某城市核心區軟土超深基坑支護設計方法與實踐

宗軍良

（上海黃浦江越江設施投資建設發展有限公司，上海市 200093）

0 引 言

近年來，隨著我國城市化的快速發展，城市內高樓林立，地下管線眾多，城市核心區的基坑建設也面臨著巨大的挑戰[1-2]。與傳統基坑相比，城市核心區深基坑周邊存在大量建（構）筑物，導致施工場地受限，環境保護要求也更加嚴格。基坑周邊管線眾多，基坑施工的難度與風險也大大增加。此外，地下水控制也是軟土地區基坑開挖的重難點，如果設計施工不當，可能存在坑底承壓水突涌等風險[3-4]。因此，研究適用于城市核心區軟土深基坑開挖的支護技術，對城市的可持續發展意義重大。

針對以上問題，眾多專家已開展了相關研究工作與工程實踐。王海成等[5-6]以武漢市某復雜環境下的軟土基坑工程為例，研究了復雜條件下軟土基坑設計的重難點與應對措施。居晨等[7]研究了常規的角撐加對撐的支護體系的受力特點，總結了位移和軸力等的變化規律。吳旭君等[8]以廣東某基坑支護工程為例，采用鉆孔護坡樁加預應力錨索的支護方案，有效解決了軟土基坑支護中流砂控制難題。劉合寨等[9]針對軟土地區深基坑支護的特點，介紹了大面積不規則深基坑支護的重難點，并指出控制基坑變形的關鍵在于合理布置支撐體系。付憲章等[10]通過研究軟土深基坑施工的力學特性，采用鉆孔灌注樁+ 大直徑預應力錨索的支護方案，有效控制了基坑及周邊建（構）筑物的沉降。李夕林等[11]采用地下連續墻加多道內支撐的方法，在城市核心區環境保護要求較高的情況下，嚴格控制了周邊環境的變形沉降。

上述研究從不同方面研究了復雜條件下軟土基坑的支護設計方法。本研究以上海市某工作井基坑工程為例，分析該工程難點及應對措施，采用地下連續墻加高壓旋噴樁加內支撐的支護方案，采用Plaxis 有限元軟件對基坑開挖進行模擬，并結合監測數據驗證支護方案的可靠性，對類似工程具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

1.1 基坑工程概況

該項目工作井位于中春路以東的蒲匯塘（現狀河道）南側，為盾構接收井。基坑呈長方形，開挖寬度約15～25 m，開挖深度約28 m。基坑周邊環境較為復雜，北側緊鄰蒲匯塘河道，周邊存在既有住宅、橋梁和駁岸結構，具體見表1、圖1。

圖1 穿越房屋平面布置圖

表1 基坑周邊環境情況說明

1.2 工程地質與水文地質條件

工程沿線屬于濱海平原地貌類型，場地總體平坦，標高在5.2～5.4m 左右。根據工程勘察結果，場地深度85m 以內分布的土層自上而下可劃分為九大層和若干亞層，其中①11層為雜填土，②1層～⑤1層為全新世Q4沉積層，⑥層～⑨層為晚更新世Q3沉積層。各土層空間分布及主要特性見表2。

表2 土層參數一覽表

本工程地下水主要包括潛水和承壓水。其中，地下潛水賦存于淺部土層中，水位埋深為2.1～2.3 m（高程3.15～2.93 m），受潮汐、降水量、季節、氣候等因素的影響而變化。承壓水賦存于⑦層、⑧1T層、⑨層，之間相互連通。

1.3 工程難點與應對措施

（1）管線保護

工程難點：根據物探報告基坑范圍內存在既有市政管線，基坑開挖之前大部分管線廢除，部分1 倍基坑深度范圍內中春路南北走向管線須改遷。

解決思路：嚴格按管線變形保護要求選擇合理的基坑圍護體系，并在施工期間做好管線的位移監測，確保將基坑和周邊管線的變形均在控制范圍內。

（2）建（構）筑物保護

工程難點：根據物探報告，鄰近基坑范圍周邊存在既有住宅、橋梁及駁岸結構，基坑開挖施工過程中環境保護要求較高。

解決思路：嚴格按建（構）筑物變形保護要求選擇合理的基坑圍護體系，嚴格控制基坑與周邊沉降變形，并在施工期間做好圍護結構位移監測。

（3）地下水控制

工程難點：擬建場地存在⑦層、⑧1T層和⑨層的承壓水層（相互連通），在基坑開挖過程中，可能存在坑底承壓水突涌等風險。

解決思路：開挖深度14 m 以上的基坑，對⑦承壓水層采取降承壓水措施；施工期間設置水位觀察井，嚴格監測施工期間的水位。

2 基坑支護方案

根據基坑安全等級和環境保護等級，結合工程范圍內地質條件和上海地區成熟的施工經驗，綜合考慮施工周期、經濟性和技術可行性，合理選擇基坑圍護和支撐方案。

2.1 支護體系

為了確保基坑圍護體系的穩定，本工程選用整體性好、剛度大、受力好、對控制位移有較大作用的內支撐體系：工作井基坑采用5 道鋼筋混凝土支撐。首道支撐尺寸800 mm×800 mm，其余混凝土支撐尺寸分別采用1 000 mm×1 000 mm、1300 mm ×1 200 mm。鋼格構柱整體截面尺寸610 mm×610 mm，采用4L200×20 角鋼拼接，560×400×14@600 方形綴板焊接，格構柱插入立柱樁3.0 m；立柱樁采用φ1 000鉆孔灌注樁，格構柱在穿越結構底板范圍內需設置止水片。

