軟土地區(qū)超大深基坑工程圍護及支撐體系選型分析

孔維耀

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

隨著城市用地日益緊張，人們開始大規(guī)模開發(fā)利用地下空間，涉及基坑的工程日益增多，且基坑的規(guī)模、深度、主體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度均日趨增大，為此基坑工程的設(shè)計就愈加重要[1]。基坑工程設(shè)計中的首要任務(wù)就是確定圍護結(jié)構(gòu)和支撐體系，這不僅關(guān)系到施工難易和工程造價，更關(guān)系到工程安全和支護效果[2]。

為此，本文以某污水處理廠地下一體化箱體基坑工程為例，分析闡述了軟土地區(qū)超大深基坑工程圍護及支撐體系的選型設(shè)計，為類似基坑工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

1.1 場地概況

上海市區(qū)內(nèi)某全地下污水處理廠采用一體化箱體結(jié)構(gòu)，基坑長和寬分別為350.0m和349.0m，基坑面積為122 150 m2，周長為1 398.0m。根據(jù)水處理工藝流程不同和基坑深度不同，從西往東大致可分為兩個深度區(qū)域：污泥處理區(qū)域A和生反池區(qū)域C，深度為17.5 m；進水區(qū)域B和二沉池及深度處理區(qū)域D，深度為14.3 m（見圖1）。

圖1 基坑深度及分區(qū)示意圖

該基坑不僅面積超大、深度深，而且周邊環(huán)境較為復(fù)雜。如圖2所示，基坑北側(cè)緊鄰規(guī)劃路，現(xiàn)狀為單層廠房和簡易棚，距離基坑約24.8～26.8 m；基坑西側(cè)為現(xiàn)狀道路，路邊線距離基坑約17 m，路對面為單層廠房和低層磚混結(jié)構(gòu)建筑；基坑南靠聯(lián)誼路，距離基坑邊線約22 m；基坑?xùn)|側(cè)為30 m寬高壓走廊帶，高壓電塔距離基坑約25 m。上述已有道路下面均有給水、通信、雨水、電力管道。

圖2 基坑周邊環(huán)境示意圖

綜上所述，考慮周邊環(huán)境、開挖深度、場地工程地質(zhì)條件以及方便施工等因素，按照上海市工程建設(shè)規(guī)范《基坑工程技術(shù)規(guī)范》（D G/T J08-61—2010）[3]中規(guī)定，該工程基坑安全等級為一級，環(huán)境保護等級為二級。

1.2 工程地質(zhì)概況

該工程所在場地屬濱海平原地貌類型，場地基本平坦，根據(jù)地勘報告，基坑開挖深度及基坑圍護影響深度范圍內(nèi)土層的有關(guān)參數(shù)見表1。

表1 土層物理力學指標

1.3 水文條件

擬建場地淺部地下水屬潛水類型，補給來源主要有大氣降水入滲及地表水逕流側(cè)向補給，年平均地下水水位埋深離地表面0.5～0.7 m。潛水水位呈季節(jié)性波動，地下水靜止水位埋深一般為0.25～2.90 m。根據(jù)水文地質(zhì)勘察資料及勘察報告，⑦層、⑧1-1層、⑧2層、⑨層為（微）承壓含水層。

2 基坑工程特點及主要風險源分析

（1）超大面積基坑支撐布置。該工程一體化構(gòu)筑物基坑面積達12.2萬m2，基坑支撐工程量大，合理的支撐布置和設(shè)計一方面要保證基坑安全和穩(wěn)定，另一方面要便于基坑開挖和結(jié)構(gòu)施工。這是該基坑工程設(shè)計的核心問題。

（2）水處理構(gòu)筑物的水平樓板層高較大，基坑換撐困難。構(gòu)筑物地下一層的層高為6.5 m左右，地下二層最大層高達10.3 m左右，底板標高變化多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拆撐后圍護墻內(nèi)力和變形均比較大。這是該基坑工程設(shè)計的重點問題。

（3）合理處理地下水及軟弱土層?；娱_挖深度深，其中生物反應(yīng)池區(qū)域基坑深度達到17.5 m，該區(qū)域抗承壓水不滿足設(shè)計要求，需采用切實有效的降承壓水處理措施。這是該本基坑工程設(shè)計的關(guān)鍵問題。

（4）基坑圍護方案在確保基坑工程安全、達到周邊環(huán)境保護要求的同時，如何提高經(jīng)濟性以及施工的方便性、縮短基坑工程工期也是該基坑工程業(yè)主所關(guān)心的主要問題。

