軟土地區(qū)復雜邊界條件群坑支護設(shè)計及施工研究

【摘要】隨著城市化建設(shè)的推進，深基坑工程開挖深度越來越大、環(huán)境保護要求越來越高。軟土地區(qū)復雜邊界條件群坑支護設(shè)計和施工給大型基坑工程的實施帶來較大挑戰(zhàn)。本文基于上海市某深基坑項目，通過數(shù)值模擬和工程實踐等方式，對軟土地區(qū)復雜邊界條件群坑支護設(shè)計及施工開展研究，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)驗證了支護設(shè)計的合理性和安全性。策劃的群坑開挖順序、基坑施工的流程工藝等既可以滿足設(shè)計安全需要，又可以縮短項目工期、降低對周邊環(huán)境的影響，可為類似工程提供參考。

【關(guān)鍵詞】軟土地區(qū);復雜邊界;群坑施工;支護設(shè)計;現(xiàn)場監(jiān)測

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.09.045

引言：

隨著國家經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，絕大部分工程在考慮規(guī)劃建設(shè)需要下都是成片開發(fā)，基坑面積通常較大。如上海中心大廈基坑面積為3萬m、深度為33m，陸家嘴中心大廈基坑面積為4.6萬m、深度為14m，靜安嘉里中心基坑面積為3.8萬m、深度為25m。這些大型綜合體建筑除主體結(jié)構(gòu)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(shè)施，引起軟土地區(qū)復雜邊界條件超大型群坑支護設(shè)計和施工等問題，給地下空間開發(fā)帶來了新的挑戰(zhàn)。

為保護周邊環(huán)境，當前超大型軟土深基坑的施工，采取分坑支護、分區(qū)施工的工藝。把一個大型基坑劃分成多個分區(qū)，分區(qū)與分區(qū)之間通過圍護結(jié)構(gòu)進行分隔，然后根據(jù)現(xiàn)場情況、工程建設(shè)需要、施工方案等依次施工各個分區(qū)地下結(jié)構(gòu)。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(huán)境影響大等問題。

群坑支護設(shè)計和施工是軟土地區(qū)復雜邊界超大型基坑工程能否高效、安全建造的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。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(jié)構(gòu)的選型等對確?；蛹爸苓叚h(huán)境安全至關(guān)重要，值得進行深入細致的分析研究。針對軟土地區(qū)復雜邊界條件群坑支護設(shè)計及施工關(guān)鍵技術(shù)，具有重要的現(xiàn)實意義和應用價值。

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

1、工程概況與水文地質(zhì)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(shè)基地位于浦東新區(qū)東方體育中心東南側(cè)，場地東、西兩側(cè)為濟陽路、東育路，南、北側(cè)為海陽西路、楊思西路。本工程21-02 及21-03 地塊統(tǒng)籌共建，兩個地塊基坑總開挖面積約為5.8萬m。根據(jù)開發(fā)進度，結(jié)合周邊環(huán)境保護要求，基坑分為18個區(qū)先后交叉施工，其中1a～1d區(qū)、2a～2b 區(qū)、3a～3b區(qū)地下四層，4a～4e區(qū)、5a～5d區(qū)地下二層，3c 區(qū)為地下一層（圖1）。

1.2水文地質(zhì)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(zhì)粘土（層厚0.70m～3.40m）、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土 （層厚1.60 m～1.90m）、③t灰色粘質(zhì)粉土（層厚1.50m～3.20m）、④灰色淤泥質(zhì)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(zhì)粉土夾粉質(zhì)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(zhì)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(wěn)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(qū)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(xù)墻隔斷微承壓水。工程地下二層以及地下四層普遍區(qū)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(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1基坑分區(qū)籌劃

