上海深厚軟土分布區超大深基坑工程設計與分析

尤 波

(華設設計集團股份有限公司， 南京 210001)

隨著近年來上海浦東新區的快速發展，出現越來越多的大型商業辦公綜合體項目，伴隨著大量的地下商場、地下車庫等商業性的地下空間開發。由于項目位于浦東新區，項目所在場區軟土層分布較厚。在深厚軟土分布區進行地下空間開發，其設計、施工難度大，風險高，基坑圍護工程造價高。文章主要介紹了深厚軟土層基坑工程的特點以及設計的控制要點，可為類似基坑工程提供參考。

1 工程實例

1.1 項目概況

1)基坑情況

項目位于上海市浦東新區，基坑總面積約為13 380 m2，總延長米約為700 m，基坑形狀不規則。基坑普遍開挖深度為11.65 m，最深貼邊集水坑區域挖深約為14.35 m。根據上海市基坑規范，基坑安全等級和環境保護等級均為二級[2]。

2)環境情況

基坑工程東側為規劃景觀湖，基坑實施期間為荒地，尚未建造。南側為規劃啟帆路，基坑施工期間道路未施工，僅為素砼鋪設的臨時道路，道路南側為已建成的商場，基坑距離商場較遠,約為50 m。基坑西側為規劃流云路，該規劃路尚未施工，規劃路寬約24 m，規劃路西側為已建商業辦公樓，基坑距離已建辦公樓約36.5 m。基坑北側為規劃秋水路，秋水路尚未施工，寬約24 m。周邊環境相對寬松。

1.2 地質水文概況

擬建場地屬于濱海平原地貌類型。地基土主要由粉質粘土、淤泥質粉質粘土和粉砂等組成，其中軟土層主要為③層淤泥質粉質粘土和④層淤泥質粘土，淤泥質軟土最大厚度超過16 m。

工程地下水分為淺層孔隙潛水和深層承壓水，其中潛水位埋深0.7～1.5 m。承壓水主要為⑦層第I承壓水，由于⑦層承壓水層埋深約30 m，經驗算，基坑普遍區域和集水井區域挖深情況下，抗承壓水穩定性均滿足要求，故工程基坑可不考慮承壓水突涌情況。

場地土層主要物理力學參數見表1。

表1 土層主要物理力學性質參數表

1.3 基坑特點

1)基坑規模：工程基坑面積約為13 381 m2，總延長米約為696 m。基坑普遍側挖深11.65 m，貼邊集水坑區域基坑挖深達14.35 m，屬于大面積深基坑工程。

2)地基土：工程場區土層屬于上海地區典型③、④層淤泥質軟土分布區。軟土總厚度約15～16 m。從第一道支撐底至普遍區域坑底以下6.5 m均為淤泥軟土層分布，基坑施工及土方開挖難度大。

3)不良地質：擬建場地東側和南側局部有厚填土分布，厚填土夾植物根莖等雜物，土性較差，厚度在2.8～3.6 m。圍護樁施工需要對影響成樁質量的厚填土進行處理。

4)施工空間：工程基坑邊線距離四周紅線均為4 m左右，西側、南側和北側紅線位置為場地圍墻，該三側圍墻內部設置為施工道路，施工空間狹小。西側和北側圍墻外為規劃流云路和規劃秋水路，施工期間為相鄰地塊已建辦公樓場地的臨時施工道路、材料堆場和鋼筋加工區。基坑東側為紅線，外為場地圍墻，圍墻外為各地塊集中臨設和項目辦公區。整個場區布置相對較為緊湊，施工空間較小。

5)土方工程：工程基坑面積較大，基坑總土方量約15.6萬方，且土方大部分為淤泥質軟土層，土方開挖難度較大。

1.4 方案設計

1.4.1 方案選型

工程基坑屬于深大基坑工程。綜合基坑周邊環境以及基坑自身特點，在滿足上海市基坑工程相關規范和發行的相關條文規定的基礎上，考慮選擇圍護樁結合內支撐的板式支護體系進行支護。

1)圍護結構體系選型

圍護結構可采用SMW工法樁、鉆孔灌注樁、地下連續墻[3]等。

SMW工法樁：SMW工法樁工藝成熟，施工難度小，但其剛度相對灌注樁和地墻較弱，基坑開挖后，圍護樁變形較大，變形較大容易使三軸開裂，導致滲漏。且SMW工法樁中的型鋼為租賃，適合工期較短的基坑。綜合以上因素，SMW工法樁對于本工程基坑不適用。

