不等深大面積深基坑工程同步開挖的設(shè)計實踐

周 婉

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

隨著國家推進城市化建設(shè)的步伐不斷加快，在土地資源日益短缺的形勢下，結(jié)合城市建設(shè)，進行大型地下空間的改造和開發(fā)成為一種必然[1]。在建設(shè)過程中，為適應建筑功能需求，地下空間的開挖深度往往不是單一的，各地下空間的開挖深度差異性較大。在施工過程中，開挖深度不同的基坑支護結(jié)構(gòu)受力與變形往往比開挖深度一致的基坑要復雜得多，如何選取合理的支護設(shè)計措施及施工工序，在實現(xiàn)圍護結(jié)構(gòu)受力合理性與基坑開挖整體穩(wěn)定性的同時，加快施工工期、節(jié)約工程造價并保證施工質(zhì)量，是基坑工程設(shè)計與施工的重點。本文以軟土地區(qū)某一深基坑工程案例為背景，對基坑不等深同步開挖的設(shè)計思路進行探討分析，以期為類似工程的實施提供有益的參考。

1 工程背景

上海閔行區(qū)體育活動中心新建工程位于閔行區(qū)江川街道區(qū)域，占地面積為27 618 m2，擬建建筑為地標型公共體育中心，是以地下1層頂板為大底盤的四塔結(jié)構(gòu)，四塔均為1層框架結(jié)構(gòu)，地下室部分區(qū)域為1層，部分區(qū)域為2層，用作地下車庫以及各類運動場館等，基礎(chǔ)形式為承臺/筏板＋樁基。

本工程基坑總面積約2.07萬 m2，周長603 m，地下1層區(qū)普遍挖深6.05 m/6.30 m，地下2層區(qū)普遍開挖深度9.80 m?？窟吷羁訁^(qū)域降深1.30～1.45 m?；悠矫嫘螤畲笾鲁什灰?guī)則矩形，局部陽角較多，基坑整體外觀及周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1 基坑周邊環(huán)境示意

1.1 周邊環(huán)境概況

基地東側(cè)和南側(cè)鄰近已建城市道路，車流量密集，路面下均布置有一定數(shù)量的市政管線，其中信息管線距離坑邊最近13.1 m；基地西側(cè)為擬建的上海市第五人民醫(yī)院新建綜合樓與宿舍樓，現(xiàn)已施工完畢工程樁，其上部結(jié)構(gòu)距坑邊最近8.2 m；基地北側(cè)為“金銘福邸·四期”高層住宅區(qū)，距坑邊最近18.2 m。周邊環(huán)境較為復雜，在基坑設(shè)計與施工中需對西側(cè)在建工程重點保護。

1.2 工程地質(zhì)概況

地勘報告顯示，擬建場地位于濱海平原地區(qū)，主要由飽和黏性土、粉性土組成，土層分布差異較大，場地內(nèi)土層從上至下依次為①雜填土、②粉質(zhì)黏土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂、③夾黏質(zhì)粉土、④淤泥質(zhì)黏土、⑤黏土、⑥粉質(zhì)黏土。

其中：場地淺部普遍分布的①層土，成分復雜，土質(zhì)松散，局部區(qū)域較厚，對工程施工影響較大；基坑開挖深度范圍內(nèi)存在的③層和④層土，為上海地區(qū)典型軟土層，流塑狀態(tài)，壓縮性高，抗剪強度低[1]；場地深部⑦1層土屬本工程承壓水含水層，承壓水頭埋深在3～12 m，經(jīng)驗算，基坑的抗承壓水穩(wěn)定性能滿足規(guī)范要求。

2 基坑支護方案設(shè)計

本工程屬于軟土地區(qū)大面積深基坑工程，基坑開挖深度不等，需要根據(jù)實際情況選取合理的設(shè)計方案確保基坑開挖的安全性、施工過程的可行性與方便性，同時盡可能地節(jié)省工期、降低造價。

