復雜環境下超大面積群基坑工程施工風險分析與應對

陸榮欣

上海建科工程咨詢有限公司 上海 200032

隨著城市化進程的加快，基坑工程周邊環境越來越復雜，加上地塊開發的需要，出現多種建筑同時開發的情況，從而導致了建設主體多樣、形狀不規則、邊界條件復雜的群坑工程的出現。隨著對地下空間開發利用需求的提高，基坑開挖深度也越來越大，施工自身風險也變得越來越大，為了保證基坑工程能夠順利開挖進行，在基坑正式實施前，對方案進行分析論證、風險評估，制訂合理的開挖順序及風險應對措施，開挖過程中嚴格按照措施進行控制，可將基坑施工的風險降低到最低程度[1]。

1 工程概況

某項目位于上海市中心區域，地鐵功能類型以辦公、商業為主，配以文化娛樂設施、酒店服務等業態。由北側E、J、K地塊，南側G、N、O地塊，中間M、L、F地塊以及地塊之間的道路共同組成“九宮格”項目。“九宮格”項目基坑總面積約156 000 m2，普遍區域基坑開挖深度16.20 m（圖1）。

1.1 環境概況

“九宮格”項目西側鄰近已運營的軌道交通11號線車站及其附屬結構，西側環境條件較為復雜。車站與G地塊地下室最近距離為10 m，與E地塊地下室距離為10～18 m。車站本體距離E地塊地下2層外墻9.8～23 m，距離地下3層邊界24～53 m。北側區間隧道直徑約6.2 m，頂部埋深約10.3 m，距離E地塊地下室外墻約24 m。鄰近的地鐵車站附屬結構主要為1#出入口以及北風井，距離E地塊地下2層外墻約為9 m，距離地下3層邊界約為24 m。區間隧道距離G地塊地下1層區域地下室外墻最近9 m，距離地下3層邊界最近23 m。站隧結合部距離G地塊地下1層區域地下室外墻13 m，距離地下3層邊界約31 m。N地塊南側蓄能水池距離軌交11號線區間隧道最近55.7 m，其南側外接車道距離隧道最近40.5 m。西側道路下還存在多條市政管線。

圖1 項目平面示意

1.2 地質情況

1.2.1 場地內工程地質情況

工程擬建場地125.0 m深度范圍內的地層均為第四系松散沉積物，主要由飽和黏性土、粉性土及砂土組成，土層從上至下依次為：①1雜填土、①2浜填土、②1粉質黏土、③淤泥質粉質黏土夾黏質粉土、④淤泥質黏土、⑤1粉質黏土、⑤2砂質粉土、⑤3-1粉質黏土、⑤3-2粉質黏土夾砂質粉土、⑦1砂質粉土夾粉質黏土、⑦夾粉質黏土、⑦2粉砂。

1.2.2 開挖深度范圍內工程地質情況

在基坑開挖深度范圍內涉及的土層分別為：②1層、③層、④層，其中③層中夾薄層粉土，局部含粉性土顆粒較重，易滲水，并可能出現流砂、管涌等現象。③、④層淤泥質軟土層抗剪強度低，具有觸變性和流變性特點。坑底土為④層和⑤1層土。

1.3 水文地質

擬建場地地下水類型主要分為潛水和承壓水。

1）潛水。淺部土層潛水水位埋深為0.80～2.10 m，平均水位埋深1.51 m。

2）承壓水。⑤3-2層粉質黏土夾砂質粉土遍布，土質不均勻，局部層中夾砂。⑤3-2層地下水具有微承壓性，可視為微承壓含水層；下部為⑦層砂質粉土夾粉質黏土層，系上更新世河口-濱海相沉積層，是上海地區第一承壓含水層，承壓水位埋深一般為3～12 m。⑦1層為砂質粉土夾粉質黏土，場地內⑤3-2層與⑦層存在微弱的水力連系或無明顯水力連系，且⑤3-2層進行長時間群井抽水不會對⑦層承壓水水頭產生明顯的影響。

