軟土地基超大型深基坑設(shè)計(jì)優(yōu)化及施工關(guān)鍵技術(shù)

胡董超 王洪 姜波 趙家耀

【摘要】現(xiàn)今大型無內(nèi)支撐深基坑圍護(hù)形式通常采用水泥土重力式擋墻，當(dāng)基坑土層屬于軟土層時，普通懸臂結(jié)構(gòu)易造成鉆頭無法工作，支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的豎向壓力較小。本文主要闡述在軟土地基下超大型深基坑采用內(nèi)插PRC雙排樁的支護(hù)體系，該支護(hù)體系極大的提高了基坑支護(hù)強(qiáng)度及基坑安全性，同時該支護(hù)體系可承受較大的施工荷載，為后續(xù)基坑開挖與結(jié)構(gòu)施工穿插及預(yù)制構(gòu)件吊裝提供較大的便利。

【關(guān)鍵詞】無支撐雙排樁基坑支護(hù);地下污水處理廠;軟土地基;PRC管樁

1、工程概況

1.1、工程簡介

竹園污水處理廠四期工程1.5標(biāo)位于浦東新區(qū)高東鎮(zhèn)，用地南至華東路，東至洲海路，西至規(guī)劃高東二路，北至外高橋船廠，為新建半地下室污水處理設(shè)施，層高一層。

本工程包括新建70萬m3AAO生物反應(yīng)池、平流式二沉池、雨水泵房、污水泵房、碳源投加間等構(gòu)筑物。

本工程除AAO生物反應(yīng)池缺氧池區(qū)域采用裝配整體式結(jié)構(gòu)，其余構(gòu)筑物均采用現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)。AAO生物反應(yīng)池2座（單個尺寸214mX170m，層高10.1m）、平流式二沉池（單個尺寸223mX101m，層高6.4m）、雨水泵房、污水泵房、碳源投加間及管道箱涵等構(gòu)筑物。

1.2、基坑概況

本工程基坑開挖總面積約為13.1萬m2，基坑平面形狀為矩形，基坑尺寸478×289m，其中AAO生物反應(yīng)池基坑面積約為8.1萬m2，平流式二沉

池基坑面積約為5萬m2。AAO生物反應(yīng)池開挖深度為5.1m～6.1m，平流式二沉池開挖深度為2.15m～5.15m。

1.3、水文地質(zhì)概況

擬建 1.5 標(biāo)場地有 4 條明浜分布，明浜局部區(qū)域回填后形成暗浜，明暗浜底多分布浜土，厚度約 0.7m～1.5m，含大量有機(jī)質(zhì)，狀態(tài)差，對工程不利，主要涉及圍墻區(qū)域，基礎(chǔ)施工時應(yīng)進(jìn)行清除。

場地有一定厚度的③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉性土、④層灰色淤泥質(zhì)粘土、⑤1-1 層灰色粘土，為上海地區(qū)典型軟土層，呈流塑～軟塑狀，有壓縮性高、強(qiáng)度低滲透性小和靈敏度高等特性。

擬建場地內(nèi)有居民住宅，地下分布有雨、污水排放管、給水管道、電力電纜，民宅拆除后，會遺留有大量舊基礎(chǔ)等障礙物對施工影響較大。有關(guān)地下管線和障礙擬建場地內(nèi)有居民住宅，地下分布有雨、污水排放管、給水管道、電力電纜，民宅拆除后，會遺留有大量舊基礎(chǔ)等障礙物對施工影響較大。

2、難特點(diǎn)分析

2.1 基坑開挖面積大

生反池及二沉池基坑面積約 13.1 萬 m2，生物反應(yīng)池挖深 5.1m-6.1m，平流式二沉池挖深2.15m-5.15m，基坑安全等級為三級，屬超過一定規(guī)模的危險性較大的分項(xiàng)工程。因此基坑開挖過程中需注重“時空效應(yīng)”，以“分層、對稱、限時開挖”為施工標(biāo)準(zhǔn)，基坑按照分區(qū)分塊及施工工況進(jìn)行土方開挖。

2.2 基坑開挖與結(jié)構(gòu)施工穿插，施工要求高

工期緊張、開挖面積大是工程常有的施工難點(diǎn)，現(xiàn)本工程采用跳倉法進(jìn)行挖土施工，且土方開挖完成后為避免基坑長期暴露在外部環(huán)境之下，需在開挖完成后立即進(jìn)行墊層澆筑及結(jié)構(gòu)施工。

除此之外，預(yù)制構(gòu)件吊裝階段為方便吊裝施工，需利用壓頂行駛重車及預(yù)制構(gòu)件臨時堆放（最大構(gòu)件重量為10.520T），荷載較大。為滿足吊裝工況，相較于傳統(tǒng)的水泥土重力式擋墻，現(xiàn)內(nèi)插PRC管樁的門式水泥土重力式擋墻可滿足較重構(gòu)件的起吊及運(yùn)輸車地耐力的安全性能要求，同時抬高圍護(hù)壓頂頂標(biāo)高與施工便道頂標(biāo)高齊平。