地下連續墻：地下連續墻剛度大，止水效果在所有圍護體中最好。施工工藝成熟，墻體的質量有保證，占用空間較少。圍護結構變形和周邊地層的位移和沉降都較小，適合于周邊環境保護類型較高、基坑開挖深度較深的大型深基坑工程。但地下連續墻造價較高，從業主對經濟性的要求，地下連續墻不適用。

鉆孔灌注樁+攪拌樁止水帷幕：鉆孔灌注樁結合攪拌樁止水帷幕是傳統的圍護結構形式，施工工藝成熟，施工難度小，適用于大部分基坑工程。其樁身剛度和工程造價均介于SMW工法樁和地下連續墻之間。從基坑工程安全性、工程造價經濟性、施工便利性等因素考慮，均適用于本基坑工程。

止水帷幕可采用雙、三軸水泥土攪拌樁或者五軸水泥土攪拌樁，其中五軸攪拌樁屬于近年來新興發展起來的工法[4]，具有高效、環保綠色的特點。五軸攪拌樁成樁采用“兩噴兩攪”工藝。在同等條件下，通過與雙軸攪拌樁和三軸攪拌樁工效對比，五軸攪拌樁每天完成方量是雙軸攪拌樁的7～10倍，是三軸攪拌樁的2～3倍。工效優勢較為明顯。

2)支撐體系選型

支撐體系分為鋼筋混凝土支撐體系和鋼支撐體系。其中鋼支撐分為鋼管支撐和型鋼支撐。

鋼支撐：鋼支撐體系為鋼支撐結合鋼立柱的形式。當基坑面積較小，且形狀比較規則時，鋼支撐受力和控制變形的能力能夠得到有效發揮，但鋼支撐桿件的受力和穩定性受支撐桿件長度限制，其中常用的單根Φ609鋼管支撐的極限長度約60 m，桿件過長的鋼支撐體系，其受力和穩定性控制均難以保證。

鋼筋混凝土支撐：鋼筋混凝土支撐體系為鋼筋混凝土支撐結合立柱的形式，其立柱為灌注樁內插角鋼格構柱的豎向組合結構體。鋼筋混凝土支撐體系不受基坑深度和基坑形狀的限制，支撐剛度大，布置形式靈活，控制變形效果好，適用范圍廣泛。

根據上海市建設主管部門相關規定，基坑挖深超過8 m，必須設置兩道支撐，且第一道支撐需為混凝土支撐，故本工程基坑支撐體系采用兩道鋼筋混凝土支撐。

綜上，工程基坑采用鉆孔灌注樁結合五軸攪拌樁止水帷幕作為圍護結構體系，采用鋼筋混凝土支撐結合鉆孔樁內插角鋼格構柱作為支撐體系。

1.4.2 圍護體系

圍護結構采用Φ900@1 100、Φ1 000@1 200、Φ1 100@1 300灌注樁。止水帷幕采用Φ800@500五軸水泥土攪拌樁，其有效長度為17.5 m，水泥摻量為13%，水灰比為0.8，28 d無側限抗壓強度標準值不小于0.8 MPa。其中普遍區域基坑典型剖面見圖1(圖中尺寸單位為mm，高程單位為m)。

1.4.3 基坑加固

工程基坑總體呈不規則多邊形形式，其南北向單邊長度超過200 m，且基坑開挖范圍內均為流塑狀態淤泥質土，因此，采用被動區加固的方式控制基坑長邊效應的變形是十分必要的。基坑加固分為圍護結構被動區加固和基坑內集水井加固兩種。

基坑內被動區加固可以提高被動區抗力，有效控制基坑開挖過程圍護樁變形。被動區加固采用φ700@500雙軸水泥土攪拌樁格柵布樁的形式，加固厚度為坑底以上6.8 m和坑底以下4 m，水泥摻量為13%，另基坑邊分布有1.7 m和2.7 m集水井區域，采用φ800@600高壓旋噴樁加固，加固厚度為坑底以上6.8 m和坑底以下6 m，水泥摻量為25%。

基坑內1.4 m集水井不進行加固，1.7 m/1.8 m集水井采用700@500雙軸水泥土攪拌樁進行加固，加固樁長4 m，水泥摻量13%，2.8 m集水井采用高壓旋噴樁加固，加固樁長6 m，水泥摻量25%。

