軟土地區深基坑圍護結構分析與比選

文／楊云帆 上海張江高科技園區開發股份有限公司 上海 201203

引言：

聚焦長三角中心城區大型建筑項目的深基坑工程，場地土質條件較差，周邊環境復雜，施工組織要求高，使其成為建設工程中的一大難點。作為施工重大危險源，基坑外圍護及支撐系統雖然是地下室開挖的臨時施工措施，但其材料、人工投入在建安成本中卻有相當大的占比，據統計可達5～10%左右，并且地下室回筑后會產生大量的廢棄混凝土及鋼材。隨著“十四五”時期到來，“雙碳”目標成為國家戰略。房地產建筑行業作為碳排放“大戶”迎來了關鍵的綠色化轉型升級階段。由此，在保證基坑及周邊環境安全的前提下，選擇經濟適用的圍護體系，適當減少材料用量并壓縮工期，從而達到節能減排、低碳環保的綠建目標，是項目開發和設計工作中需要重點關注的課題。

1、工程概況

集成電路設計產業園5-1 項目位于上海市浦東新區張江鎮，擬建物主要包括 2 棟 20 層辦公樓、1 棟 4 層和 1 棟 2 層的商業+配套多層建筑及滿堂地下 3 層地下室。擬建建筑地下室采用承臺樁+筏板的基礎形式，工程樁采用鉆孔灌注樁。基坑開挖面積為24300m2，東西向最大跨度177.6m，南北向最大跨度178.9m，基坑周長634m，邊界較不規則。普挖區開挖深度為14.00m，主樓區域挖深為15.10m（局部集水井、電梯井落深1.75～～3.40m，采用旋噴樁加固封底）。

場地西、北兩側為市政道路，管線敷設較為密集。西側地塊為既有樁基礎建筑，距基坑開挖邊線最近約35.7m，大于兩倍開挖深度。場地東北角為既有110kV電業開關站，基礎形式為天然基礎，距離基坑開挖邊線約13.3m，屬重點保護對象。場地東、南為規劃道路，存在局部堆土。詳見圖1 所示。

圖1 基坑周邊環境總平面圖

2、地質水文條件

根據勘察報告，地基土主要由粘性土、粉性土、砂土組成。擬建場地受古河道切割影響，僅場地西北角有穩定分布的⑥層土，其它區域為⑥層缺失區。場地主要土層參數如表1 所示。

表1 土層圍護設計參數表

本場潛水年平均水位埋深一般為0.5～0.7m。設計時地下水位埋深建議按不利因素考慮，設計水頭埋深為0.5m。

擬建場地勘探深度內賦存有⑤3-3層微承壓水、⑦層承壓水。兩者水位呈周期性變化，微承壓水水位埋深約 3.0～11.0m；承壓水水位埋深約 3.0～12.0m。按年最高水頭 3m 進行抗突涌計算，⑤3-3層微承壓水頂板埋深最淺為 39.20m，一般區域（開挖深度 14.00m）Pcz/Pwy=1.25，無突涌風險；⑦層承壓水頂板埋深最淺為 30.50m（⑥層分布區）和36.90m（⑥層缺失區），⑥層分布區基坑一般區域（開挖深度 14.00m）Pcz/Pwy=1.08，無突涌風險；考慮基坑內存在的局部落深坑，Pcz/Pwy<1.05，⑦層承壓水存在突涌可能。因此本工程擬設置⑦層水位觀測井兼備用井，觀測為主，必要時開啟，按需減壓。

3、圍護方案選型分析

3.1 工程特點、難點

（1）本工程為深大基坑，基坑形狀不規則，工期原因未作分坑。后期開挖引起的時空效應對周邊環境影響較大。東北側有一較大陽角，不利于支撐平面布置和變形控制。

（2）基坑周邊環境相對復雜：基坑東北角現狀變電站為淺基礎，鄰近變電站西側基坑環境保護等級為一級；基坑西、北兩側均緊鄰市政道路，下設地下管線，保護等級二級；其余側環境保護三級。

