超大面積深基坑工程設計與施工優化

上海外高橋保稅區開發股份有限公司 上海 200137

1 建筑概況

某商場位于上海市浦東新區，總用地面積28 150 m2，總建筑面積83 546.8 m2；建筑高度為23.95 m，其中地上4層，建筑面積36 747.8 m2；地下2層，建筑面積46 799 m2。本工程基礎形式為樁筏基礎。工程樁采用PHC400管樁，樁長24 m。基坑面積約為22 700 m2，基坑總延長為630 m。本工程±0.00 m相當于絕對高程+5.50 m，自然地面設計相對標高約-1.80 m，北側底板面標高-9.80 m，底板厚700 mm；承臺厚1 000 mm；混凝土墊層厚150 mm；基坑開挖深度為9.15 m。南側底板面標高為-10.80 m，基坑開挖深度為9.85 m。基坑安全等級為二級，環境保護等級為三級[1,2]。

2 環境概況

基地北側為規劃中的緯二路，現為苗圃，該范圍為規劃中的D1-4商辦綜合地塊，該側基坑距離紅線最近距離為4.4 m。基地東側為規劃中的河道，現為苗圃，該范圍為規劃中的D5-3濱湖商業金融地塊，該側基坑距離紅線最近距離為5.5 m。基坑南側為橄欖球俱樂部，今后將在兩地塊之間修建椿樹浦河，球場距離基坑邊線最近處為46.3 m。基坑西側為張楊北路及運行中的軌道交通6號線洲海路站，該側距離紅線最近距離為95 m，距離基坑邊線100 m，在該側的2座高壓電線站將搬遷至張楊北路邊，距離約為74 m。西側張楊北路有4根管線，最近的天然氣管距離基坑邊線為82.5 m。

目前該地塊為苗圃，基坑內部及周邊有部分架空線，在正式施工前將對內部架空線進行搬遷，使之處于基坑影響范圍之外。場地總體環境如圖1所示。

圖1 基地周邊環境示意

3 工程地質條件

勘察場地屬長江三角洲入海口東南前緣濱海平原地貌類型，地形平坦。場地地面絕對高程在3.4～3.9 m，平均場地絕對高程為3.7 m。場地表層分布的①1層素填土及①2層浜填土，結構松散，工程力學性質較差，不能作為各類擬建物的基礎持力層。本工程涉及的土層從上至下分別為：①1層素填土、①2層浜填土、②層褐黃-灰黃色粉質黏土、③1層灰色淤泥質粉質黏土、③2層灰色黏質粉土、③3層灰色淤泥質粉質黏土夾粉土、④層灰色淤泥質黏土、⑤層灰色黏土。

4 深基坑支護設計

4.1 基坑特點

1）本工程基坑面積約為22 700 m2，開挖深度約為9.85 m，屬超大深基坑工程。

2）場地內分布有浜填土及③2層灰色砂質粉土，浜填土需進行清淤回填處理以保證成樁可靠性。③2層灰色砂質粉土層的砂性較重，滲透性較大，在開挖過程中易造成流砂等事故。

3）基坑四周的苗圃等均需搬遷，場地內部的架空線將搬遷至基坑影響范圍之外并入地。基坑西側的軌道交通6號線距離基坑100 m，張楊北路上的天然氣管道距離基坑83.6 m，場地南側的球場距離基坑約47.5 m。基坑周邊需保護的對象與基坑的距離均在3倍基坑開挖深度以上，故基坑周邊環境保護要求較低[3-5]。

4.2 圍護結構

4.2.1 鉆孔灌注樁

1）基坑普遍側。基坑普遍側圍護結構采用φ800 mm@1 000 mm鉆孔灌注樁加φ850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁止水帷幕。鉆孔灌注樁有效長度18.55 m，插入基底以下11.2 m。

2）在基坑普遍側鄰近集水井處的圍護結構采用φ850 mm@1 050 mm鉆孔灌注樁加φ850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁止水帷幕。鉆孔灌注樁有效長度21.05 m，插入基底以下12.5 m。

3）基坑南側底板落深處圍護結構采用φ850 mm@1 050 mm鉆孔灌注樁加φ850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁止水帷幕。鉆孔灌注樁有效長度20.05 m，插入基底以下12 m。

