軟土地區(qū)超大面積無支撐深基坑工程圍護(hù)設(shè)計(jì)與監(jiān)測分析

黃時(shí)鋒

（上海城投水務(wù)工程項(xiàng)目管理有限公司，上海市201103）

0 引 言

大面積、無支撐基坑工程施工時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、加固施工、無支撐懸臂開挖施工等，導(dǎo)致圍護(hù)體變形，致使坑外土體變形，引起鄰近的地表沉降、建/ 構(gòu)筑物及地下管線擾動(dòng)變形。

對無支撐的深基坑施工，基坑開挖較淺時(shí)，常規(guī)的重力式擋墻等變形易進(jìn)行有效管控。對深基坑工程，無支撐情況時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度和深度一般較大，插入比遠(yuǎn)超一般設(shè)計(jì)范圍。在上海軟土地區(qū)，因軟土的高壓縮性、高靈敏度、低滲透性等特性，在基坑開挖后，懸臂無支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖后墻體變形較大；尤其對超大面積深基坑，無支撐施工時(shí)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)特殊設(shè)計(jì)、坑內(nèi)加固、開挖順序等對圍護(hù)墻體自身和周圍環(huán)境的變形有直接的關(guān)聯(lián)，在圍護(hù)設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測等積累相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，將對后續(xù)類似項(xiàng)目提供有益的借鑒[1-5]。

1 工程案例背景

1.1 工程概況

某污水處理廠廠區(qū)面積達(dá)2.9 km2，污水處理設(shè)計(jì)規(guī)模280 萬m3/d，居亞洲第一。工程服務(wù)面積約1 255 km2，受益人口約712 萬。采用減量達(dá)標(biāo)的方式，達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)，尾水排入長江。本工程將龐大的污水處理廠嵌入地下，在地上覆蓋足球場、公園。

本文涉及的某地塊基坑面積達(dá)15 萬m2，基坑尺寸515 m×289 m，基坑最大挖深為12.8～15.8 m（見圖1、圖2）。圍護(hù)結(jié)構(gòu)為：基坑邊按二級放坡，放坡坡度為1∶1.5；放坡后圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁，樁徑1 000 mm/1 200 mm，樁長21.6～27.6 m；坑底采用φ850 三軸攪拌站裙邊加固。

圖1 地塊基坑平面示意圖（附分塊開挖標(biāo)識(shí)）

1.2 地質(zhì)條件

場地內(nèi)除南部原養(yǎng)豬場拆除后地表有水泥地坪和建筑垃圾外，其他地方均為農(nóng)田，東側(cè)和南側(cè)基坑邊界處為海塘備堤（建于20 世紀(jì)90 年代，堤身結(jié)構(gòu)主要為素填土）。土堆頂部標(biāo)高約10 m。擬建場地地貌類型為潮坪地貌類型，場地地勢略有起伏，各勘探點(diǎn)孔口標(biāo)高為3.65～12.45 m，高差為8.80 m。

根據(jù)勘察報(bào)告可知，地下水潛水水位埋深在0.50～4.60 m，相應(yīng)標(biāo)高在2.52～6.48 m，第⑧2層承壓水分布，層頂埋深為53.3～59.5 m。根據(jù)上海市長期觀測資料，（微）承壓水水頭高度一般均低于潛水位，承壓水水頭埋深一般為3.0～12.0 m，隨季節(jié)呈周期性變化。

圖2 地塊基坑典型剖面示意圖（單位：mm）

各土層的力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 地塊地層的力學(xué)指標(biāo)

1.3 不良地質(zhì)

（1）填土：工程場地表層分布有填土，局部厚度較大，填土成分復(fù)雜，對本工程基坑開挖有較大影響，應(yīng)該采取一定的措施。淺部填土的主要組成為①1-1層雜填土、①1-2層素填土、①2層浜填土和①3層吹填土。本工程構(gòu)筑物基礎(chǔ)埋深一般較深，基坑施工時(shí)，大部分將被挖除，但局部較厚達(dá)9.2 m，對構(gòu)筑物基礎(chǔ)設(shè)置造成影響。

