鄰近蓮心河，東南角基坑開挖邊線距用地紅線最近僅約2.6 m；南側東部區域基坑開挖邊線距離用地紅線僅3.7 m；其余區域基坑開挖邊線距離用地紅線大于5.0 m。除汽車坡道位置外，基坑北側與東煦路中間間隔20 m的綠化退界。中間位置有一棟6 層混凝土框架結構辦公樓，距基坑開挖邊線約20.1 m。東北角汽車坡道開挖邊線距用地紅線僅3.2 m。基坑西側緊鄰生命線工程——東溝水泵站蓄水池和3 層民宅，為本基坑重點保護對象。最大儲水量達到10 000 m3，水池基礎型式為夯實土天然地基，對變形的控制要求極為嚴格。環境保護等級為二級。工程概況與周邊環境如圖1所示。

圖1 基坑概況及周邊環境

2.2 工程地質與水文地質條件

本工程基坑圍護主要涉及到第①層雜填土、第②層粉質黏土、第③層黏質粉土夾淤泥質粉質黏土、第④層淤泥質黏土、第⑤層黏土、第⑥層粉質黏土。影響本工程圍護的主要為淺部潛水。根據上海地區地下水年平均水位埋深，地下水位埋深為0.50 m。

2.3 基坑開挖深研究

基坑挖深和周邊環境條件是影響圍護選型和圍護經濟性的2 個重要因素。本工程平整后場地平均絕對標高+4.60 m，相對標高-0.55 m；底板厚度0.4 m，墊層厚度0.15 m，地庫地基梁高度0.85 m，號樓地基梁高度0.90 m。根據結構設計資料中基坑底板面標高，基坑分為深區和淺區2 個區域，深區底板頂標高為-5.65 m，對應深區號樓和地庫的挖深分別為6.15 m，6.10 m；淺區底板頂頂標高為-4.95 m，對應號樓和地庫的挖深分別為5.45 m，5.40 m。

北側和東側號樓工程樁在基坑坑邊，改動地基梁的型式可能會對建筑的使用功能和上部結構的安全造成影響；西側和南側為地下車庫梁板基礎，將最邊跨下翻地基梁改為上翻梁，地基梁下落0.45 m，西側深區和淺區對應的挖深分別為5.70 m和5.40 m。在不影響建筑功能和空間使用的情況下，減小了基坑開挖深度，有效地改善了基坑圍護的安全性和經濟性。

2.4 圍護選型分析

根據本基坑除西側、基坑東南角和東北角汽車坡道位置，其余區域基坑開挖邊線距離用地紅線均大于5 m；北側最為寬松，但該側需考慮施工材料加工、堆放和職工生活區域的安排。因此，圍護選型分析分為典型的三類，一類為東側、南側和北側大部分區域，周邊環境較為寬松；另一類為東北角和東南角圍護場地有限；第三類為西側周邊環境保護等級高的區域。根據項目計劃和銷售規劃要求，本工程對工期要求較為嚴格，故必須充分考慮工期所帶來的費用成本。

2.4.1 第一類區域圍護選型

根據基坑的挖深和周邊環境情況，按照圍護選型的第一步，周邊無放坡開挖的施工空間，土釘墻施工會超出用地紅線，故排除第Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ類圍護型式；

第一類區域對基坑變形控制較為寬松，功能要求較低，而工期費用為主要評價指標；如采用內支撐體系，施工工期較長；選用攪拌樁重力式擋墻、板式支護懸臂和雙排樁圍護型式較為合理。故第一類區域選擇格柵式攪拌樁重力式擋墻、板式支護懸臂和雙排樁為目標對象。

板式懸臂圍護型式則需要圍護樁穿過第④層淤泥質黏土，深入到第⑤層黏土中方可滿足穩定性要求，樁長較長，且板式懸臂位移較大。對比每延米重力式擋墻和板式懸臂圍護型式的造價，重力式擋墻的經濟性優于板式懸臂圍護型式。故本類選用攪拌樁重力式擋墻的圍護型式，壩體的寬度和插入深度則根據基坑開挖深度和周邊的荷載確定。通過價值工程分析，得出攪拌樁重力壩最優，典型圍護剖面如圖2所示。