4）基坑南側底板落深處鄰近集水井側圍護結構采用φ950 mm@1 150 mm鉆孔灌注樁加φ850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁止水帷幕。鉆孔灌注樁有效長度23.55 m，插入基底以下14 m。

4.2.2 止水帷幕

本方案中鉆孔灌注樁外側采用φ850 mm@600 mm的單排三軸水泥土攪拌樁作為止水帷幕，水泥土攪拌樁有效長度為16.15 m，樁底進入④層淤泥質黏土層2 m進行控制，在南側底板落深處止水帷幕加長1 m。三軸攪拌樁止水帷幕水泥摻量為20%，鄰近暗浜處水泥摻量增加至24%。止水帷幕內側與灌注樁外邊線相距200 mm。止水帷幕用三軸水泥土攪拌樁采用套接一孔法施工，單孔φ850 mm，孔間搭接250 mm，相鄰的三軸水泥土攪拌樁相互套打一個孔，以保證搭接長度，滿足止水要求[6,7]。基坑剖面如圖2所示。

4.2.3 地基處理

坑內局部存在的暗浜處應進行清淤回填，同時攪拌樁應增加水泥土攪拌樁摻量至24%。底板深坑超過1.5 m處進行地基土加固，采用φ700 mm@500 mm雙軸攪拌樁，水泥摻量13%，坑底進行壓密注漿封底加固。

圖2 基坑剖面示意

4.3 支撐系統

4.3.1 支撐體系

基坑豎向設置2道水平支撐系統，圍護樁頂部設置壓頂圈梁兼作第1道支撐的圍檁，支撐平面布置見圖3。

圖3 第1道支撐布置示意

4.3.2 立柱和立柱樁

土方開挖期間需要設置豎向構件來承受水平支撐的豎向力，本工程中采用臨時鋼立柱及柱下鉆孔灌注樁作為水平支撐系統的豎向支承構件。臨時鋼立柱非棧橋下采用4根140 mm×14 mm角鋼，棧橋下采用4根160 mm×16 mm角鋼，鋼立柱截面均為460 mm×460 mm，型鋼材質為Q235B，鋼立柱插入作為立柱樁的鉆孔灌注樁中不少于3 m。由于結構工程樁均為預制樁，故本工程立柱樁均采用新增鉆孔灌注樁，立柱樁將結合主體工程設計樁位。鋼格構立柱在穿越底板的范圍內需設置止水片。

4.4 基坑工程挖土與地下室施工順序

1）場地平整，施工PHC工程樁，再進行圍護體、鉆孔灌注樁、鋼立柱樁及坑內加固的施工。

2）基坑內土方開挖至第1道支撐系統底標高，澆筑第 1道混凝土圍檁和混凝土內支撐。

3）第1道支撐全部形成并達到設計強度后，基坑內土方向下分區、分塊、分層開挖至第2道圍檁底標高，施工第2道支撐系統。

4）第2道支撐全部形成后，向下分區、分塊、分層開挖至基底，澆筑墊層、基礎底板及周邊換撐板帶。

5）待底板達到設計強度后，拆除第2道支撐。

6）向上施工至地下1層樓板結構，設置周邊換撐板帶。

7）待地下1層樓板結構達到設計強度后，拆除第1道支撐。

8）施工地下室頂板。

4.5 高壓鐵塔保護

本項目西側存在2座110 kV高壓鐵塔（距離基坑分別為17.5 m和66.3 m），鐵塔高度24.5 m，采用鋼結構，基礎為素混凝土淺基礎，埋深約2 m。原計劃2座鐵塔在基坑開挖前進行搬遷并入地。但由于鐵塔搬遷進度滯后，在基坑土方開挖至坑底前，2座鐵塔依舊存在，其中一座鐵塔距離基坑較近，處于基坑影響范圍內，需對鐵塔采取保護措施。經過對比分析，本工程采用隔離樁對高壓鐵塔進行保護，并輔以預埋跟蹤注漿管的形式（圖4）。隔離樁和高壓鐵塔之間范圍內禁止重型機械設備行走，并不得堆放大量材料，控制地面超載。

