軟土地區復雜邊界條件群坑支護設計及施工研究

文／汪源 上海陸家嘴金融貿易區開發股份有限公司 上海 200126

引言：

隨著國家經濟建設的發展，絕大部分工程在考慮規劃建設需要下都是成片開發，基坑面積通常較大[1,2]。如上海中心大廈基坑面積為3 萬m2、深度為33m，陸家嘴中心大廈基坑面積為4.6 萬m2、深度為14m，靜安嘉里中心基坑面積為3.8 萬m2、深度為25m。這些大型綜合體建筑除主體結構的地下室外，外還附帶裙房地下室、下沉廣場、軌交連通道等地下設施，引起軟土地區復雜邊界條件超大型群坑支護設計和施工等問題，給地下空間開發帶來了新的挑戰。

為保護周邊環境，當前超大型軟土深基坑的施工，采取分坑支護、分區施工的工藝。把一個大型基坑劃分成多個分區，分區與分區之間通過圍護結構進行分隔，然后根據現場情況、工程建設需要、施工方案等依次施工各個分區地下結構。這種做法有助于減小基坑變形，但也造成了工序復雜，并且支護體系傳力難以連貫，施工工期長、環境影響大等問題[3-5]。

群坑支護設計和施工是軟土地區復雜邊界超大型基坑工程能否高效、安全建造的關鍵性環節。確定適宜的深基坑支護形式、合理安排分坑之間的施工順序、支撐結構的選型等對確保基坑及周邊環境安全至關重要，值得進行深入細致的分析研究。針對軟土地區復雜邊界條件群坑支護設計及施工關鍵技術，具有重要的現實意義和應用價值[6-7]。

本文基于上海市某深基坑項目，通過數值模擬和工程實踐等手段，開展對軟土地區復雜邊界條件群坑施工承壓水控制關鍵技術的研究，可為相似工程提供參考。

1、工程概況與水文地質條件

1.1 工程概況

本工程為前灘21-02 及21-03 地塊項目，建設基地位于浦東新區東方體育中心東南側，場地東、西兩側為濟陽路、東育路，南、北側為海陽西路、楊思西路。本工程21-02 及21-03 地塊統籌共建，兩個地塊基坑總開挖面積約為5.8 萬m2。根據開發進度，結合周邊環境保護要求，基坑分為18 個區先后交叉施工，其中1a ～1d 區、2a ～2b 區、3a ～3b 區地下四層，4a ～4e 區、5a ～5d 區地下二層，3c 區為地下一層（圖1）。

圖1 項目基坑工程概況

1.2 水文地質條件

場地屬于濱海平原地貌，場地地形較平坦，實測地面標高4.28 ～6.25m。主要組成為砂土、粘性土和粉性土，土層分布從上到下依次為：①雜填土（層厚1.20m ～5.60m）、②粉質粘土（ 層厚0.70m ～3.40m）、③淤泥質粉質粘土 （ 層厚1.60 m ～1.90m）、③t 灰色粘質粉土（ 層厚1.50m ～3.20m）、④灰色淤泥質粘土（層厚5.20m ～8.50 m）、⑤灰色粘土（層厚2.20m ～3.10m）、⑤2-1灰色砂質粉土夾粉質粘土（層厚8.90m～10.10m）、⑤2-2灰色粉砂（層厚7.50m ～11.10m）、⑤3灰色粉質粘土夾粉性土（層厚10.90m ～12.10m）、⑦1灰色粉砂（層厚2.00m ～4.20m）、⑦2灰色粉砂（層厚3.00m ～6. 20 m）。

表土層的地下水為潛水， 穩定水位埋深介于0.60～1.60m之間（相應標高3.82～5.62m之間）。⑤2-1層、⑤2-2層為微承壓水含水層，第⑦層（第⑦1層和第⑦2層）第⑨層分別為第I、第II 承壓含水層。本工程各分區基坑均需要抽降⑤2-1層和⑤2-2層微承壓水，因此本工程外圍地下連續墻隔斷微承壓水。工程地下二層以及地下四層普遍區域均不需要抽降⑦層承壓水，僅塔樓局部深坑開挖階段需要抽降第⑦2上層承壓水。

2、支護結構設計

2.1 基坑分區籌劃

基坑總開挖面積約為5.8 萬m2，分為18 個區先后交叉施工，各分區面積如表1 所示。

表1 基坑信息匯總表

2.2 圍護結構設計

（1）考慮到本工程周邊環境復雜，地下四層基坑的外圈地下墻加深至55m，進入相對隔水層⑦2t，以減小降壓對環境的影響。

（2）本工程地下四層外圈地下墻需要有效隔斷微承壓水，采用十字鋼板接頭以加強止水效果。

（3）為確保外圍地墻施工質量，防止地墻成槽塌壁導致周邊土體變形過大，并加強基坑開挖階段圍護結構的止水有效性，在外圈地下墻（鄰地鐵和鄰道路側）兩側設置了Ф850 三軸攪拌樁槽壁加固。同時，地鐵保護范圍內地墻接縫位置設置MJS 旋噴止水予以加強。

