軟土地區超深超大基坑施工風險控制技術

孔德志

上海建工四建集團有限公司 上海 201103

在軟土地區超深超大基坑的施工中，會面臨各類風險，歸納起來主要有2類：一類是基坑本體的風險，如發生支護體系失穩破壞、地下連續墻滲漏、坑底突涌等；另一類是對周圍環境的影響風險，主要由基坑開挖、降承壓水引起的坑外土體變形所致，并最終導致坑外的建（構）筑物、地鐵、管線等發生不均勻沉降，影響其使用甚至可能引發安全事故。針對超深大基坑存在的施工風險，有不少文獻結合各自工程的特點作了不同角度的探討[1-4]。

本文以上海國際金融中心項目為背景工程，結合自身的特點、難點，對軟土地區超深超大基坑的施工風險控制技術進行了研究和總結，希望對已有的研究成果提供有益的補充。

1 背景工程概況

1.1 基坑工程概況

上海國際金融中心項目位于上海浦東新區竹園商貿地塊，為3家金融機構（上證所：32層、高220 m；中金所：30層、高200 m；中國結算：22層、高143 m）的辦公樓，地面以下設置5層連通地下室。

本項目基坑占地面積48 860 m2，周長950 m，平面上分為塔樓順作區、純地下室逆作區及金融劇院區（圖1）。其中塔樓順作區與純地下室逆作區之間設置了厚1 m的臨時分隔墻，金融劇院區屬于逆作區域，與純地下室區連通，但采用順作工藝施工。上證所、中金所、中國結算區域基坑普遍挖深分別為27.90、27.90、27.10 m，局部深坑最大挖深32.60 m；純地下室區域普遍挖深26.50 m。

圖1 上海國際金融中心基坑示意

1.2 工程地質條件

本工程場地屬正常地層分布區，淺部土層分布較穩定，中下部土層除⑦2層的層面埋深局部稍有起伏外，一般分布較穩定。在135.30 m深度范圍內地基土主要由黏性土、粉性土及砂土組成，一般具有成層分布特點。根據地基土的特征、成因、年代及物理力學性質可劃分為9個主要層次（上海市統編地層第⑧層及第⑩層黏性土層缺失），其中，第③層上部與第②層之間分布有第③夾層黏質粉土，第⑦、⑨層再細分為若干亞層或次亞層。

1.3 支護方案

本工程基坑采用深53 m等厚度水泥土攪拌墻（TRD工法）＋深46 m、厚1.2 m地下連續墻作為基坑開挖階段的擋土隔水圍護體。地下連續墻按“兩墻合一”進行設計，地下連續墻兼作圍護體與地下室結構外墻。基坑順逆作區交界處采用厚1 m臨時隔斷地下連續墻，深度45 m。

上證所、中金所塔樓區和金融劇院區采用5道鋼筋混凝土圓環支撐體系，中國結算采用5道鋼筋混凝土對撐體系。

2 工程特點、難點分析及方案選型

1）工程體量大、建設周期長、工期緊。上海國際金融中心項目建筑面積516 800 m2，基坑面積48 860 m2，項目從挖土施工到工程竣工，合同總工期1 388 d。為了突出以塔樓為結構工期控制的關鍵線路，經過不同方案的比較，最終確定了“分坑順逆結合，前階段整體逆作，后階段塔樓先順作、純地下室后逆作”的總體施工方案。相比較全順作施工，該方案可以實現在逆作區地下室基礎底板完成的同時，塔樓區上部結構封頂，總工期節省半年以上；同時采用“順逆結合”的施工方案，還解決了施工堆場和道路交通的問題，極大地方便了施工。

2）基坑超大、超深，工況復雜，圍護變形控制難。本工程基坑不僅超大，而且超深，總挖土方量1 500 000 m3；加上順逆結合，上下同步交叉施工的復雜工況，使得基坑在土方開挖階段，圍護變形的風險很大。為了控制好圍護變形，在方案策劃階段，順逆結合的工況搭接關系顯得尤為重要。經過計算分析比較，最終確定了如下具體工況設計：

① 第1階段，純地下室逆作區及塔樓順作區第1、2層土方開挖，逆作區首層板（B0板）、B1板及順作區第1、2道支撐施工。該階段為大開挖、明挖，盡可能多出土，提高出土效率。