由于本工程工作井基坑坑底位于⑥層粉質黏土層，為提高坑底被動區土壓力，減少基坑側壁變形和坑底隆起，工作井區段采用φ1 000@700 高壓旋噴樁加固，加固深度為每道鋼筋混凝土支撐下2.5 m。典型支護剖面圖如圖2 所示。

圖2 盾構姿態實時監控方案示意圖

2.2 基坑降水和排水

根據地質勘察報告，基坑范圍內存在相互連通的⑦1、⑦2承壓含水層，且由于基坑開挖較深，導致基坑范圍抗承壓水突涌穩定性要求在基坑施工期間均無法滿足，故基坑施工期間需長期大量抽降承壓水。為了減小降承壓水對周邊環境的影響，本工程采取“止降結合”的技術對策，增大承壓水的流通路徑。

基坑內外設置集水明排系統，主要包括排水明溝和集水井，使雨水和污水可及時排出基坑。排水明溝設置于坡頂周圍，坑內設置臨時排水溝和集水井。主要排水路徑為：先將坑內積水及井點降水排至集水井，再使用潛水泵將集水井中的水排至排水明溝，經沉淀后排入周邊道路的排水系統中。為不使實際開挖深度增加，坑內排水系統排水溝距離圍護結構至少2 m。

3 數值模擬分析

綜合考慮基坑開挖深度及周邊建（構）筑物距離，選取基坑各區段典型斷面，采用Plaxis 有限元軟件模擬計算工作井基坑開挖對蒲匯塘駁岸結構和寶靜置業房屋的影響。

本次基坑開挖對周邊環境的影響分析采用平面應變分析模型。本次分析模型主要包含土體、圍護體系、支撐體系、隧道結構等，水平方向為X 向，豎直方向為Y 方向。水平方向按照實際的基坑尺寸建模，模型兩側考慮一定的開挖影響范圍，水平方向總長取160 m。豎直方向綜合考慮圍護結構的設計長度，取地表以下55 m。基坑兩側邊界施加X 向位移約束，基坑底邊界施加X、Y 向約束。采用三角形單元模擬土體，采用梁單元模擬圍護體系、支撐體系和主體結構。

土體本構模型采用小應變硬化土（HSS）模型。該彈塑性模型能考慮軟黏土硬化特征，能區分加荷和卸荷的區別、其剛度依賴于應力歷史和應力路徑，能反映土體在小應變時的變形特征，主要參數見表2。圍護體系和主體結構采用線彈性模型。

3.1 蒲匯塘駁岸結構影響分析

本段基坑周邊主要構筑物為工作井北側蒲匯塘現狀駁岸結構，最近距離約10.6 m；工作井基坑開挖深度28 m，外包尺寸長25.4 m、寬24.4 m。采用1 200 mm 厚地下連續墻及5 道鋼筋混凝土支撐型式。

圖3 為工作井基坑開挖對駁岸結構影響的典型斷面計算模型，按照實際施工工況進行模擬。

圖3 駁岸結構影響計算模型

土體與駁岸結構位移如圖4 所示。分析結果表明，基坑鄰近駁岸豎向位移最大水平側移2.2 mm，沉降6.5 mm（基坑開挖）+3 mm（降水引起），小于10 mm，滿足駁岸結構沉降控制要求。

圖4 土體與駁岸結構位移

3.2 寶靜置業房屋影響分析

圖5 為工作井基坑開挖對鄰近建筑影響的典型斷面計算模型，選取最不利位置進行分析，基坑距離寶靜置業結構最近15.6 m，基坑開挖深度28 m。

圖5 鄰近建筑影響計算模型

土體與鄰近寶靜置業位移如圖6 所示。分析結果表明，基坑鄰近寶靜置業房屋結構豎向最大水平側移12.4 mm；沉降12.3 mm（基坑開挖）+2.5 mm（降水引起），小于20 mm；傾斜0.68‰，小于1‰，滿足建（構）筑物沉降與傾斜控制要求。

圖6 土體與鄰近建筑位移

4 基坑監測數據分析

為實時掌握基坑各組成部分的變形和周圍環境的變形情況，減少基坑開挖對周邊環境的影響，需要對基坑開挖全過程實施監測。主要的監測內容包括圍護樁墻頂的水平位移和豎向位移、圍護墻樁的深層水平位移、支撐立柱沉降、周邊建（構）筑物沉降。

根據現場基坑監測結果，基坑東側寶靜置業的最大沉降約為5.7 mm，駁岸最大沉降約為4.2 mm，均滿足結構控制要求。

圖7 顯示了變形趨于穩定后基坑典型剖面水平位移監測結果。從中可以看出，基坑南側、北側最大水平位移約45 mm，東側最大水平位移約23 mm，滿足規范要求。東側基坑變形較小是由于基坑西側與明挖段連接，剛度相對較高，對變形有一定的限制。由此可見，采用地下連續墻加高壓旋噴樁加內支撐的支護方法使本工程具有良好的可靠度。

圖7 基坑典型剖面水平位移圖

5 結 論

本研究以上海市蒲匯塘工作井基坑工程為例，分析該工程難點與應對措施，采用地下連續墻加高壓旋噴樁加內支撐的支護方案，采用Plaxis 有限元軟件對基坑開挖進行模擬，并結合監測數據驗證支護方案的可靠性。主要結論如下：

（1）對于基坑較深、周邊環境要求較高的基坑，選取地下連續墻加圍護樁加內支撐或其他類似基坑圍護方案是一個合適的選擇。

（2）采取“止降結合”的技術對策，增大承壓水的流通路徑，可有效減小承壓水降水對周圍環境的影響。

（3）采用數值模擬和監測數據對基坑圍護體系可靠性進行驗證，可為類似工程提供參考。