2.3 支撐體系設計

（1）地鐵保護區范圍內的大坑1a、1c、1d/2a 和3a 區，采用五道混凝土支撐。

（2）地鐵保護區外的大坑1b、2b 和3b 區采用四道混凝土支撐。

（3）基坑地下二層區域包括4a ～4e 區及5a ～5d 區，采用一道混凝土支撐+兩道鋼支撐的形式。鋼支撐布置結合地墻分幅，每幅地墻設置兩根鋼支撐，不設圍檁，可以做到快速施工。另外，為控制該區域底板施工階段基坑的側向變形，坑內設置300mm 厚加強墊層。

（4）3c 區為地下一層，采用一道混凝土支撐+一道鋼支撐的形式。

2.4 坑內加固設計

本工程場地③層、④層、⑤1層和⑤3層土層軟弱，流變性大，為控制基坑變形，擬采用如下坑內加固方案：

（1）地下四層分區基坑鄰近地鐵8、6、11 號線盾構隧道側，采用10m 寬Φ850 三軸攪拌樁裙邊。

（2）地下四層分區基坑鄰濟陽路能源管側，設置12m寬Φ850 三軸攪拌樁裙邊加固。鄰東育路側，設置8m 寬Φ850 三軸攪拌樁裙邊加固。

（3）4a ～4e 區、5a ～5d 區基坑緊鄰運營地鐵盾構隧道，采用Φ850 三軸攪拌樁滿堂加固。

2.5 基坑開挖對周邊環境的影響

2.5.1 計算假定

采用有限元法，計算基坑周邊土層應力和位移。模型范圍為基坑周圍約135m 范圍內的土體。圍護和支撐結構采用彈塑性BEAM 單元，土體采用十五節點平面單元及硬化土（HS）模型。計算模型及對應平面位置如圖2 所示。

圖2 平面位置及1-1 剖面計算模型

2.5.2 計算結果

計算結果如表2 所示，周邊地鐵及管線變形均處于安全可控狀態。

表2 基坑開挖對周邊影響

3、施工關鍵工藝

3.1 基坑施工總體流程

（1）首先開挖1a、1c 區，待其第三道支撐完成且達到強度后再跟進施工1b 和1d 區。

（2）待1a、1c 區地下室結構完成后開挖2a 區；待1b、1c 和1d 區地下室結構完成后，開挖施工2b 區。

（3）待2a 區地下室結構完成后，開挖3a 區；待2a 區和2b 區地下室結構完成，開挖施工3b 區。

（4）待2a 區地下室結構完成后依次開挖5a 和5b 區，待3a 區地下室結構完成后依次開挖5c 和5d 區。

（5）待1c 區地下結構完成后開挖4b 區、待1d 區地下結構完成后開挖4d 區；待4b 和4d 區地下室結構完成后開挖4a、4c、4e 區。

3.2 支撐結構施工

3.2.1 鋼筋混凝土支撐施工

（1）根據開挖順序分區澆搗，根據每次所能澆筑的支撐方量進行配置泵車。

（2）施工縫設置在1/3 跨內。

3.2.2 軸力補償鋼支撐施工

（1）本工程4 區域、5 區域第二、三道內對撐和角撐采用鋼支撐形式，局部鋼筋混凝土連梁。

（2）鋼支撐的根據鋼管支撐的構件模數布置。

（3）支撐的安裝利用鋼立柱托架梁作支撐安裝的擱置點，將預拼好的Φ609 鋼管對接，對接時要拉通線控制直線度。定位時要校對定位、標高與預測安裝位統一。

3.3 圍護結構施工

（1）本項目地下連續墻僅作為圍護結構，采用800、1000、1200mm 厚地下連續墻，混凝土等級為水下C35，抗滲等級為P8。

（2）本項目C1 型、C3 型～C5 型及F 型地下連續墻采用圓形鎖口管柔性接頭，其余類型地下連續墻均采用十字鋼板剛性接頭。

（3）地下連續墻垂直度控制為1/300，清孔后的成槽深度與設計深度的誤差為0 ～+100mm。

4、監測結果及分析

根據基坑開挖深度及周邊環境，確定本基坑安全等級為一級，鄰地鐵側及能源管側環境保護等級為一級，其余側環境保護等級均為二級。監測檢測數據顯示地鐵沉降監測、周邊管線沉降和地墻水平位移均滿足安全要求，基坑開挖過程對周邊環境影響亦較小，說明本超大型群坑支護設計和施工實施效果良好（圖3 ～圖6）。

圖3 6 號線（上行線）沉降

（1）地鐵沉降監測

（見圖3、圖4）

圖4 6 號線（下行線）沉降

（2）周邊管線沉降

（見圖5）

圖5 電力管線沉降監測

（3）地墻水平位移

（見圖6）

圖6 地墻水平位移X1（左）和X2（右）

結語：

（1）結合施工可行性、基坑周邊環境保護及項目開發進度等要求，對軟土地區超大型群坑的分區方案、加固、開挖順序等進行了詳細策劃，基于數值計算結果驗證設計方案的合理性。

（2）實測地墻水平位移、地鐵及周邊管線沉降等數據進一步驗證了方案的合理性。

（3）合理設計基坑分區、策劃基坑各分區施工的流程工藝，既可以有效滿足設計安全需要，又可以減少對項目工期、周邊環境的影響。