為此，本文將結(jié)合上述幾大問題，詳述該基坑工程圍護及支撐體系的選型。

3 基坑圍護及支撐體系選型

3.1 基坑總體設(shè)計方案比選

根據(jù)類似基坑工程的經(jīng)驗，結(jié)合該工程特點，可選擇的總體設(shè)計方案有“整體順作”“分區(qū)順作”和“蓋挖逆作”等。

3.1.1 整體順作

該工程基坑開挖面積大，基坑開挖深度深，基坑單邊長度達到350 m，如采用整體順作，支撐長度長，一次性卸荷量大且工期長，基坑變形、基坑隆起量大，基坑開挖的影響范圍也大，無法保證對周邊環(huán)境的保護。因此該基坑工程不適合采用“整體順作”。

3.1.2 分區(qū)順作

該基坑工程“分區(qū)順作”可按以下原則進行：

（1）結(jié)合工藝布置，根據(jù)基坑深度劃分施工區(qū)。

（2）綜合考慮每塊開挖面積取20 000m2左右。

（3）結(jié)合拆遷進度，具有開工條件的區(qū)域考慮分為一個區(qū)先行施工。

3.1.3 蓋挖逆作

根據(jù)該工程特點，可考慮利用中間層板和頂板作為水平支撐采用蓋挖法施工。一方面可以節(jié)省支撐工程量，節(jié)約造價和工期；另一方面兩層樓板水平剛度大，可以控制圍護墻的變形，提高基坑開挖的安全性。

綜合考慮該基坑工程的安全性、經(jīng)濟性和工期來比選，最終選定“蓋挖逆作”設(shè)計方案，具體為：先行施工中間層板，利用該層樓板作為一道支撐，然后施工該層以上部分及頂板，利用中間層板和頂板預(yù)留洞口出土并繼續(xù)開挖至坑底。

3.2 圍護體選型

基坑圍護體選型往往帶有較強的地域性，與當?shù)毓こ痰刭|(zhì)及水文地質(zhì)條件、施工機具、經(jīng)驗等有很強的相關(guān)性。根據(jù)該地區(qū)已建或在建的類似深基坑工程經(jīng)驗，該基坑的圍護體可以選擇的有鉆孔樁和地下連續(xù)墻[4]。

鉆孔灌注樁適于開挖深度超過10 m的基坑，并配合施工止水帷幕。該圍護體造價較低、工藝成熟、質(zhì)量可靠、施工周期較短[6]；缺點則是墻體總厚度較大[5]。

地下連續(xù)墻具有剛度大，、可有效控制基坑變形、止水效果好以及施工工藝成熟等諸多優(yōu)勢。近年來在周邊環(huán)境保護要求高或基坑開挖深度較深的基坑工程中得到了大量的應(yīng)用。地下連續(xù)墻可以僅作為臨時圍護結(jié)構(gòu)，也可兼作地下室外墻，具有擋土、防水和承載的功能。其缺點則是單價較高、工藝相對復(fù)雜、施工要求較高、周期相對長。

根據(jù)實際工程經(jīng)驗，當軟土地區(qū)中基坑開挖深度在超過15 m時，“兩墻合一”地下連續(xù)墻是較為經(jīng)濟合理的圍護型式。該基坑工程采用“兩墻合一”型式地下連續(xù)墻作為基坑圍護體，即地下連續(xù)墻作為基坑圍護體擋土止水的同時，還作為地下室的結(jié)構(gòu)外墻，地墻進入⑧1-2層，切斷坑內(nèi)外水力聯(lián)系。

3.3 支撐體系選型

3.3.1 支撐材料選擇

深基坑工程中水平支撐主要有鋼筋混凝土支撐以及鋼支撐兩種型式。

鋼筋混凝土內(nèi)支撐具有剛度大、變形小的特點，對減少圍護體水平位移并保證圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定具有重要作用。同時混凝土支撐施工適用性強，可適用于各種復(fù)雜形狀和基坑面積超大的基坑工程。采用鋼筋混凝土支撐體系，第一道支撐又可作為施工中挖、運土用的棧橋，方便了施工又降低了施工措施費。

鋼支撐一般采取正交、對撐的型式進行布置，在條形基坑中，對支撐本身受力和控制基坑變形都比較有利。采用鋼支撐施工方便，支撐形成速度快，可以大大減少圍護體無支撐暴露的時間。同時拆除也較為方便，可以加快整體施工進度。采用鋼支撐體系，需設(shè)置獨立的施工棧橋，在一定程度上增加了工程造價。同時面積較大的基坑采用鋼支撐則不利于控制基坑變形和環(huán)境保護。