② 第2階段，塔樓順作區第3層土方開挖至底板施工完成，地下室結構再回筑至B1板；純地下室逆作區域處于暫停施工狀態。該階段盡可能減小分坑間的剛度差，使得整坑剛度分布均勻，防止局部分坑變形過大。

③ 第3階段，純地下室區域及金融劇院區進行第3層以下土方開挖及地下結構施工；同時，順作區地下室結構回筑至±0.00 m，上部結構繼續向上沖高施工。該階段實現了上下同步施工，縮短了總工期。

3）承壓含水層無法隔斷、降水周期長，風險大。本工程承壓水風險很大，表現在以下幾個方面：第⑧層隔水層缺失，第⑦、⑨層承壓含水層連通，復合承壓含水層達100 m以上，外圍護體無法隔斷承壓含水層；分坑之間中隔墻未隔斷承壓水，因此順逆作區分坑之間承壓含水層連通，單坑降承壓水會對相鄰分坑產生影響，降水方案需要整坑考慮；降水周期非常長，達2 a之久。由于采用了順逆結合的施工方案，在加快塔樓施工進度的同時，實際上也延長了地下室施工周期，降水周期越長，對周圍環境影響越大；由于基坑超深，底板施工時已經挖穿了第⑦層承壓含水層，增加了開挖面位置的壓力水頭，降水難度和風險加大，對井管數量和井點布置提出了很高要求。

3 基坑風險控制技術

針對本工程基坑超大、超深的特點和順逆結合交叉施工的特殊工況，重點從圍護變形和承壓水兩方面對基坑風險控制技術進行了總結。

3.1 順逆結合工況下的基坑變形風險控制技術

3.1.1 中隔墻落低＋逆作區首層盆式挖土技術

前文介紹過，基礎施工的第1階段采用了整體逆作的方式，即順逆作區同步向下開挖土方，然后同步施工順作區支撐和逆作區樓板。為了方便開挖和節省1層中隔墻的鋼筋混凝土材料用量，同時也減少回筑期中隔墻的拆除工作量，采用了中隔墻落低1層的做法；另外為了使得明挖土方量盡可能多，減小下皮土暗挖方量，逆作區首層采用了兩級放坡盆式大開挖的方法，放坡坡度1∶1.5，最大挖深6 m。為了減小外地下連續墻懸臂長度，控制地下連續墻變形，靠近地下連續墻側設置邊坡留土，寬16.5 m，留土位置挖深2 m。

3.1.2 三圓環撐＋對撐組合支撐體系下的挖土技術

本工程基坑周圍環境相對寬松，除了中國結算角部坑外因為雨水泵房的原因，保護等級為一級，其余部分保護等級為二級。為了實現大開挖和避讓塔樓，采用了三圓環撐體系，相對于對撐體系來說，環撐的剛度相對較弱，形成支撐作用的時間較晚，拆除支撐時變形釋放最快。中國結算區域因為坑外環境保護要求較高，采用了對撐體系（圖2、圖3）。對于環撐體系，采用了島式挖土，即先挖周邊土，盡快形成環撐，留中間土最后挖。對于對撐體系，采用了盆式挖土，先盡快形成2個方向的十字對撐，然后形成角撐，最后完成剩余支撐部分。

圖2 塔樓順作區第2～5皮土挖土分塊示意

圖3 逆作區先期同步形成板帶對撐體系

基坑開挖第2階段，逆作區暫停，3個塔樓區域挖土要求同步平衡對稱開挖，盡可能控制標高在同一水平面上，相差不超過1皮土，防止分坑區域之間高差過大，導致分隔墻變形較大，進而導致逆作區之間的壓土失穩。