1.4 基坑圍護形式

1.4.1 圍護結構設計

1）基坑外圍圍護結構：基坑最外圍圍護結構均考慮采用“兩墻合一”地下連續墻，考慮到對地鐵車站和區間隧道的保護，鄰近地鐵側地下2層與地下3層區域地下連續墻厚度均采用1 000 mm，蓄能水池區域為滿足結構要求也采用厚1 000 mm地下連續墻。對于地下1層區域以及非地鐵側區域地下連續墻厚度采用800 mm。

2）基坑內部臨時隔斷：基坑內部地塊間臨時隔斷均采用地下連續墻，其中鄰近地鐵側的E2區內部臨時隔斷，考慮到對地鐵的保護需要，均采用厚1 000 mm地下連續墻；其余G2區內部臨時隔斷、E1區與J1區、G1區與N1區之間臨時隔斷均采用厚800 mm地下連續墻。

1.4.2 水平支撐設計

水平的支撐設置分如下幾個區域考慮：

1）地鐵側大坑E1、G1區：鄰近地鐵的E、G地塊的大坑E1、G1區，考慮到目前的開挖深度，結合地鐵側基坑工程的常規做法，設置4道鋼筋混凝土支撐。支撐按正交對撐的形式布置。

2）地鐵側小坑E2、G2區：鄰近地鐵劃分出來的狹長型小坑，E、G地塊的E2、G2區按地鐵邊基坑工程的常規做法，在頂部設置1道混凝土支撐并結合下部多道鋼支撐。鋼支撐按1幅地下連續墻2根支撐、不設置圍檁的原則布設，便于快速架設支撐以控制變形。同時，鋼支撐采用軸力自動補償裝置。

3）遠離地鐵側地塊基坑：遠離地鐵的基坑考慮目前16.2 m的基坑開挖深度，豎向可設置3道鋼筋混凝土支撐，便于加快挖土進度。支撐平面可按對撐角撐邊桁架的形式布置。

2 風險分析

該“九宮格”基坑總面積接近156 000 m2，如此大體量的基坑工程群在實施過程中受到開挖、大氣降水以及施工動載等許多不確定因素的影響，存在著一定的風險性。具體體現在以下幾個方面[2-3]：

1）本工程為多地塊基坑工程群，基坑大小不一，且隸屬于不同的建設單位的不同地塊，其基坑與地下結構的實施均有各自的工期目標，基坑群施工時各基坑不同的開挖順序將導致土體變化，進而引起圍護體系變形和內力的增加，嚴重時會導致基坑失穩、垮塌等風險事故。

2）基坑開挖完成后，回筑過程中需分階段拆除支撐、鑿除封堵墻，將整個支護體系轉換為由結構的梁板柱體系承擔。在此過程中，如果拆除或鑿除時機不對或受力傳遞不均，則可能導致結構梁板位移、變形，引起已建結構開裂，影響其使用功能。

3）群坑西側鄰近地鐵車站、附屬結構以及區間隧道（含站隧結合部），西側的環境保護要求高。圍護結構的變形或滲漏會引起周邊環境的變化，進而影響地鐵車站及隧道的正常運行，風險大。

4）⑤3-2層微承壓含水層對本基坑有突涌影響，⑦層承壓含水層按普遍區域開挖深度可滿足承壓水抗突涌穩定性要求，當基坑內存在較深的落深區時，可進行局部降壓處理。

3 風險應對

3.1 基坑開挖順序安排

“九宮格”基坑面積大、開挖深度深，基坑采用分區順作法，總體分多個階段實施；針對后續4塊地塊，總體分為5個階段施工[4-5]：

1）第1階段：首先施工中間3個地塊，即F、L、M這3個地塊以及南北K、O這2個地塊的基坑開挖及結構施工（圖2）。

圖2 第1階段實施區域平面示意

2）第2階段：待F、L、M這3個地塊以及K、O這2個地塊地下室結構施工完成后，首先同時開挖L2區、M2區。

3）第3階段：同時開挖E1區、N1區。

4）第4階段：待E1區第3道支撐完成、N1區第2道支撐完成后，開挖J1區、G1區第1道支撐以下土方。

5）第5階段：待E1區、J1區地下B1層結構完成后，可開挖J2區及地鐵側E2-1區、E2-2區、E2-3區、E2-4區；待G1區、N1區地下B1層結構完成后，可開挖N2區基地鐵側G2-1區、G2-2區、G2-3區。