2.3 軟土地基土質(zhì)情況下圍護(hù)施工難度大

本工程淺部粉土厚度較大，攪拌樁施工時，砂性土的沉積易造成攪拌樁埋鉆，漿液離析、漏水，導(dǎo)致圍護(hù)施工進(jìn)度較慢，且圍護(hù)強(qiáng)度不能達(dá)到設(shè)計(jì)值。施工過程中需根據(jù)現(xiàn)場土質(zhì)情況對攪拌樁水泥漿液配比進(jìn)行優(yōu)化，提高砂性土層的土性，提高砂性土層流動性和可塑性。對攪拌樁鉆頭切削性能進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，且每臺班結(jié)束時檢查鉆頭的外觀情況，存在破損的情況，及時更換，確保攪拌樁成樁進(jìn)度及質(zhì)量符合要求。

3、支護(hù)方案選擇及優(yōu)化

3.1 原設(shè)計(jì)方案

生反池圍護(hù)原設(shè)計(jì)方案為采用1：1方式放坡+10mφ700的水泥土重力式擋墻及最外側(cè)內(nèi)插12mφ500的PRC管樁的形式，且原設(shè)計(jì)降水措施為每2502設(shè)置一處疏干井進(jìn)行降水施工。

為滿足現(xiàn)場預(yù)制構(gòu)件吊裝階段施工及開挖與結(jié)構(gòu)施工交叉進(jìn)行等因素，部分基坑外圍需要通行重車，另外基坑面積大，基坑內(nèi)也需要通重車。所以基坑需要調(diào)整優(yōu)化，滿足基坑安全的同時，滿足現(xiàn)場施工。

3.2 豎向支護(hù)優(yōu)化

現(xiàn)針對工程施工特點(diǎn)、詳細(xì)剖析地勘報(bào)告及結(jié)合現(xiàn)有施工條件采用無支護(hù)雙排樁支護(hù)方案。內(nèi)插兩根PRC管樁的雙排樁由于門架式結(jié)構(gòu)相較于內(nèi)插單根PRC的懸臂支護(hù)，其具有整體性強(qiáng)，可應(yīng)用于較深的無內(nèi)支撐基坑，且內(nèi)插兩根PRC管樁的雙排樁門式支護(hù)有更強(qiáng)的支護(hù)強(qiáng)度，可上部可承受較大荷載，適用于本工程類似的圍護(hù)頂部壓頂需走重車等較大荷載的工況。

無內(nèi)支撐內(nèi)插雙排PRC管樁的支護(hù)方案，即在五軸φ700樁長15m水泥土重力式擋墻的最內(nèi)側(cè)及最外側(cè)內(nèi)插14m的PRC管樁，且PRC管樁頂部錨入冠梁300mm。同時基坑上部3.8m采用C30鋼筋混凝土板（面層鋼筋采用雙層雙向C14@150鋼筋網(wǎng)片），基坑底部采用Φ800高壓旋噴樁土體加固對水泥土重力式擋墻進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，減少擋土墻的變形。

3.3 坑內(nèi)道路加固優(yōu)化

本工程現(xiàn)場可利用場地較少，同時由于工期緊張導(dǎo)致結(jié)構(gòu)施工與開挖需要同步進(jìn)行，所以本工程將坑邊圍護(hù)壓頂與施工便道相連，形成環(huán)坑道路以便于構(gòu)件運(yùn)輸車輛行駛。除此之外，為便于挖土與結(jié)構(gòu)施工同步進(jìn)行，在基坑坑內(nèi)設(shè)置入坑通道。

圍護(hù)頂部壓頂作為施工道路，該區(qū)域，圍護(hù)頂標(biāo)高調(diào)整至標(biāo)高3.8m處，與施工臨時道路同一標(biāo)高，同時水泥土重力式擋墻頂部施工300厚C30壓頂，內(nèi)配雙層雙向C14@150的鋼筋，PRC管樁頂部采用600厚、寬900mm，鋼筋在壓頂內(nèi)配鋼筋基礎(chǔ)上增加8根C20的水平鋼筋和A8@200的箍筋，其中PRC管樁錨入冠梁300mm，每孔一根，經(jīng)設(shè)計(jì)驗(yàn)算后圍護(hù)強(qiáng)度滿足施工期間的施工荷載。