基坑第3階段施工，逆作區挖土也應遵循同步平衡對稱開挖，同時確保先完成2條東西向板帶，使其形成“對撐體系”，有效控制外地下連續墻變形。

3.1.3 外地下連續墻大跨度暴露位置的變形控制技術

由于建筑功能的需要或環境保護要求高等原因，有些外地下連續墻存在大跨度暴露的地方需要進行處理，防止地下連續墻變形過大。采用的方法有2種：

1）增加地下連續墻剛度。由于劇場的需要，不能設置結構樓板，因此在金融劇院區域地下室外墻僅存在首層結構樓板和地下3層的2個支撐點，地下室外墻的跨度達到15 m。為提高地下連續墻整體剛度，增加后方土體對地下連續墻的約束力，在該區域連續長51 m的弧線范圍內設計了連續17幅“T”形槽段（圖4、圖5），“T”形槽段翼緣部分深46 m，“T”形頭肋板部分深30 m，且為了滿足此區域局部樓板缺失后的結構受力要求，在每幅“T”形槽段內部設置總質量約10 t的2根暗柱，疊合在地下連續墻內共同抵抗墻外水土壓力。在逆作區施工至底板時，“T”形槽段加固區外地下連續墻最大水平位移，大約相當于非“T”形槽段加固區外地下連續墻最大水平位移的一半，可見“T”形槽段整體剛度要比一字形地下連續墻大得多，對地下連續墻變形的控制效果非常明顯。

圖4 被動區土體加固及T形槽段區平面布置示意

圖5 “T”形槽段

2）增加臨時支撐。在中金所地下室設備機房落深區部位，B4板頂面距離大底板開挖面高達8 m，為了防止高凈空下外地下連續墻變形過大，在B4板與底板中間設置了K撐，K撐節點與B4板部分梁柱節點相交，借此將外地下連續墻的部分水土壓力傳遞給B4板，這種做法類似于順作法中通過斜拋撐把外力傳遞給大底板（圖6）。

圖6 逆作區高凈空斷面上設置K撐

3.2 懸掛式止水帷幕條件下的長周期降水技術

3.2.1 懸掛式止水帷幕的設置與降水效果

本工程復合承壓含水層厚度在100 m以上，常規的外圍護無法隔斷承壓含水層。結合經濟性和安全性兩方面考慮，最終采用了深53 m等厚度水泥土攪拌墻（TRD工法）＋深46 m、厚1.2 m地下連續墻作為基坑開挖階段的擋土隔水圍護體（圖7）。TRD水泥土攪拌墻作為止水帷幕，用來增加坑內外繞流路徑，同時減少了地下連續墻長度，也節省了成本。坑內普遍區域井深45 m，低于TRD止水帷幕8 m。

圖7 典型剖面示意

對坑內外水位進行了長期觀測（圖8～圖10），當年8月份底開始施工順作區第4道支撐，此時承壓水水頭壓力與上覆土層質量達到極限平衡狀態，繼續往下挖土施工需要開啟降壓井進行抽水施工，在此之前的水位波動主要由抽水試驗造成。到10月底開始進行順作區大底板挖土施工。從圖中可以看出，隨著挖土深度的增加，降壓井的開啟數量和相應的坑內外水位降深也在不斷地增加，但坑外的水位下降速率要比坑內的緩慢，坑內外的降深比在施工至底板時基本穩定在2.5左右，滿足設計要求，證明采用這種懸掛式止水帷幕的方法對于減小對坑外水位的影響是可行的。

3.2.2 順逆作區交叉遞進式降水技術

本工程外圍護未隔斷承壓含水層，而坑內深45 m中隔墻同樣也沒有隔斷順逆作區之間的承壓含水層。因此，順逆作區單個分坑降水會對相鄰分坑產生影響，彼此存在水力聯系。因此，結合前文中所講的“順逆結合，同步交叉施工”的工況，通過計算分析與現場水位實測，對承壓水也采用了順逆作區交叉遞進的降水方法（圖11）。

圖8 上證所坑內外水位變化曲線

圖9 中金所坑內外水位變化曲線

圖10 中結算坑內外水位變化曲線

圖11 順逆作區降水井運行工況

在基坑開挖的第1、2階段，僅僅開啟順作區部分井點即可滿足整個基坑的施工作業；第3階段進行逆作區第5皮土方開挖時，順作區塔樓核心筒施工至地上4框至5框，順作區結構自重荷載＋樁基抗拔力已經平衡了絕大部分底板下的水壓力。此時，切換順逆作區的井點運行狀態，開啟逆作區部分井點，同時關閉順作區所有井點，由于順逆作區的水力聯系，改為純逆作區降水可以滿足整個基坑的施工作業。這樣一種交叉遞進式降水方法是以開啟最少的井點來滿足整個基坑內的施工作業需求，是一種高效、低環境影響的降水方法。

3.2.3 坑中坑階梯降水技術

針對深坑及普遍底板區域不同的挖土深度，分別在局部深坑區域設置深48 m降壓井，在普遍樓板區域設置深45 m降壓井，同時對坑中坑實施階梯狀降水（圖12），這樣既滿足了不同深度土方開挖對水位的控制要求，實現了按需降水，同時又不超降，將對周圍環境的不利影響降到最低。圖中數據為相對標高，地面標高－1.35 m。

