復(fù)雜環(huán)境下超大規(guī)模地下空間施工的總體策劃與實(shí)施

上海建工集團(tuán)股份有限公司總承包部 上海 200080

0 引言

隨著地下工程開挖深度和規(guī)模的增大，地下工程的難度更加突出[1-4]。在地下工程施工風(fēng)險(xiǎn)的研究中，如何盡可能地減小地下工程施工中的事故發(fā)生率、對(duì)地下工程潛在的施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行整體策劃顯得十分必要。本文以后世博B片區(qū)央企總部項(xiàng)目為背景，詳細(xì)探索了地處城市中心，面臨著地鐵、共同溝、重要管線保護(hù)等復(fù)雜條件下的超大規(guī)模地下空間的實(shí)施，重點(diǎn)闡述了工程的總體部署和前期策劃，如何將一個(gè)超大規(guī)模的基坑劃分為十幾個(gè)中小型深基坑，及如何有序合理地組織和安排，在施工過程中動(dòng)態(tài)的調(diào)整各種工況以減少“時(shí)空效應(yīng)”的影響。文章從工程難特點(diǎn)分析，詳細(xì)介紹了前期策劃、基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)、施工步序調(diào)整、工況協(xié)調(diào)控制以及在施工過程中諸如軌交、共同溝保護(hù)和地下聯(lián)絡(luò)通道穿越等關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

為加快上海世博園區(qū)的后續(xù)建設(shè)，原世博亞洲臨時(shí)展館區(qū)將新建成為國際會(huì)展及其商務(wù)集聚區(qū)。其中，世博央企總部集聚區(qū)作為B地塊最為核心的工程，將打造成為上海最為前沿的央企聚集區(qū)域。工程總體規(guī)劃建筑面積超過100 萬m2，其中地下空間超過45 萬m2，地上超過60 萬m2，共有28 棟建筑，共用同一個(gè)地下空間（圖1）。B片區(qū)規(guī)劃構(gòu)建立體化、網(wǎng)絡(luò)化的集地下軌道交通系統(tǒng)、地下步行系統(tǒng)、地下車行系統(tǒng)、地下商業(yè)系統(tǒng)、地下倉儲(chǔ)系統(tǒng)和地下管線系統(tǒng)為一體的地下綜合系統(tǒng)，且周邊已建成3 條軌道交通線、4 個(gè)軌道交通站點(diǎn)，及盧浦大橋、打浦路隧道、西藏南路隧道，都將與園區(qū)規(guī)劃的地下空間形成有效聯(lián)通，構(gòu)成便捷的立體交通網(wǎng)絡(luò)。

圖1 后世博央企總部規(guī)劃示意

本區(qū)域通過聯(lián)絡(luò)通道與周邊軌交、世博軸、世博展覽館、世博中心、世博酒店等工程地下空間連成一片，真正形成一個(gè)區(qū)域性的龐大的地下空間體系。同時(shí)，各單體之間遙相呼應(yīng)，形成了一個(gè)“小區(qū)域、高密度、緊連通”的區(qū)域，為未來城市CBD的建設(shè)提供了一個(gè)超級(jí)樣板。

2 工程重難點(diǎn)分析

2.1 有效地協(xié)調(diào)各家業(yè)主是策劃的核心

由于本地塊為十幾家企業(yè)分別投資興建，各投資主體前期工作進(jìn)度不一、相差懸殊。如中國商飛總部大樓，前期各項(xiàng)手續(xù)推進(jìn)非常迅速，設(shè)計(jì)、招標(biāo)均快速地完成，而相鄰的中國黃金、招商、寶鋼等大樓遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后，甚至連項(xiàng)目開發(fā)的建設(shè)單位主體都沒有成立，工程方案沒有開始。同時(shí)由于所有單體的地下室均形成一個(gè)統(tǒng)一的地下空間，工程的建設(shè)相互制約。因此，本工程最大的困難，是如何在各家業(yè)主前期方案設(shè)計(jì)、工程招標(biāo)、施工時(shí)間相差甚大的情況下，進(jìn)行前瞻性的、有效的統(tǒng)一策劃，盡可能縮短總的建設(shè)周期。

2.2 超大規(guī)模的地下空間開發(fā)

本工程地下建筑面積超過45 萬m2，基坑的開挖占地面積達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的16 萬m2，基坑普遍挖深為19.7 m，屬于超大規(guī)模的超深工程。已經(jīng)建成的軌交13號(hào)線原世博段距離基坑開挖邊界僅僅有10 m的距離，且軌交車站區(qū)與盾構(gòu)區(qū)兩側(cè)在基坑開挖范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換，地下空間為4 層，基坑挖深比軌交車站還要深10 m。

更為嚴(yán)峻且考驗(yàn)總承包策劃的是，數(shù)條新建的大截面聯(lián)絡(luò)通道必須從共同溝下部穿越，且共同溝底部的圍護(hù)無法封閉（圖2、圖3）。圍護(hù)施工、基坑開挖、聯(lián)絡(luò)通道開挖，數(shù)次施工的影響相互疊加，但整個(gè)建造過程中必須確保共同溝的安全，是策劃過程中的核心之一。

圖2 共同溝與基坑相互關(guān)系

圖3 新建聯(lián)絡(luò)通道與共同溝相互關(guān)系

2.3 未知基坑開挖時(shí)序下的安全控制

本工程的地下空間是由十幾家不同的業(yè)主所共同組成的一個(gè)超級(jí)地下室，因此，基坑不可能一次性進(jìn)行開挖，為確保基坑安全，施工過程需要將整體基坑分為數(shù)個(gè)小的基坑。同時(shí)，為保障軌交安全，也需要將沿軌交區(qū)域又分成若干基坑。因此，工程實(shí)際上形成了一個(gè)由基坑群落組成的超大基坑，各個(gè)基坑施工之間通過圍護(hù)體系分割，其相互之間的施工工況和安全控制就成為了策劃中的最大技術(shù)難點(diǎn)。