1.4.4 支撐體系

工程基坑采用鋼筋混凝土支撐，支撐布置采用角、對撐結合邊桁架的形式。工程場地有兩個出入口，分別在東側南、北兩端。基坑周邊設置為貫通的臨時道路，故工程基坑采用三道東、西向棧橋布置，棧橋連接周邊施工道路，形成貫通的施工環路交通體系。既滿足基坑土方車回轉，也能兼顧施工過程建材堆放的平臺，緩解施工場地緊張的問題。

棧橋寬度設置為12 m，保證兩車道通行。基坑施工期間，要求棧橋上運載車輛荷載不超過60 t，堆載不超過25 kPa，并避免出現兩臺滿載運土車或挖機等設備位于同一跨度內等不利荷載分布情況，當有空載車輛時，空載車輛不得超過2輛，以保證安全。支撐桿件信息見表2。支撐、棧橋布置圖見圖2(陰影部分為棧橋分布區)。

表2 支撐信息表 mm×mm

1.4.5 降水系統

工程為地下兩層基坑，考慮采用真空管井降水。每口真空管井有效降水面積取200 m2。基坑總面積約13 381 m2，理論上布置70口深井，考慮實際施工過程中損耗、死井等情況，實際布置真空管井為80口。管井長度17 m，管井至坑底以下5.35 m，進入到④層淤泥質粘土。為保證降水效果，真空降水管井采用多濾頭形式設置，即第1、2道支撐設置3 m長濾頭，第2道支撐至基底設置2 m長濾頭，基底以下設置3 m長濾頭。

經驗算基坑內承壓水滿足抗突涌穩定性要求，故不考慮布置減壓井，基坑內部集水井等深坑區域考慮采用高壓旋噴樁加固和封底等措施，保證基坑安全。

1.5 監測數據分析

工程基坑監測包括地表沉降、圍護墻頂變形、立柱隆沉、水位監測和圍護樁測斜等。

根據現場監測結果顯示，基坑周邊圍護墻墻頂共設置37個監測點，其中墻頂沉降量均為30～33 mm，墻頂水平位移量普遍向坑內位移了3～11 mm，均控制在報警值以內。

工程坑外共設置13個水位監測點，水位變化基本在150～450 mm，均控制在報警值范圍內，另有個別水位監測點出現了水位下降過大的情況，水位沉降超過了報警值。這是由于該點處止水帷幕出現滲漏，出現滲漏后，業主召集各參建單位經認真討論滲漏原因后，及時采取了引水和封堵措施，使得坑外水位及時恢復，保證了周邊環境的安全。

工程基坑共設置20個圍護樁測斜監測點，基坑開挖至基底時，大部分監測點樁身位移為30～45 mm，最大變形處位于樁身12～13 m處，與理論計算值基本吻合。圍護樁變形理論計算與實際監測對比如圖3所示。

基坑支撐軸力監測點第一道支撐和第二道支撐分別布置19個監測點。其中第一道支撐軸力監測值基本在3 000 kN左右，個別測點達到4 500 kN，均在報警值范圍內。第二道支撐軸力監測值約為4 000～6 000 kN，在報警值范圍內，個別測點達到8 000 kN。經現場觀測，砼支撐表觀并未出現裂縫等現象。

總體而言，基坑圍護結構實際監測結果與理論計算結果基本吻合。基坑總體變形控制較好，保證了基坑的安全。

2 結 論

a.基坑位于上海市浦東新區，項目場區屬于典型的軟土分布區，其淤泥質軟土最大厚度達17 m，豎向分布在整個基坑開挖范圍內，基坑工程的設計和施工難度較大。

b.基坑工程在設計時，針對該項目深厚軟土的特點，采取了相應的措施，如增加真空深井數量，并在施工過程中針對降水未到位的情況進行補井，保證降水疏干效果。另外增加基坑內被動區加固范圍，即坑底以上6.8 m和坑底以下4～6 m范圍采用水泥土攪拌樁和高壓旋噴樁進行加固，改善被動區土性，增加圍護樁被動區抗力，從而減小基坑開挖期間圍護樁變形。

c.工程通過圍護體系和支撐體系的選型對比，最終制定合理的支護方案，加強了基坑施工的過程控制，保證了基坑的安全，最終達到了工程開發的預期效果。