（3）不良地質條件：場地普遍填土較厚，填土成分復雜，土質不均，可能成為圍護結構施工的障礙物；淺部③t層灰色砂質粉土滲透性較強，基坑開挖時易發生管涌、流砂的可能；場地大部分為古河道切割區域，⑥層硬土層缺失，分布有較厚的⑤3粉質粘土，土性較差。

（4）承壓水突涌風險：擬建場地內第⑦層承壓含水層遍布整個場地，受古河道切割影響層面起伏較大。根據承壓水突涌驗算，在⑥層分布區域，基坑一般區域無突涌風險，局部深坑區域第⑦層承壓水存在產生突涌可能，需要考慮抽降承壓水對環境的不利影響。

3.2 圍護結構適用性評價

（1）鉆孔灌注樁排樁+止水帷幕

對于開挖深度15m 以內的基坑工程，鉆孔灌注樁排樁+止水帷幕是可選的基坑圍護結構形式。其施工工藝簡單，質量易于控制，施工時對周邊環境影響小。止水帷幕可根據工程環境特點、基坑開挖深度等要求采用雙軸水泥攪拌樁、三軸水泥攪拌樁或旋噴樁。

鉆孔灌注樁的優點包括受力性能可靠、工藝成熟，剛度可通過樁徑靈活調整，施工速度較快；對于規模較大的基坑其造價一般可比地下連續墻（兩墻合一）節省約20%～30%；作為非擠土樁，灌注樁施工對周邊環境影響小；鉆孔灌注樁后設三軸水泥土攪拌樁止水，止水性能較好。

鉆孔灌注樁的不足之處在于其剛度與相應地下連續墻相當時，整體性卻不如后者，實際施工中，圍護結構及周圍地層變形也要比地下連續墻大；水下混凝土澆筑是保證灌注樁樁身質量的關鍵工序，受力穩定性依賴于現場施工質量，大直徑鉆孔灌注樁施工可靠性較差，樁徑大于1m時，不能采用常規GPS 鉆機施工；鉆孔灌注樁自身不具備擋水性，需另設止水帷幕；施工產生的廢棄泥漿存在環境污染風險，需按相關規定采取現場干化處理。

（2）地下連續墻

對開挖深度超過15m 或不超15m 但周邊環境保護要求較高的基坑，宜采用地下連續墻圍護體形式，在上海地區是一種傳統和成熟的圍護形式。

地下連續墻具有剛度大，整體性好的優點，其施工工藝成熟，成墻質量可靠，施工風險較小。從對周邊環境保護角度來講，剛度相當的地下連續墻和鉆孔灌注樁，地墻的整體剛度表現的效果更好，圍護結構體變形和周圍地層的位移、沉降均較小，尤其適合周邊環境保護要求較高、基坑開挖較深的基坑工程。此外地下連續墻圍護結構不需要再單獨設置防滲樁，僅在墻幅之間作防滲處理，既擋土，又防滲。

地下連續墻的缺點在于其圍護結構造價通常較常規鉆孔灌注排樁高，且鋼筋加工場、大型施工設備等占用場地大，施工面協調難度高。地墻的成槽、導墻施工對周邊環境影響較大。若采用“兩墻合一”方案，地下室應按照地墻外邊線退界，損失地下使用面積。

圖2 鉆孔灌注排樁+止水帷幕圍護示意圖

圖3 地下連續墻圍護示意圖

4、圍護結構設計比選

4.1 圍護結構設計參數

（1）鉆孔灌注樁+三軸水泥土攪拌樁止水帷幕方案

普挖區圍護樁采用鉆孔灌注樁Φ1000@1200，樁長29.0～33.0m；變電站區域適當增加圍護體系剛度，采用鉆孔灌注樁Φ1200@1400，樁長 31.0m。止水帷幕為三軸水泥土攪拌樁Φ850@600，套接一孔施工，水泥摻量 20%，樁長 21m。豎向設置三道水平鋼筋砼支撐，從上至下支撐截面分別為1000×800、1200×900、1200×800。坑內被動土體采用Φ850@600 三軸水泥土攪拌樁進行墩式加固，加固寬度5.65m；坑底以下強加固厚度4m，水泥摻量 20%，坑底以上弱加固至第一道支撐底，水泥摻量10%；被動土體加固與圍護樁之間縫隙采用Φ800@600 旋噴樁充填。