本工程因施工工期緊張及結(jié)構(gòu)與挖土的同步施工，在坑內(nèi)設(shè)置入坑通道。

入坑通道，寬18m，坡比1：10，長度106m，主要留設(shè)在A2-3、A3-3、A4-3、A5-3、A6-3、A7-3區(qū)，土方預(yù)留作為結(jié)構(gòu)施工階段臨時入坑道路（詳見附圖），兩側(cè)做好放坡。入坑通道留設(shè)區(qū)域，使用φ800的高壓旋噴樁進(jìn)行土體加固，標(biāo)高-0.6m～1.9m區(qū)域內(nèi)土體加固高度為5m，標(biāo)高1.9m～3m區(qū)域內(nèi)土體加固高度為7m。

3.4 基坑降水方式優(yōu)化

根據(jù)本基坑降水層土質(zhì)的實(shí)際情況，考慮到降水深度和實(shí)際效果，基坑開挖范圍內(nèi)以粘土、粉土、淤泥質(zhì)土為主。生物反應(yīng)池開挖深度為5.1～6.1m，平流式二沉池開挖深度為2.15～5.15m。

原降水施工方案為AAO生物反應(yīng)池布置298口疏干井進(jìn)行降?？紤]到疏干井降水對周邊影響較大、施工工期相對較長，現(xiàn)針對AAO生物反應(yīng)池采用318套抽條輕型井點(diǎn)降水，平流式二沉池采用222套輕型井點(diǎn)降水。

降水施工過程中應(yīng)在基坑開挖前7～15天進(jìn)行。型井點(diǎn)設(shè)計(jì)20米為一組，組間距為8米，井點(diǎn)間距為1.5米。

抽條輕型井點(diǎn)相較于原設(shè)計(jì)的深井施工方案，存在性價比高、施工便捷化、對周邊影響小等特點(diǎn)。先在原地面標(biāo)高3.8m處開挖1m溝槽，溝槽開挖至2.8m時，再安裝輕型井點(diǎn)降水設(shè)備。抽條輕型井點(diǎn)降水最大程度的利用了該技術(shù)的降水效率，為后續(xù)進(jìn)行挖土施工提供了便利。

4、關(guān)鍵施工技術(shù)

4.1 施工總體部署

本工程平流式二沉池樁基使用T-PHC管樁，其余區(qū)域?yàn)轭A(yù)制PHC管樁，由于預(yù)制樁的施工對土體有較大的擠壓效應(yīng)，故施工時先打設(shè)管樁樁基，在管樁影響范圍外，再跟進(jìn)施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

施工搭接順序?yàn)椋簶痘傮w由南向北施工，先施工基坑周邊一圈兩排管樁，減小后期擠土效應(yīng)對圍護(hù)的影響。然后從南側(cè)向北側(cè)進(jìn)行樁基施工，樁長主要在26～32m，管樁擠土效應(yīng)影響范圍在50m（圖7中陰影區(qū)），待陰影處樁基完成后跟進(jìn)施工五軸攪拌樁圍護(hù)、高壓旋噴裙邊加固，攪拌樁施工結(jié)束后，等達(dá)到28天設(shè)計(jì)強(qiáng)度，可進(jìn)行下一道施工工序。

4.2 施工道路設(shè)置

本工程沿基坑四周一圈設(shè)置臨時施工道路，環(huán)繞擬建建筑物鋪設(shè)臨時施工道路，并與大門連通。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，南北向沿基坑設(shè)置3條長330m的施工便道，東西向沿基坑設(shè)置2條長490m的施工便道，平流式二沉池裙邊加固上設(shè)置1條長230m、寬8m的臨時便道及與生反池內(nèi)插PRC雙排樁支護(hù)頂部施工的壓頂相連，形成坑邊道路。施工便道做法為C20混凝土內(nèi)配鋼筋，且環(huán)坑道路底部先回填道渣，再回填碎石墊層，最后澆筑混凝土完成施工便道的設(shè)置。

4.3 PRC管樁支護(hù)施工技術(shù)

PRC施工順序?yàn)椋何遢S攪拌樁套接施工→起吊PRC管樁→機(jī)械輔助下沉PRC樁→沉樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

其具體施工方法為，PRC管樁使用前，在距管樁頂端中心處開一個圓形孔洞，孔徑約800mm，并在該處管樁兩面加焊厚大于等于12mm的加強(qiáng)鋼板。管樁長度不夠需兩節(jié)樁進(jìn)行拼接的，焊縫應(yīng)均為坡口焊，焊好后檢查焊縫是否飽滿，有無氣泡、夾渣等情況，如焊接不合格等情況應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)焊，最后用砂輪機(jī)進(jìn)行打磨，保證焊縫至與管樁面一樣平。