圖2 第一類區域基坑選型結果典型剖面

2.4.2 第二類區域圍護選型

第二類區域基坑開挖邊線距離用地紅線較近，無放坡、土釘墻和攪拌樁重力式擋墻的施工空間，故排除Ⅰ～Ⅳ類圍護型式。基坑東北角汽車坡道挖深與地下車庫挖深相同，鄰近市政道路東喣路，板式懸臂圍護位移較大，排除；可選用板式支護結合水平支撐、板式支護結合斜拋撐和雙排樁的圍護型式；板式體系可以選用SMW工法和鉆孔灌注樁。經驗算，SMW工法和鉆孔灌注樁均能滿足各項指標的要求，而工法樁H型鋼需露出地面，對坑邊施工作業有一定的影響。經測算，當工期超過10 個月時，SMW工法樁的造價反而高于鉆孔灌注樁。另外，鉆孔灌注樁的剛度更大，對變形的控制更好。同樣，以費用系數為主要評價指標。經價值工程分析，本類區域選用鉆孔灌注樁加水平支撐的圍護型式。典型圍護剖面如圖3所示。

2.4.3 第三類區域圍護選型

第三類區域基坑開挖邊線距離用地紅線較近，紅線外有保護建（構）筑物，對變形要求嚴格。根據基坑圍護體穩定性計算要求和環境保護要求，板式支護結合水平支撐、板式支護結合斜拋撐和雙排樁的圍護型式較為合適。因沿西側一整條邊都需要保護，且基坑面積較大，采用板式結合水平支撐圍護型式工程量大，工期和經濟性都較板式支護結合斜拋撐和雙排樁圍護型式為差，費用系數較大，選用板式支護結合斜拋撐和雙排樁圍護型式較為合理，對比板式支護結合斜拋撐和雙排樁的造價，板式支護結合斜拋撐圍護造價遠低于雙排樁。故本類西側選用板式支護結合斜拋撐的圍護型式。典型圍護剖面如圖4所示。

圖3 第二類區域基坑選型結果典型剖面

圖4 第三類區域基坑選型結果典型剖面

根據工程進度安排情況，位于西北角和西南角的1#樓和4#樓需要先完工售賣，而若西側整體采用板式支護結合斜拋撐的圍護型式，則部分斜拋撐需要撐在號樓底板上，把號樓分成2 個部分，無法滿足號樓先施工、完成的工期和工序要求。而2 個號樓位于西北角和西南角，選用板式支護結合水平角撐的圍護型式，既滿足了安全性的要求，也滿足了經濟性要求。而板式支護體系同樣選用鉆孔灌注樁經濟性更好。因此，基坑西側采用鉆孔灌注樁結合斜拋撐，在東北角和東南角采用鉆孔灌注樁結合水平角撐的復合圍護型式最為合理。典型圍護剖面圖與圖3類似。

3 結語

上海地區淺層土層以淤泥質軟弱土層為主，淺基坑基底一般位于軟弱土層中，基底以下存在較厚的軟弱下臥層，對基坑圍護極為不利，淺基坑的圍護選型應得到重視。基于基坑開挖面積越來越大，基坑內常常有多棟號房，業主出于銷售進度的安排，基坑內號房施工進度安排有先有后；基于基坑四周環境保護要求和施工交通組織需要，基坑四周的圍護型式也需盡可能的細化。本文基于價值工程分析，充分考慮基坑圍護選型必須遵循設計方案應科學性、合理性，滿足圍護體安全和環境保護要求，施工便捷等原則，對于同一基坑，可結合不同側面的環境要求，對于大面積基坑，可考慮不同區域號房的施工進度要求，分側面、分區域設計基坑圍護的型式，這樣既考慮了淺基坑圍護型式的適用條件，圍護體穩定性、變形和位移控制的要求，又充分考慮圍護設計方案的經濟性和施工便捷要求，結合工程實例具體說明了圍護選型的實施步驟和方法，為上海軟土地區淺基坑的圍護選型提供參考。