沿江超深超大基坑的工程設計與實踐

翁其平

華東建筑設計研究院有限公司上海地下空間與工程設計研究院 上海 200002

1 工程概況

武漢綠地中心項目位于武漢市武昌濱江商務區核心區域，西側緊鄰長江。項目設1棟主塔樓、1幢辦公樓和1幢公寓樓及相連的裙樓，地下整體設置5～6層地下室。主塔樓高約636 m（125層），采用核心筒＋巨型柱＋外伸臂桁架＋腰桁架結構，主樓下設置6層地下室；副樓包括公寓、辦公樓及裙房商業，其中公寓高度為136 m（31層），辦公樓高度為185 m（39層），均為框架-核心筒結構，裙房商業高度約40 m（7～8層），副樓地下設置5層地下室。

本工程基坑面積約為36 000 m2，周長約為815 m。基坑開挖深度27～34 m，是武漢乃至湖北省迄今為止最深的大規模沿江基坑工程。尤其是基坑西側緊鄰長江，場地內地下深厚的承壓含水層與長江水力聯系非常緊密，基坑工程面臨嚴峻的承壓水處理問題和汛期施工安全問題（圖1、圖2）。

本工程場地內淺層以雜填土和淤泥質粉質黏土為主，中部則以粉質黏土夾粉土層、細砂層及含礫中細砂為主，深層為砂質泥巖或細砂巖。淺層的②-2淤泥質粉質黏土層含水量高、孔隙率大、靈敏度高、壓縮性高，是基坑開挖深度范圍內的主要軟弱土層，對基坑變形控制極為不利。中部深厚的細砂層，含水量豐富且滲透系數較大，基坑工程將面臨極為嚴峻的承壓水處理問題。

圖1 基地環境總平面

圖2 基地實施實景

2 基坑支護總體設計方案

本工程主塔樓及辦公樓工期要求嚴苛，且二者設計進度存在一定差異，公寓樓工期則無特殊要求。為避免主塔樓與辦公樓在工期間相互制約，本工程采用“分區順作＋中間設緩沖區后作”的基坑總體施工方案（圖3），利用公寓區作為緩沖區，將基坑一分為三，即主塔樓區（Ⅰ區）、辦公樓及裙樓區（Ⅱ區）、公寓樓緩沖區（Ⅲ區）。首先進行Ⅰ區和Ⅱ區的順作法施工，待Ⅰ區和Ⅱ區的地下室結構施工完成后，再進行Ⅲ區的順作施工。該總體設計方案保證了主塔樓、辦公樓和公寓樓可根據自身工期安排獨立實施，為實現預期工期目標創造了良好的條件。

圖3 基坑實施方案示意

基坑周邊采用“兩墻合一”地下連續墻作為基坑圍護體，地下連續墻既作為基坑開挖階段的擋土止水圍護體，同時作為地下室結構外墻。基坑Ⅰ區采用厚度為1 200 mm地下連續墻，Ⅱ區和Ⅲ區地下連續墻厚度為1 000 mm，Ⅰ區和Ⅲ區之間的臨時隔斷亦采用厚度為1 000 mm地下連續墻，Ⅱ區和Ⅲ區之間的臨時隔斷則采用φ1 200 mm@1 400 mm鉆孔灌注樁。

基坑Ⅰ區豎向設置5道鋼筋混凝土支撐，支撐采用圓環支撐體系布置形式（圖4），Ⅱ區豎向設置4道鋼筋混凝土支撐，支撐采用雙半圓環支撐結合中部對撐的布置形式，Ⅲ區豎向設置4道鋼筋混凝土支撐，支撐采用對撐角撐的布置形式。

3 關鍵技術措施

本項目工期緊迫，且面臨嚴峻的承壓水處理和汛期施工安全問題。為保證本工程的安全順利實施，設計中采取了一系列技術措施[1-2]。

3.1 超深嵌巖地下連續墻的設計

為解決復雜的承壓水問題，本工程將地下連續墻設計嵌入至中風化基巖以隔斷承壓水，并利用墻底注漿對墻底進行加固，再對基巖裂隙進行封堵，有效地解決了承壓水從墻底繞流的難題。

圖4 塔樓區基坑支護結構剖面示意

根據勘察報告揭示的巖層情況，本工程深部基巖埋深起伏較大，因此從經濟性角度考慮，設計人員又提出了“一槽一勘”的思路，即在每幅地下連續墻槽段位置補勘一孔，以準確地確定單幅槽所處位置的基巖分布情況，亦在設計過程中對每幅槽作針對性的墻底埋深設計，此舉可節省地下連續墻造價達數百萬元，相比“一槽一勘”所增加的幾十萬元投資，其經濟效益顯著，同時減小了施工難度，加快了施工工期，提高了施工質量。

3.2 超深嵌巖地下連續墻施工

本工程地下連續墻超深，需穿越的地層主要有中部密實的細砂層，深部堅硬的強、中風化基巖。其中基巖類型繁多、巖層分布不均勻給成槽工藝的選取帶來了巨大難度。因此，如何在確保地下連續墻成槽質量的同時兼顧經濟性，是本工程地下連續墻成槽工藝選型時所要考慮的重點和難點。