2.1 總體設(shè)計方案選取

綜合考慮周邊環(huán)境及空間條件、施工便捷及經(jīng)濟性等因素，本工程優(yōu)先采用明挖順作法施工。

在上海軟土地區(qū)，針對不等深的相鄰基坑，常用的土方開挖方案有以下2種：

1）先深后淺，分區(qū)開挖：即深、淺區(qū)分別獨立圍護，在深區(qū)完成地下結(jié)構(gòu)施工后再進行淺區(qū)的開挖施工，利用時空效應原理減少基坑大面積暴露的時間和空間，降低對周邊環(huán)境的影響。本工程地下2層區(qū)基坑形狀不規(guī)則，局部區(qū)域陽角較多，若仍采用常規(guī)的先深后淺施工方案，地下2層區(qū)支撐布置復雜將使得開挖出土困難，多處陽角應力集中將帶來局部失穩(wěn)風險，且設(shè)置深、淺區(qū)2套獨立臨時支護體系也將引起臨時圍護造價的增加。

2）同步開挖：即在基坑外圍設(shè)置1圈封閉的板式圍護體，內(nèi)部采用水泥土攪拌樁作為地下1層和地下2層區(qū)交界高差部位的加固圍護結(jié)構(gòu)；全坑豎向統(tǒng)一設(shè)置第1道水平支撐，地下2層區(qū)靠邊區(qū)域局部增設(shè)第2道水平支撐。在施工過程中，基坑可全面開挖，地下1層區(qū)基礎(chǔ)底板與地下2層區(qū)第2道水平支撐同時澆筑形成整體，之后繼續(xù)開挖施工地下2層落深區(qū)結(jié)構(gòu)，在其基礎(chǔ)底板施工完成后拆除第2道支撐并連通兩區(qū)地下結(jié)構(gòu)，最后拆除第1道支撐，完成整個地下室的施工。

綜合分析考慮，本工程采用同步開挖的施工方案是科學合理的。

2.2 基坑支護結(jié)構(gòu)

本工程整體采用板式支護體系：基坑周邊圍護樁選用剛度較大、利于基坑變形控制的鉆孔灌注樁，外側(cè)止水帷幕采用全面搭接、止水效果可靠、擠土效應小的φ850 mm三軸水泥土攪拌樁；坑內(nèi)豎向統(tǒng)一設(shè)置第1道鋼筋混凝土水平支撐，地下2層區(qū)增設(shè)第2道鋼筋混凝土支撐，采用對撐、角撐結(jié)合邊桁架的平面布置形式，以預留較大的作業(yè)空間方便土方開挖；內(nèi)部交界高差部位采用水泥土重力式圍護墻的加固結(jié)構(gòu)。

此外，為控制圍護體變形，加強基坑穩(wěn)定性，對被動區(qū)土體采用φ700 mm@500 mm雙軸水泥土攪拌樁進行墩式加固，對坑內(nèi)局部落深大于1.50 m的電梯井等區(qū)域采用φ700 mm@500 mm雙軸水泥土攪拌樁結(jié)合壓密注漿封底的加固處理。

同時，為控制本工程基坑拆撐工況變形對西側(cè)在建工程的影響，在西側(cè)區(qū)域局部增設(shè)HW400 mm×400 mm× 13 mm×21 mm@6 000 mm型鋼斜撐作為換撐傳力構(gòu)件。需待地下室各層結(jié)構(gòu)梁板及車道板澆筑結(jié)束并達到設(shè)計強度，且地下室周邊密實回填后，方可拆除臨時換撐。基坑同步開挖的施工工序如下：

1）整平場地，進行圍護結(jié)構(gòu)施工及土體加固。

2）對基坑進行預降水后，開挖表層第1皮土方，澆筑施工首道水平支撐。

3）地下1層區(qū)待首道撐達到設(shè)計強度后，土方開挖至基底，及時澆筑混凝土墊層，施工底板并設(shè)置底板換撐板帶；地下2層區(qū)待首道撐達到設(shè)計強度后，土方開挖至第2道支撐底，澆筑施工第2道支撐。