綜上所述，由于該工程基坑面積超大、深度較深，不宜采用鋼支撐，均采用鋼筋混凝土支撐體系。

3.3.2 支撐平面布置選型

鋼筋混凝土支撐體系可采用對、角撐布置型式或者圓（環(huán)）形支撐的布置型式（見圖3和圖4），兩種支撐體系從結(jié)構(gòu)受力以及變形控制角度來看均可行。兩種支撐體系各有特點。

圖3 對（角）支撐體系圖

圖4 環(huán)形支撐體系圖

3.3.2.1 對撐+角撐支撐體系

（1）受力明確。通過中部設(shè)置對撐、角部設(shè)置角撐，基本上可控制基坑中部圍護體的變形，各個區(qū)域的受力均很明確，且相對獨立。

（2）第一道支撐部分區(qū)域可作為施工棧橋。第一道支撐對稱部分區(qū)域可作為施工中挖、運土用的施工棧橋，增大了施工操作面，加快了出土效率，方便施工并可降低施工措施費。

（3）大面積基坑工程中，對撐的支撐剛度受混凝土收縮影響較大。在大面積基坑工程中，由于基坑邊長較大，水平支撐的長度可能達到數(shù)百米以上，而混凝土澆筑后會產(chǎn)生一定的收縮，因此超長支撐可能會產(chǎn)生較大的收縮變形。

3.3.2.2 圓形支撐體系[7]

（1）結(jié)構(gòu)受力性能合理。采用以水平受壓為主的圓形支撐型式，能夠充分發(fā)揮混凝土材料優(yōu)越的受壓特性，而且具有剛度大和變形小的特點。

（2）挖土空間大。圓形支撐體系的布置型式形成的無支撐面積較大，為挖土的機械化施工提供了良好的多點作業(yè)條件，可提高挖土速度和縮短深基坑的挖土工期。

（3）對施工質(zhì)量及土方開挖要求較高。圓形支撐體系具有極高的整體受力要求，施工時必須保證圓環(huán)曲率及平整度，施工難度較大；此外，從圓形受力應(yīng)均勻的要求來看，該支撐體系對土方開挖也提出了較高的要求，土方開挖須分塊、對稱、均勻，保證圓環(huán)受力均勻。

3.4 基坑圍護及支撐設(shè)計方案

綜合上述針對基坑圍護及支撐體系選型分析，結(jié)合該工程基坑特點，最終確定該基坑工程設(shè)計方案如下：

基坑總體采用“蓋挖逆作”法施工，圍護采用“兩墻合一”地下連續(xù)墻，支撐體系結(jié)合永久中間層板和頂板布置，預(yù)留出土口，利用出土口逆作開挖，如圖5所示。豎向共設(shè)置三道（局部落深區(qū)域四道）支撐，其中兩道是結(jié)合永久樓板設(shè)置。

圖5 基坑總體方案平面布置圖

該方案支撐體系剛度大，基坑開挖過程中的變形及周邊環(huán)境能夠得到充分保證，施工過程中產(chǎn)生的廢棄物較少，施工工期較短，經(jīng)濟合理。

4 結(jié)語

本文以某污水處理廠地下一體化箱體基坑工程為例，分析闡述了軟土地區(qū)超大深基坑工程圍護及支撐體系的選型設(shè)計，從安全性、支護效果、施工難易、工程造價等方面對比研究了不同設(shè)計方案的適用性及優(yōu)劣，提出了適于該基坑工程的設(shè)計方案，為類似工程提供借鑒及參考。

參考文獻：

[1]劉國彬,王衛(wèi)東.基坑工程手冊（2版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[2]王雷.超大深基坑支護選型問題探析[J].江西建材,2017（3）:82-83.

[3]D G/T J08-61—2010,基坑工程技術(shù)規(guī)范[S].

[4]李友生.某超大深基坑支護體系的選型分析[J].西部探礦工程,2012,24（8）:10-14.

[5]姚愛軍,張新東.不對稱荷載對深基坑圍護變形的影響[J].巖土力學,2011（S2）:189-192.

[6]汪增超,朱愛軍.基坑支護形式選型與優(yōu)劣研究[J].黑龍江科技信息,2016（35）：236-237.

[7]王建中,周光熙.對基坑環(huán)形支撐系統(tǒng)的幾點探討[J].巖土工程界,2008,11（9）：37-40.