（2）軟弱土：場地淺部有③、④層淤泥質(zhì)土分布，土質(zhì)軟弱，具有流變觸變特性，工程性質(zhì)較差，對基坑開挖影響較大。

（3）障礙物：擬建場地部分為拆遷場地，原有建筑下部老的建筑基礎(chǔ)及河岸加固基礎(chǔ)，對工程影響較大。另外，根據(jù)勘探孔施工時(shí)揭露有拋石，深度6.0～8.5 m，局部較深約10.4 m，主要為花崗巖石塊及碎石。

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 二級放坡設(shè)計(jì)

基坑周圍環(huán)境較為簡單，基坑上部采用1∶1.5二級放坡，放坡高度7m；兩級放坡頂平臺(tái)寬度均為5 m，均設(shè)置1200 輕型井點(diǎn)降水井。護(hù)坡采用100 mm厚細(xì)石混凝土護(hù)坡面層C20，內(nèi)配Ф6.5@200×200。放坡坡頂采用3φ850@1 200 三軸攪拌樁作為坡頂坑外止水帷幕，樁長16 m。

2.2 灌注樁圍護(hù)設(shè)計(jì)

二級放坡坡底圍護(hù)采用樁徑1 000 mm/1 200 mm鉆孔灌注樁，樁長21.6～27.6 m，共設(shè)置2 排排樁，排樁水平向凈間距4m；樁間采用850 mm 三軸攪拌樁加固，樁長16～19m；樁頂均采用混凝土1 200 mm×1 000 mm 圍檁，1 200 mm×1 000 mm 連梁連接兩排圍護(hù)排樁；300 mm 雙層雙向φ14@150 厚連板。

2.3 坑內(nèi)加固設(shè)計(jì)

坑內(nèi)裙邊加固采用5 m 三軸攪拌樁坑底滿堂裙邊加固，水泥摻量20%，上部空攪部分水泥摻量大于12%。加固范圍為坑底以下5 m。工程經(jīng)驗(yàn)表明被動(dòng)區(qū)加固對坑內(nèi)土體抵抗變形的能力較為明顯。

2.4 基坑開挖/ 排水

基坑開挖最初按A1→A2→A3→A4→A5 的順序，實(shí)際開挖中圍護(hù)體水平位移（測斜）變形大且超報(bào)警值；后設(shè)計(jì)調(diào)整，開挖采用跳挖方式（采用A1→A3→A5→順序開挖，挖一塊先澆筑一塊），分層、分段、跳挖法預(yù)留土方達(dá)到支護(hù)作用。

3 基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

（1）圍護(hù)墻體測斜監(jiān)測點(diǎn)，測斜管深度21～27 m（與圍護(hù)墻等深），測點(diǎn)間距20 m，報(bào)警值：最大累計(jì)值63 mm，速率：4 mm/d。

（2）土體測斜監(jiān)測點(diǎn)（位于二級放坡的最外側(cè)），測斜管最大深度35 m，測點(diǎn)間距20 m，報(bào)警值：最大累計(jì)值63 mm，速率：4 mm/d。

（3）地表沉降監(jiān)測點(diǎn)，采用深層點(diǎn)布設(shè)，測點(diǎn)間距20 m，報(bào)警值2‰H（H 為開挖深度，最小累計(jì)值32 mm，速率：5 mm/d）。