五軸水泥攪拌樁施工完成后，吊機(jī)應(yīng)在規(guī)定吊點(diǎn)位置，準(zhǔn)備吊放管樁，用50噸履帶吊起吊管樁。放置管樁翻轉(zhuǎn)架，待管樁起吊吊離地面后，拆卸翻轉(zhuǎn)架。將管樁底部中心對正樁位中心并沿定位卡靠管樁自重徐徐插入水泥土攪拌樁體內(nèi)，樁體垂直度偏差不大于1/200，若管樁依靠自身重力插放達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)高時，可采用機(jī)械進(jìn)行輔助下壓。管樁必須在攪拌樁施工完畢后30min內(nèi)插入，避免因攪拌樁初凝導(dǎo)致無法插入PRC管樁的情況。

4.4 跳倉法挖土施工技術(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙結(jié)構(gòu)變形縫的設(shè)置，將生反池及二沉池分為98塊

基坑開挖按照劃分的區(qū)塊進(jìn)行開挖，采用明挖法進(jìn)行施工。生反池開挖前，在高低跨處二沉池區(qū)域開挖6.0m寬平臺至二沉池底標(biāo)高，外側(cè)1：1.5放坡，然后再開挖生反池，高低跨處開挖完成后，本工程基坑A、B 區(qū)，總體由南向北施工，開挖順序如下：

A區(qū)：①首皮土開挖標(biāo)高為3.8m至1.3m，挖深2.5米，由南至北退挖;

②第二皮土挖開標(biāo)高為1.3m至-1.3m，挖深2.6m，由南至北退挖;

③局部坑中坑開挖標(biāo)高為-1.3m至-2.3m，挖深1.0m，由南至北退挖;

B區(qū)：①首皮土開挖標(biāo)高為3.8m至1.65m，挖深2.15米，由南向北退挖;

②局部坑中坑開挖標(biāo)高為1.65m至0.65m/0.15m/-0.85m/-1.35m。

各區(qū)域挖土注重“時空效應(yīng)”，以“分層、對稱、限時開挖，嚴(yán)禁超挖”為施工要求。第一皮先開挖2.5m，第二皮在開挖至設(shè)計(jì)基底標(biāo)高，考慮到基坑土體應(yīng)力無法在短時間釋放，導(dǎo)致坑底土體存在一定的隆起現(xiàn)象，影響現(xiàn)場施工進(jìn)度，因此在開挖過程中設(shè)置應(yīng)力緩沖區(qū)，緩沖區(qū)按照底板澆筑范圍邊3倍開挖深度范圍內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行提前開挖。

5、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

5.1 監(jiān)測內(nèi)容及方案

基坑監(jiān)測項(xiàng)目主要有圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移和豎向位移監(jiān)測、圍護(hù)墻深層水平位移監(jiān)測（測斜）、基坑外地下水位監(jiān)測、坑周地表豎向位移監(jiān)測等內(nèi)容。

本工程變形監(jiān)測點(diǎn)位共布置了96個圍護(hù)頂豎向位移、布置了195個地表豎向位移、布置了45個測斜監(jiān)控孔。

5.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)總評分析，測點(diǎn)CX4在施工荷載的作用下累計(jì)變形最大（19.5mm），其每日變化最大變化量為4.3mm，在累計(jì)最大變形量±50mm，但每日超過了最大變化量±4mm的允許變形范圍之外。

基坑圍護(hù)側(cè)向位移變形經(jīng)分析后可得主要的變形因素為受基坑開挖土方卸載后，土壓力過大及預(yù)制構(gòu)件吊裝階段施工動荷載較多等影響，導(dǎo)致一定區(qū)域內(nèi)土體受到擾動，波及周邊土體產(chǎn)生一定程度位移，導(dǎo)致局部測斜點(diǎn)位累計(jì)量達(dá)到報(bào)警值，后續(xù)隨著結(jié)構(gòu)底板及外側(cè)壁板的完成，基坑整體較為穩(wěn)定，其數(shù)據(jù)變化速率趨于穩(wěn)定。

7、實(shí)施效果及改進(jìn)措施

本工程為給排水構(gòu)筑物施工，存在基坑開挖面積大、坑邊縱向及橫向跨度大、基坑開挖深度大，且所處基坑土層多為軟性土等施工難點(diǎn)?，F(xiàn)采用無內(nèi)支撐內(nèi)插PRC管樁的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，極大的減少了圍護(hù)施工工期，且為圍護(hù)施工提供了極大的便利性。有效的解決了傳統(tǒng)地下式污水廠基坑圍護(hù)施工的經(jīng)濟(jì)效益差、工期長、水平內(nèi)支撐施工難度大等弊端，避免了因基坑存在水平內(nèi)支撐導(dǎo)致施工困難、施工工期長等問題，也為地下結(jié)構(gòu)施工帶來極大便利，為后續(xù)類似大面積、大跨度無內(nèi)支撐的工程提供了基坑支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化與施工提供了數(shù)據(jù)支持及現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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[2]建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程..北京：中國建筑工業(yè)出版社出版發(fā)行，2012

作者簡介：胡董超（1991-），男，大學(xué)本科，工程師。

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