（2）地下連續墻方案

普挖區地墻厚800mm，墻長 29.0～33.0m；變電站區域適當增加圍護體系剛度，墻厚增加到1000mm，墻長 31.0m。地墻內、外兩側設置槽壁加固，采用三軸水泥土攪拌樁Φ850@600，水泥摻量 20%。內側槽壁加固樁長約18m，搭接250mm 施工；外側槽壁加固樁長 21m，套接一孔施工。地墻槽段范圍應進行地坪硬化并設置導墻。支撐布置及坑內加固做法同排樁方案。

4.2 圍護結構內力、變形計算

采用豎向彈性地基梁法按水土分算原則進行計算，土層c、φ 值均采用固結快剪峰值指標，地面超載取20kPa，鄰近建筑物超載按實際情況考慮。各工況包絡計算結果見表2。

表2 鉆孔灌注樁方案典型剖面計算結果匯總表

由上表可以看出，鉆孔灌注樁圍護結構各項指標均滿足規范要求。地下連續墻方案內力及穩定性計算結果與排樁相近，墻體位移較排樁減小1～2cm。

4.3 環境影響有限元數值模擬算

本工程東北角2F 變電站環境保護要求較高，僅用規范方法無法有效計算基坑開挖對其影響情況。且鉆孔灌注樁圍護結構整體性不及地下連續墻，若采用此方案，應通過有限元數值模擬的方法，補充基坑開挖對鄰近建筑影響的數值模擬分析。

本次數值模擬軟件采用Plaxis，分析計算模型中包含土體、圍護結構、坑內加固、支撐體系、鄰近建（構）筑物等結構，其中土體采用適用于上海軟土層的小應變硬化土模型本構關系（HS-small 模型），土體材料采用彈塑性模型模擬，計算單元選用精度較高的三角形15 節點單元；其他混凝土結構構件采用線彈性模型模擬。模型水平方向總長取120m，豎直方向取地表以下50m。模型左側邊界施加固定水平向位移約束，右側邊界施加對稱約束，底部邊界施加固定水平、豎向位移約束邊界條件。降，始終保持著坑底以下1.0m 處。變電站區域位移矢量見下圖4，模擬變形結果匯總見表3。

圖4 圍護樁測斜位移矢量圖（左）、變電站位移矢量圖（右）

表3 模擬變形結果匯總

通過上述模擬結果可以看出，變電站區域最大附加變形滿足規范要求。

4.4 圍護結構工期造價對比

經過上述圍護結構截面設計與分析計算，初步確定兩種方案圍護體布置情況及深度要求，對成本比較敏感的主要材料用量及造價進行統計，結果詳見下表4。

由上表4 可以看出，采用灌注樁方案工程造價可節省約1470 萬，經濟性優勢較為明顯。另外結合此類項目工程經驗，灌注樁作業機械設備較為靈活，利于施工面的管理和協調，且工序相對簡單可控，可通過增加樁架提高成樁效率，從而縮短工期。通常類似體量項目其工期往往較地墻方案縮短約1 個月左右。

表4 圍護方案造價估算對比表

結語：

“十四五”時期，在綠色地產新理念的引領下，因地制宜、節能減排的開發思路越發得到推廣。本項目通過前期完善的方案比選，在滿足基坑安全和環境保護要求的前提下采用排樁方案，節約了大量圍護工程量和工期，減少了廢棄建材的產生，實現了安全環保、降低污染的開發目標。目前本工程已順利通過市科技委專家論證，相關方案分析比選經驗供同類項目基坑工程設計和管理參考借鑒。