1）在距離基坑較近的鐵塔處，設置一排φ600 mm鉆孔灌注樁隔離樁，樁長20 m，間距1 500 mm。布置范圍為鐵塔兩側各9 m，共布置15根。

2）在鉆孔樁間隙間采用2根φ800 mm高壓旋噴樁進行填充，樁長15.5 m，樁間搭接300 mm。

3）在鐵塔周圍預埋跟蹤注漿管，間距1 500 mm，第1排鋼管斜向設置，注漿管深度5.3 m。當鐵塔變形超過報警值后，對變形處進行跟蹤注漿。

圖4 高壓鐵塔保護示意

5 土方開挖

5.1 基坑開挖方案

本工程基坑面積約22 700 m2，基坑開挖深度北側為9.15 m，南側為9.85 m，總挖土方量約20.7萬 m3。

1）第1層土方開挖：本層土方開挖從-1.80 m到第1道支撐底-2.60 m，挖土深度為0.80 m，土方量約為18 664 m3。此時土的側壓力較小，考慮到施工進度的要求，當地下水位降至-3.70 m以下進行土方開挖。挖土采用3臺1.6 m3液壓反鏟式挖掘機由東向西挖土，挖土后直接裝上運土自卸車，挖出的土方全部外運。待挖出一定工作面后施工第1道支撐鋼筋混凝土。

2）第2層土方開挖：采用分層、分塊開挖方式。本層土方開挖從第1道支撐底-2.60 m到第2道支撐底-8.05 m，挖土深度為5.45 m，土方量約為127 148 m3。由于土方挖除后土體的應力釋放危及圍護墻，為減慢土體應力的釋放速度，提高圍護結構的安全使用，本層土方開挖時分2層，每層土體厚度控制在2.8 m左右，開挖時形成踏步式階梯并成一字型后退。本層開挖主要是采用1.6 m3液壓反鏟式挖掘機挖土。把挖出的土方翻傳到停在基坑棧橋上的長臂挖機挖土回轉半徑內，由該挖機裝車。第2層土方開挖必須待第1道支撐強度達到設計強度100%方可進行，同時地下水位必須降至-9.00 m以下。重復上述步驟，直至土方全部挖完。

3）第3層土方開挖：第3層土方開挖從第2道支撐底-8.05 m到基坑底-10.65 m，挖土深度為2.60 m，土方量約為60 658 m3。本層開挖主要是采用EX-100液壓挖土機挖土。把挖出的土方翻傳到停在基坑棧橋上的長臂挖機挖土回轉半徑內，由該挖機裝車。以后重復上述步驟，直至土方全部挖完。收底完成后及時進行混凝土墊層的澆筑工作。

5.2 土方開挖要點

1）土方開挖的順序、方法必須與設計工況一致。施工順序應遵循先撐后挖的原則，土方開挖要求采用盆式挖土。土方開挖、支撐施工應嚴格實行“分層分段、留土護壁、限時開挖支撐”，將基坑開挖造成的周圍設施的變形控制在允許的范圍內。

2）為縮短基坑周邊圍護體的無支撐暴露時間，應結合支撐體系的布置，在各分區每層土方開挖過程中，首先盆式開挖基坑中部土方、然后在基坑周邊分塊對稱挖土、架撐。

3）土方開挖應在降水及坑內加固達到要求后進行。挖土操作分層分段的分層厚度不大于3 m，嚴禁超設計標高開挖。坑底應保留厚0.3 m基土，采用人工挖除整平，并防止坑底土擾動。混凝土墊層應隨挖隨澆筑，即墊層必須在見底后24 h內完成澆筑。待混凝土達到一定強度后再進行樁頭鑿除和鋼筋綁扎工作，以減少基坑暴露時間和墻體變位。

4）挖土、運土機械嚴禁直接壓過支撐桿件，必須跨越支撐時應覆土300 mm并用走道板架空。嚴禁機械碰撞圍護墻、工程樁、支撐、立柱和井點。挖土時宜先掏空立柱四周，避免立柱承受不均勻的側向土壓力。