3.2 承壓水控制

普遍區域布設⑤3-2層降壓井，E地塊濾頭按地層分布的不同進入到⑤3-2層頂以下5～6 m，G地塊濾頭按地層分布的不同進入到⑤3-2層頂以下3～4 m。塔樓局部深坑區域布設一定數量的⑦層備用井兼作觀測井。

針對基坑降壓對周邊環境的影響控制，設計考慮采取的處理對策如下：

1）E地塊鄰近地鐵，抽水試驗結果顯示，E、J地塊區域⑤3-2層與⑦層存在微弱的水力連系。考慮到對地鐵車站及其附屬結構的保護，鑒于F地塊加深地下連續墻（深50 m）已施工完，考慮將E地塊于地鐵側、北側的地下連續墻均加深，并深于降壓井濾管底部以下不小于10 m，隔斷⑤3-2層。

2）G地塊鄰近地鐵，抽水試驗結果顯示，G、N地塊區域⑤3-2層與⑦層不存在明顯的水力連系。考慮到對地鐵車站及其附屬結構的保護，鑒于F地塊加深地下連續墻（深50 m）已施工完，考慮將G地塊于地鐵側、南側的地下連續墻均加深，并深于降壓井濾管底部以下不小于10 m，隔斷⑤3-2層。

從“九宮格”角度，在實施順序上，F地塊在E、G地塊實施時地下結構已經完成，E、G錯開先后開挖（相差約2皮土），不會出現F、E、G地塊同時降壓的情況。

J、N地塊考慮位于九宮格內部，距離地鐵較遠且周邊環境條件較為寬松，暫不考慮止水帷幕加深。

3.3 監測

本工程基坑面積大、開挖深度深，周邊環境保護要求高，必須在施工過程中進行綜合的現場監測，全面了解圍護結構和周邊環境的情況，根據監測結果動態調整、優化施工參數、指導施工。根據本工程施工的特點、周邊環境特點及設計的常規要求，監測主要分為以下2類內容：

1）基坑周邊環境監測，包括周邊道路及建（構）筑物的變形及沉降監測、地下管線變形（沉降、位移）監測、地鐵車站及地鐵隧道的變形（沉降、位移）監測等。

2）基坑圍護監測，包括圍護墻體、立柱、支撐軸力等監測。

現場根據每天上報的監測結果，實時了解基坑的安全狀態，如果出現變形過大的情況，及時召開專題會，討論制訂解決方案，實時指導現場施工。

3.4 管理措施

為了明確相對獨立又相輔相成的各地塊的界面和責任，協調基坑群施工節奏和交通組織，最大限度地減少錯誤，由投資主體以及參建各方建立施工的協調管理平臺，包括領導小組、項目推進小組、項目協調小組3個層面的協調平臺，建立協調溝通機制，及時解決現場實施過程中出現的問題。

4 實施效果

通過對該基坑群的風險分析，制訂相應的風險對策，在實施過程中，通過管理協調，各基坑能夠按照既定的開挖順序進行開挖，并做好監測以及承壓水的控制工作，實施效果非常明顯。西側軌道交通的變形影響都在允許范圍內，基坑自身未發生明顯變形，承壓水控制未發生突涌現象。

5 結語

以上海中心區域超大面積基坑工程群為例進行了風險分析，并提出了相應的風險控制措施，主要結論如下：

1）對于超大面積的群坑施工，在實施以前應對整個群坑的開挖順序、拆撐回筑順序進行模擬策劃。

2）建立溝通協調機制，由于群坑內的基坑屬于多個投資主體，是否能按照實施前的策劃順序進行實施，非常關鍵，因此建立溝通協調機制，使參建各方能按照既定的施工順序進行實施非常關鍵，可以有效降低施工風險。

3）做好承壓水的控制，對群坑進行抽水試驗，降水模擬分析，根據結果來設計圍護結構深度及降水井，開挖過程中，按需降水，保證承壓水頭處于安全狀態。

4）做好動態監測，及時分析、掌握基坑監測數據，動態評估基坑安全狀態，實施過程中突發情況應根據應急預案及時處理，將風險降低。