就基巖條件看，本工程主樓區基巖類型主要為細砂巖，其中中風化細砂巖的單軸飽和抗壓強度達17 MPa；裙樓區域的基巖類型主要為砂質泥巖，其中中風化砂質泥巖的單軸飽和抗壓強度約8 MPa。

結合巖土層地質情況，本工程主樓硬質砂巖區的地下連續墻采用成槽質量高、工效快的抓銑結合成槽工藝；裙樓軟巖區的地下連續墻則采用經濟性和高效性優勢并存的抓沖結合成槽工藝，從而在保證地下連續墻質量的同時大幅提高施工工效。

3.3 圓環支撐、棧橋體系設計

基于本工程塔樓Ⅰ區（圖5）和裙樓Ⅱ區（圖6）基坑形狀較為規則的特點，并結合主體豎向結構布置情況，為充分發揮混凝土材料優越的受壓特性，支撐體系考慮采用圓環布置形式。其中塔樓區域的圓環支撐布置形式可完全避開塔樓核心筒及外圍巨型柱，裙樓區域的雙半圓環支撐亦可避開辦公樓的框架柱及剪力墻，因此可實現在基礎底板完成施工后，直接由下往上順作施工塔樓地下結構及辦公樓的豎向構件的目標，其施工進度不會受到拆撐換撐工況的限制，大大縮短了塔樓和辦公樓結構的工程工期。

圖5 塔樓Ⅰ區支撐、棧橋實景

圖6 裙樓Ⅱ區支撐、棧橋實景

與此同時，由于圓環支撐體系的無支撐面積超過基坑面積的60%，為挖運土的機械化施工提供了良好的多點作業條件，同時也為工程提供了下坑施工的便利。因此，本工程沿圓環支撐環邊桿件的基坑內部設置了旋轉棧橋，使挖土及土方運輸機械可直接下至基坑內部進行挖土作業，利用斜坡道將土方直接從開挖面運至地面，向斜坡通道進行收頭，減少了坑內土方駁運程序，大大加快了出土速度。裙樓先作區域的中部對撐區兼作施工棧橋，挖土機和運土車輛直接在施工棧橋上挖運土方，部分土方可以采用長臂挖機在棧橋上直接挖除，亦大大方便了施工[3-4]。

4 基坑實施效果

4.1 降隔水實施效果

以主塔樓基坑為例，從基坑實施期間坑內外水位觀測井的水位觀測情況看，主塔樓區坑內外承壓水降深比例均高達10∶1，可見地下連續墻嵌入中風化基巖后隔水效果顯著。

武漢地區以往基坑工程降水設計時通常采用大井法估算基坑涌水量，并據此估算所需降水井數量，該方法沒有考慮止水帷幕的作用，往往會導致降水井布置數量眾多，但在基坑實施期間開啟的降水井卻寥寥無幾。本工程提出了在考慮隔水帷幕作用的基礎上，基坑涌水量可按敞開降水時（即大井法）計算所得的涌水量的40%計算，降水井數量得到了大幅優化。

4.2 基坑變形

從基坑各工況下塔樓區和裙樓區地下連續墻測斜與坑外地表沉降曲線（圖7）可以看出，圍護結構變形和地表沉降主要發生于基坑開挖階段，基礎底板施工完成后基坑變形基本趨于穩定，地下室結構回筑階段圍護結構變形很小。圍護結構最大變形鄰近基底以上位置。本工程基坑實施期間，地下連續墻變形約75 mm，與設計計算變形大致相當，坑外地表沉降最大值發生于坑外0.5倍開挖深度的位置，且最大地表沉降量與圍護結構最大變形相當。

圖7 塔樓區地下連續墻測斜與坑外地表沉降曲線

5 結語

武漢綠地中心項目屬于大規模超深臨江基坑工程，面臨嚴峻的承壓水處理和汛期施工安全問題。本工程創新性地采用“分區順作＋中間設緩沖區后作”的方案，實現了塔樓和辦公樓區基坑同步開挖，在保證基坑施工安全的基礎上，響應了業主對塔樓和辦公樓工程工期要求較為緊迫的需求。

超深嵌巖地下連續墻的設計實踐，確保了超深沿江基坑在汛期施工的安全問題。針對場地深部基巖埋深起伏較大的特點，設計人員建議并提出了主樓硬質砂巖區的地下連續墻采用成槽質量高、工效快的抓銑結合成槽工藝，裙樓軟巖區的地下連續墻采用經濟性和高效性優勢并存的抓沖結合成槽工藝，通過這2種工藝在武漢地區的大膽嘗試，為在巖土層較為復雜的地層中施工地下連續墻提供了新選擇。

本工程中圓環支撐體系和旋轉下坑棧橋的成功應用，為塔樓和辦公樓的工程工期提供了可靠保證，為挖運土作業提供了極大便利。本工程為武漢乃至湖北省首例應用旋轉棧橋下坑挖土的深基坑工程。

為確保工程安全，建設方對基坑施工全過程進行了監測，監測結果表明，超深嵌巖地下連續墻的設計有效地控制了基坑外側地下水位的變化，減小了基坑施工對周邊環境的影響，使基坑開挖引起的變形均在控制范圍內。