基坑總開挖面積約為5.8 萬m，分為18 個區(qū)先后交叉施工，各分區(qū)面積如表1所示。

2.2圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）考慮到本工程周邊環(huán)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(huán)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(zhì)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(jié)構(gòu)的止水有效性，在外圈地下墻（鄰地鐵和鄰道路側(cè)）兩側(cè)設(shè)置了Ф850 三軸攪拌樁槽壁加固。同時，地鐵保護范圍內(nèi)地墻接縫位置設(shè)置MJS 旋噴止水予以加強。

2.3支撐體系設(shè)計

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

（2）地鐵保護區(qū)外的大坑1b、2b和3b區(qū)采用四道混凝土支撐。

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

（4）3c區(qū)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(nèi)加固設(shè)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(nèi)加固方案：

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

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

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

2.5基坑開挖對周邊環(huán)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(nèi)的土體。圍護和支撐結(jié)構(gòu)采用彈塑性BEAM單元，土體采用十五節(jié)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。

2.5.2計算結(jié)果

計算結(jié)果如表2所示，周邊地鐵及管線變形均處于安全可控狀態(tài)。

3、施工關(guān)鍵工藝

3.1基坑施工總體流程

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

（2）待1a、1c區(qū)地下室結(jié)構(gòu)完成后開挖2a區(qū);待1b、1c和1d區(qū)地下室結(jié)構(gòu)完成后，開挖施工2b區(qū)。

（3）待2a區(qū)地下室結(jié)構(gòu)完成后，開挖3a區(qū);待2a區(qū)和2b區(qū)地下室結(jié)構(gòu)完成，開挖施工3b區(qū)。

（4）待2a區(qū)地下室結(jié)構(gòu)完成后依次開挖5a和5b區(qū)，待3a區(qū)地下室結(jié)構(gòu)完成后依次開挖5c和5d區(qū)。

（5）待1c區(qū)地下結(jié)構(gòu)完成后開挖4b區(qū)、待1d區(qū)地下結(jié)構(gòu)完成后開挖4d區(qū);待4b和4d區(qū)地下室結(jié)構(gòu)完成后開挖4a、4c、4e區(qū)。

3.2支撐結(jié)構(gòu)施工

3.2.1鋼筋混凝土支撐施工

（1）根據(jù)開挖順序分區(qū)澆搗，根據(jù)每次所能澆筑的支撐方量進行配置泵車。

（2）施工縫設(shè)置在1/3跨內(nèi)。

3.2.2軸力補償鋼支撐施工

（1）本工程4區(qū)域、5區(qū)域第二、三道內(nèi)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(jù)鋼管支撐的構(gòu)件模數(shù)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(tǒng)一。

3.3圍護結(jié)構(gòu)施工

（1）本項目地下連續(xù)墻僅作為圍護結(jié)構(gòu)，采用800、1000、1200mm厚地下連續(xù)墻，混凝土等級為水下C35，抗?jié)B等級為P8。

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

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

4、監(jiān)測結(jié)果及分析

根據(jù)基坑開挖深度及周邊環(huán)境，確定本基坑安全等級為一級，鄰地鐵側(cè)及能源管側(cè)環(huán)境保護等級為一級，其余側(cè)環(huán)境保護等級均為二級。監(jiān)測檢測數(shù)據(jù)顯示地鐵沉降監(jiān)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(huán)境影響亦較小，說明本超大型群坑支護設(shè)計和施工實施效果良好（圖3～圖6）。

（1）地鐵沉降監(jiān)測

（見圖3、圖4）

（2）周邊管線沉降

（見圖5）

（3）地墻水平位移

（見圖6）

結(jié)語：

（1）結(jié)合施工可行性、基坑周邊環(huán)境保護及項目開發(fā)進度等要求，對軟土地區(qū)超大型群坑的分區(qū)方案、加固、開挖順序等進行了詳細策劃，基于數(shù)值計算結(jié)果驗證設(shè)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(shù)據(jù)進一步驗證了方案的合理性。

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

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作者簡介：

汪源（1987.01-），男，漢族，上海人，碩士研究生，工程師，研究方向：施工管理。