圖12 坑中坑階梯式降水

3.3 承壓水風險控制技術

3.3.1 遠程智能監控技術

為了實現遠程智能監控承壓水，降低減壓降水的運營風險，本工程采用了降水單位自主研發的“深基坑減壓降水運行風險控制系統（ICDR）”。該系統由4個子系統組成，分別是無線遠程數字化水位監控系統、工程降水智能預警系統、備用電源智能應急系統和水位-減壓井智能控制系統。這套系統能夠自動監測井點水位，并基于GPRS網絡實現數據遠程實時傳輸。水位異常時會報警，能夠將水位自動控制在安全線范圍內；斷電時會報警，能夠實現主供電線路與備用供電線路智能切換，實現斷電時延時啟動降壓井。

3.3.2 承壓水存儲回灌技術

考慮到本工程周邊環境復雜，在雨水泵房和楊高南路立交一側布置了20口回灌井（圖13），平均間距20 m布置1口回灌井，井深51 m，濾頭底部距離TRD水泥土攪拌墻底約3 m。

圖13 回灌井平面布置

結合周邊環境變形控制的要求，在坑內減壓降水引發楊高南路和雨水泵房側坑外水位降幅過大時啟動坑外回灌，回灌用水采用現場蓄水箱中存放的地下水。根據前期水文地質勘察單井回灌試驗的成果，在不考慮加壓的作用下，回灌井平均回灌量約為3.0 m3/h。現場實際坑外水位降幅約5.5 m，未啟動回灌井，僅作為應急措施。

3.3.3 中隔墻位置防滲漏技術

分坑中隔墻位置往往容易發生滲漏，為此在臨時分隔墻兩側設置寬1 200 mm后澆帶，在后澆帶處底板中設置止水鋼板。考慮到水平傳力以及防水效果，在后澆帶下方設置寬2 200 mm、高800 mm的鋼筋混凝土傳力帶（圖14），既保證順逆作區底板在后澆帶封閉前的水平有效傳力，又保證后期鑿除分隔墻時防止此處滲水。

圖14 底板傳力帶節點

除了在節點設計上考慮防滲漏，還必須考慮在后澆帶位置附近留設一定數量的降壓井作為應急措施，待后期中隔墻鑿除、后澆帶封閉后方能解除滲水風險。同樣，回筑期封井也需以中隔墻為關鍵線路，從遠離中隔墻的位置開始封井，按照由遠及近的原則，最后封閉中隔墻附近的降壓井。

3.3.4 圍護滲漏風險控制技術

超深基坑的圍護滲漏風險要比淺基坑大得多，而同樣的深基坑在承壓含水層未隔斷的條件下施工，滲漏風險更大。如在清理中國結算順作區基礎底板時，我們發現臨時分隔墻與外地下連續墻交界區域附近的底板上堆積有20～30 m3黃色粉質黏土，進一步檢查發現“T”形外地下連續墻（C5-3）在底板面以上40 cm位置存在3～4 cm空洞，有渾濁水流從中流出。

現場立即組織了搶險堵漏，雖然空洞處水流被堵住，但仍發現持續有水從后澆帶傳力板帶下方位置流出，說明出水點不止一點，而極有可能是延伸至底板下方的滲水帶。繼續采用聚氨酯封堵后澆帶漏水位置的縫隙，但是效果不好，仍然冒水。判斷原因有三：該位置地下連續墻接縫屬于新老地下連續墻相交位置，地下連續墻施工時間相差4.5個月；外地下連續墻接縫施工質量不好，在底板面以下存在開叉等隱藏滲漏帶；后澆帶位置混凝土澆筑可能不密實，在承壓水作用下形成滲水通道。