5）土方開挖過程中，應盡量縮短基坑無支撐暴露時間。土體無支撐暴露時間不超過48 h。

6）開挖過程中發現圍護體接縫處滲水應及時采取封堵措施。

7）基坑邊嚴禁大量堆載，地面超載應控制在20 kN/m2以內，并嚴格控制不均勻堆載。機械進出口通道應鋪設路基箱擴散壓力，或局部加固地基。

8）土方開挖和外運過程中，應做好地下管線、道路及測點的保護措施。

9）基坑開挖應盡量減少基坑無支撐的暴露時間，嚴格控制基坑變形。每皮土根據支撐布置情況劃分為若干塊，每2～3根支撐的工作面形成后，應及時施工混凝土支撐，從該支撐涉及到的土方開挖到形成支撐，總時間應控制在16 h內。

10）實施信息化管理，在圍護樁及基坑開挖過程中，對圍護結構及周圍環境進行監護，嚴密監測圍護結構和土體變形，了解圍護結構和周圍環境的變形和受力情況，以信息化指導施工。特別要注意觀測圍護樁的變形，防止由于圍護樁變形過大而發生滲漏現象。根據監測信息，及時調整施工方案。一旦發生險情，立即啟動應急預案。

11）加強對降水設施、工程監測點、內支撐和支撐立柱的保護。

6 基坑監測

6.1 周邊環境監測

1）周圍管線安全影響監測：根椐相關規范要求，監測范圍宜達到基坑邊線以外2倍以上，管線最近處距基坑77.6 m，在3倍基坑深度之外，不需布點監測。布設影響范圍內的高壓線電桿及高壓鐵塔等監測點19個。

2）周邊建筑物沉降監測：3倍基坑深度之內無建筑設施，不需布點監測。

3）基坑內外地下水位觀測：坑外共布設監測孔12個，坑內共布設監測孔7個。

4）周邊地面沉降監測：在基坑南側、北側、東側、西側先密后疏各布設一排地面沉降監測點，每排最遠監測點距基坑邊距離不小于30 m，每排布5個點，累計20個測點。軌交站附近布設5個點。

6.2 圍護本體監測

1）圍護墻體墻頂沉降位移監測：在圍護圈梁上直接布設沉降及水平位移監測點，布點間距為15 m。共布設監測點32個。

2）圍護墻側向及土體側向位移（測斜）監測：在圍護墻（樁）體內預埋20個墻體位移測斜孔，孔深與圍護樁的深度一致，在16～25 m之間。在基坑周邊布設土體測斜孔4個，孔深比圍護樁的深度深5～10 m，在21～30 m之間。

3）基坑支撐軸力及兩端沉降觀測：每道支撐基坑標準段共布設14組軸力監測點，每組4個，共埋設應力傳感器112個。在支撐兩端布設25個沉降觀測點。

6.3 監測頻率

整個監測工作視施工工況及監測對象變化情況，將采取定時與跟蹤相結合的辦法進行。本次監測工程周期約為12個月。在施工過程中，如遇變形量超警戒值、施工過程中遇特殊情況或應業主、監理等相關部門要求時，增加監測頻率以滿足工程要求。

7 施工中出現的問題及處理方法

基坑西側110 kV高壓鐵塔未能按原計劃入地，采用鉆孔樁+旋噴樁措施進行隔離保護。高壓旋噴樁于2012年2月14日開始施工，2月15日鐵塔發生上抬變形，當天變化速率最大為2.59 mm/d，累計最大變形達到10.19 mm，已達到高壓鐵塔報警值。經建設、圍護設計、監理、總包四方現場會議研究，2月16日施工單位停止施工，當天鐵塔變形速率較小。后續施工采取如下措施[8,9]：

1）施工暫停，觀察鐵塔的變形趨勢，根據17日下午上報的監測數據已基本穩定的情況，決定繼續施工。

2）后期旋噴樁施工間距由原先的1.5 m調整至3 m，相鄰樁應在成樁48 h后方可施工。

3）旋噴樁頂部1 m范圍內不需噴漿，以減少漿液上泛壓力對土體的影響。最后澆筑的鉆孔樁旁旋噴樁應待鉆孔樁達到設計強度80%后施工。

4）旋噴樁施工以監測數據為依據進行控制，提升速率維持在25 cm/min，注漿壓力不大于20 MPa，并及時根據監測數據調整施工參數，監測數據較大時應停止施工。

5）旋噴樁施工期間每日進行3次監測，并及時上報各方，當變形速率較大或達到報警值時應通知施工方停止施工。

后續按照上述原則放緩施工速率，最終圓滿完成了鐵塔保護施工，鐵塔后續變形控制較為理想。