4）地下1層區(qū)進行地下室結(jié)構(gòu)施工；地下2層區(qū)待第2道支撐達到設(shè)計強度后，開挖土方至落深區(qū)基底，及時澆筑混凝土墊層，施工底板及其換撐板帶。

5）地下2層區(qū)待底板達到設(shè)計強度，并架設(shè)型鋼斜撐后，拆除第2道支撐。

6）地下2層區(qū)施工B1層結(jié)構(gòu)梁板，設(shè)置換撐，交界處與地下1層區(qū)基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)連通。

7）待底板及地下2層區(qū)B1層結(jié)構(gòu)樓板達到設(shè)計強度，且地下2層區(qū)周邊回填至B1層樓板標高后，拆除基坑內(nèi)全部首道支撐。

8）施工完成地下室結(jié)構(gòu)并達到設(shè)計強度后，將地下室外墻與圍護體之間的空隙回填密實。

基坑的支護結(jié)構(gòu)典型剖面如圖2所示。

圖2 基坑支護結(jié)構(gòu)典型剖面

3 數(shù)值模擬分析計算

本工程采用巖土工程分析軟件Plaxis按平面應變連續(xù)介質(zhì)有限元方法分別對地下1層區(qū)靠近既有管線、地下2層區(qū)靠近高層住宅區(qū)域進行開挖過程的模擬分析，以預測對周邊環(huán)境附加變形的影響。土體采用常規(guī)的Hardening-Soil（硬化土）模型模擬，圍護結(jié)構(gòu)選用線彈性模型模擬，同時為減小模型邊界對分析結(jié)構(gòu)的影響，基坑外計算寬度按4～5倍基坑開挖深度取值，計算深度取坑底以下30～35 m，坑外均布置有施工超載20 kPa。根據(jù)工程項目實際情況采用中等粗糙程度網(wǎng)格對模型進行劃分，有限元模型如圖3、圖4所示。

圖3 地下1層區(qū)靠近既有管線處有限元模型

圖4 地下2層區(qū)靠近高層住宅處有限元模型

圖5給出了基坑開挖至基底時的變形計算結(jié)果。其中，地下1層區(qū)圍護樁的最大側(cè)移為11.3 mm，坑外既有管線最大沉降為0.6 mm；地下2層區(qū)圍護樁的最大側(cè)移為15.9 mm，高層住宅的沉降值最大為1.8 mm，影響很小。上述變形值均在規(guī)范要求的變形控制值范圍內(nèi)，且有一定余量[2-3]，表明本工程的設(shè)計方案能夠保證基坑土方開挖對周邊環(huán)境的影響滿足相應的基坑環(huán)境保護等級要求。

圖5 開挖至基底時圍護結(jié)構(gòu)變形矢量

4 結(jié)語

本工程屬于上海軟土地區(qū)不等深大面積基坑工程，設(shè)計以確?；影踩┕榍疤?，以施工便捷、節(jié)約工程造價為目標，采用了同步開挖的總體方案。相較于常規(guī)設(shè)計思路，該方案有效降低了由于地下2層區(qū)平面形狀不規(guī)則所帶來的局部應力集中與變形失穩(wěn)風險，結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換直接明確，施工便捷、可操作性強；節(jié)約了交界處圍護體及第2道支撐的工程量，經(jīng)濟效益顯著；交界處留縫較少，結(jié)構(gòu)整體性較好，安全性也有一定的保證。目前，該基坑工程正在有序施工。通過合理的土方分層分區(qū)開挖，并嚴格控制施工質(zhì)量，基坑整體處于穩(wěn)定、可控狀態(tài)。本工程的設(shè)計理念可為今后同類基坑工程提供參考。