綜合分析各方面因素，最后決定采用坑內壓重＋坑外注漿的處理方法（圖15）。流程為：在外地下連續墻出水點處埋設了引流管，在確定水流只從引流管內流出，其余出水點均已封閉的前提下，在坑內漏水點位置澆筑1.2 m×2.0 m× 1.4 m混凝土塊，將后澆帶與地下連續墻接縫處完全封閉→在坑外地下連續墻與TRD水泥土攪拌墻之間打設3根高壓旋噴樁，樁徑1 m、深度35 m。第1根高壓旋噴樁位于“T”形外地下連續墻（C5-3）與順作區相鄰外地下連續墻的接縫處。注漿過程中，持續有水泥漿從引流管內冒出，并有水泥漿浮于水面，連續注漿約11 t后，引流管已無水和漿液流出。緊接著，完成了另外2根高壓旋噴樁（注漿量分別為17 t和7 t），共計注漿35 t，此時顯示注漿壓力較大，證明滲水通道已經完全堵住，無需再注漿。至此，地下連續墻滲漏問題得到控制。

圖15 地下連續墻漏水及封堵示意

3.3.5 基坑突涌風險控制技術

在進行超深基坑底板施工階段，要特別當心前期的勘探孔或未知管線。如果其刺穿承壓含水層，即使在降水井開啟的狀態下，也有可能引起坑底突涌現象的發生。中國結算順作區在進行底板深坑區域第6皮土方開挖過程中，發現某工程樁附近有一段直徑約7 cm的管子暴露在挖土面上，材料屬性和深度不明，有少量地下水從中流出，速度緩慢。該施工階段，80%的降壓井處于開啟狀態，承壓水已經降低到挖土面以下1 m位置。針對此次突涌事件的處理，具體經過如下：

1）某天下午發現出水點，水流緩慢，采用少量快干水泥進行了臨時封堵。

2）第二天凌晨出水點水量加大，8時左右深坑內積水達到1 m左右，隨即開始坑內抽水，至18時深坑抽水見底，19時繼續采用快干水泥進行封堵。結果發現，盡管快干水泥封堵用量加大，但由于承壓水量過大，快干水泥無法形成有效封堵。23時，采用快干水泥拌土，對出水點進行回填覆蓋。至第三天1時30分完成回填覆蓋，基本停止了冒水。

3）第三天6時，回填點又發現有水滲出，水量不斷增加。經多方討論決定，采用聚氨酯對漏水點注漿，并根據注漿后的實際效果確定是否采取雙液注漿等后續措施。24時后發現注漿未達到預期效果。

4）第四天9點，在吸取第1次注漿失敗的經驗基礎上，將原先覆蓋在出水點上的覆蓋土挖除，準確找到出水點，進行了第2次注漿，經過幾小時觀察，出水點不再漏水，認為已經成功封堵，不再采用雙液注漿等后續措施。

5）為了防止突涌風險的再次發生，施工方加快了深坑區挖土、墊層和底板施工速度，并對出水點區域部分墊層進行加厚處理，僅用10余天時間即完成了該深坑區域基礎底板施工。至此，承壓水突涌風險才算解除。

4 結語

本文以上海國際金融中心項目為背景，針對該工程超大、超深的特點，圍繞順逆結合同步交叉施工的復雜工況，重點對施工階段的圍護變形風險控制和承壓水風險控制兩方面進行了研究，得出如下結論：

1）為了減小基坑圍護的變形量，在進行逆作區首層盆式開挖時，需要留設足夠寬度的邊坡留土；針對環撐和對撐體系的特點，分別采用了島式和盆式挖土，做到快挖快撐，隨挖隨撐，盡可能減小時空效應。

2）針對分坑順逆結合、同步交叉施工的復雜工況，為了減小坑內土壓力差導致的中隔墻變形，需要同步平衡挖土。為了減小分坑之間的剛度差，控制基坑整體變形量，需要嚴格按照設計工況，做好順逆作區上下同步交叉界面上的搭接施工，實現水平力的平穩傳遞。

3）當基坑圍護在開挖或回筑期出現豎向大跨度暴露時，為了防止局部變形過大，可以采用加大圍護體剛度和增設臨時支撐的形式來控制風險。

4）對未隔斷承壓含水層的超深基坑降水施工，采用懸掛式止水帷幕進行降水的方法是可行的，但前期需要做詳細的滲流數值分析和抽水試驗，最終確定井點深度和布置。止水帷幕與井點兩者深度差的取值很關鍵，這方面有待進一步研究，本工程取值8 m，最終坑內外降深比穩定在2.5，滿足了設計和施工要求。

5）懸掛式帷幕降水條件下承壓水風險更大，控制更難，需要做好充分的應急預案。本工程同時遇到了圍護體滲漏和突涌兩類風險，風險發生的原因和處理經過都是寶貴的經驗，值得同類型工程參考借鑒。