（4）圍護(hù)墻頂水平位移監(jiān)測點(diǎn)，測點(diǎn)間距20 m，報(bào)警值：累計(jì)20 mm。速率：3 mm/d。

3.2 墻體水平位移（測斜）、土體水平位移（測斜）、地表沉降

（1）根據(jù)墻體水平位移（測斜）數(shù)據(jù)，因圍護(hù)結(jié)構(gòu)跨中部位受空間效應(yīng)的約束小，相對位移數(shù)據(jù)均為最大。墻體測斜最大值約260 mm，約位于基坑西側(cè)中部，后因二級放坡坡頂靜壓樁施工，致使墻體測斜最大值達(dá)到619 mm，靜壓樁施工的擠土效應(yīng)致使墻體向坑內(nèi)變形急劇增大。

基坑陽角處受相鄰圍護(hù)墻間的空間約束，墻體測斜變形顯著減小。最大變形量約6～56 mm。基坑?xùn)|側(cè)圍護(hù)墻相對不規(guī)則，多處陽角致使測斜值顯著減小，空間約束對變形影響巨大。但不規(guī)則圍護(hù)體形狀會(huì)影響施工進(jìn)度，在設(shè)計(jì)階段平衡好可能的變形程度、施工進(jìn)度、工程造價(jià)等關(guān)系將會(huì)提升項(xiàng)目整體效益。

（2）坑外土體水平位移（測斜）最大值在一般區(qū)域均比對應(yīng)的墻體測斜大（除西側(cè)外），考慮到二級放坡總高度達(dá)7 m，懸臂圍護(hù)墻頂水平位移巨大，可能影響坑外土體測斜值。同時(shí)，考慮到大面積開挖，存在可能的潛在滑移面，致使土體內(nèi)部水平向變形較大。基坑西部區(qū)域土體測斜值相對較小，二級放坡坡頂靜壓樁施工對坑外土體測斜影響相對較小（見圖3）。

坑外土體測斜亦遵守空間效應(yīng)影響，即陽角約束使測斜值顯著減小，空間約束對變形影響巨大（見圖4）。

圖3 墻體水平位移（測斜）最大值分布圖

圖4 坑外土體水平位移（測斜）最大值分布圖

（3）根據(jù)坡頂水平位移數(shù)據(jù)，一般區(qū)域（除西側(cè)靜壓樁施工區(qū)外）最大值均出現(xiàn)在坡頂中央部位，最大值約72～125 mm；北側(cè)該值與墻體水平位移（測斜）最大值基本一致，表明墻體底部墻趾幾乎無變形；坡頂沉降最大值位置與水平位移最大值位置重疊，最大值約-23～-122 mm。坑外地表沉降最大-24～-93 mm。

西側(cè)因二級放坡坡頂靜壓樁施工，坡頂呈隆起狀態(tài)，最大隆起值約267 mm。水平位移最大值與墻體測斜最大值位置重疊，最大值約112 mm。坑外地表沉降最大-30 mm。

4 結(jié) 語

本項(xiàng)目大面積、無支撐基坑工程圍護(hù)設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測均取得了成功。

通過對本項(xiàng)目基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)與施工方面的有效措施，成功的實(shí)施了本工程基坑工程的施工，有效的控制了基坑圍護(hù)體自身及周圍土體的變形，研究了相關(guān)的規(guī)律，得出如下結(jié)論：

（1）在基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)階段有針對性的考慮陽角約束措施，合理利用空間效應(yīng)，能有效的降低基坑施工導(dǎo)致的變形。在基坑施工階段采取合理的施工工序及有效的控制開挖時(shí)間，能顯著的減小基坑自身和周圍土體的變形。

（2）大面積無支撐的基坑開挖卸載，墻頂位移巨大。靜壓樁施工的擠土效應(yīng)致使鄰近土體隆起變形明顯，加劇影響區(qū)域墻體測斜的變形。

大面積的基坑工程施工對周圍土體變形影響很明顯。圍護(hù)體和周圍土體變形與施工工序、開挖時(shí)間、其他施工等因素緊密關(guān)聯(lián)。采用信息化監(jiān)測手段和及時(shí)反饋，采取更合理的設(shè)計(jì)和施工參數(shù)，將成為建設(shè)優(yōu)質(zhì)工程的目標(biāo)。