2.4 如何精心組織和協(xié)調(diào)施工過程

本工程基坑土方量將近300 萬m3，各種材料運(yùn)輸量超過1 000 萬t，高峰期間作業(yè)的工人超過5 000 人，而整個(gè)基坑緊貼用地紅線，現(xiàn)場幾乎沒有可以利用的場地。同時(shí)，工程旁邊世博展覽館，幾乎每周都要舉辦展覽活動(dòng)，世博中心不定期承擔(dān)重大會(huì)務(wù)，梅賽德斯-奔馳文化中心常常有文藝活動(dòng)。如何在狹小的場地內(nèi)輾轉(zhuǎn)騰挪，合理劃分施工區(qū)域，是工程建設(shè)過程中的嚴(yán)峻考驗(yàn)。

2.5 基坑群落施工過程的動(dòng)態(tài)工況調(diào)整和協(xié)調(diào)

由于基坑客觀上需要進(jìn)行劃分為若干小型基坑群落，且各個(gè)基坑施工過程受到業(yè)主前期手續(xù)、招標(biāo)、設(shè)計(jì)等因素的影響，因此，基坑施工的流程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的工況，各個(gè)基坑之間通過圍護(hù)進(jìn)行分割，基坑之間工況相互制約。因此，整個(gè)基坑的施工必須根據(jù)實(shí)際情況，需要實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整。每個(gè)基坑的施工速度、工況、區(qū)域、范圍以及流程都必須統(tǒng)一協(xié)調(diào)，有序安排，否則將引起嚴(yán)重的安全隱患。

3 主要技術(shù)路線的確定

3.1 基坑群落的形成

基坑沿軌交設(shè)置保護(hù)區(qū)，將軌交非保護(hù)區(qū)按照規(guī)劃道路為分界線，按照每個(gè)街區(qū)分為若干個(gè)中型基坑，每個(gè)基坑開挖面積控制在2 萬m2左右（圖4）。

圖4 基坑劃分示意

方案將整個(gè)基坑分成17 個(gè)基坑群落，原則上將軌交非保護(hù)區(qū)分成6 個(gè)大基坑，每個(gè)基坑通過規(guī)劃道路進(jìn)行分割，規(guī)劃道路基坑寬度控制在20 m以上。規(guī)劃道路采用逆作法施工，先行施工頂板，其他地下結(jié)構(gòu)待兩側(cè)地下空間施工±0.00 m完畢后再行實(shí)施。6 個(gè)基坑相互獨(dú)立施工，互不影響。

3.2 施工過程工況的動(dòng)態(tài)調(diào)整

進(jìn)行劃分之后，整個(gè)基坑已經(jīng)形成了一個(gè)規(guī)模龐大的基坑群落，每個(gè)基坑僅包括1～2 個(gè)業(yè)主，大大減輕了工程過程施工的協(xié)調(diào)量。其次，各個(gè)基坑之間，規(guī)劃道路形成寬度為20 m的剛性分割體，可以保證各個(gè)基坑獨(dú)立施工。最后，施工現(xiàn)場可以利用規(guī)劃道路頂板作為施工場地的道路，工程實(shí)施機(jī)動(dòng)靈活。

由于分成眾多小型基坑，各個(gè)基坑施工之間影響相互疊加?；影踩L(fēng)險(xiǎn)控制必須加強(qiáng)監(jiān)控。根據(jù)原來施工工況，原規(guī)劃道路區(qū)域地下空間采用逆作法，后續(xù)施工。由于本區(qū)域的能源中心和變電站等功能性區(qū)域設(shè)置在規(guī)劃道路下地下空間內(nèi)，且各家央企的前期手續(xù)大大滯后于規(guī)劃道路。因此，現(xiàn)場施工面臨著規(guī)劃道路先行施工的情況，所有的施工工況和策劃部署必須及時(shí)動(dòng)態(tài)地進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的工況如圖5所示。

圖5 調(diào)整后工況示意

不同于其他工程基坑的施工，本工程施工工況必須隨著工程的實(shí)際情況作不斷的動(dòng)態(tài)調(diào)整。由于規(guī)劃道路先行實(shí)施，且兩側(cè)的B03B和B03D基坑隨后施工，造成了3 個(gè)基坑先后不同步的動(dòng)態(tài)同時(shí)施工，各基坑的挖土、支撐、結(jié)構(gòu)以及換撐都必須統(tǒng)一協(xié)調(diào)。工程施工過程面臨著最不利的工況是規(guī)劃道路支撐需要拆除，但兩側(cè)基坑的施工也要同步跟進(jìn)，土方必須卸載。

為確保工程的實(shí)施，現(xiàn)場采用了規(guī)劃道路集中力量加快推進(jìn)，兩側(cè)基坑有序施工，及時(shí)調(diào)整規(guī)劃道路施工工藝，原逆作法施工變?yōu)轫樧鍪┕?，?guī)劃道路施工完成地下結(jié)構(gòu)后，兩側(cè)完成第2道支撐施工。

通過不斷的調(diào)整作業(yè)，施工過程中，整個(gè)基坑群落始終處于自行車式的動(dòng)態(tài)平衡中，通過基坑之間不斷的拆撐、換撐進(jìn)行土壓力和支撐力的平衡，基坑的整體變形最終控制在6 cm以內(nèi)。

3.3 地下聯(lián)絡(luò)通道穿越已有共同溝關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

為形成一個(gè)區(qū)域性的龐大的地下空間體系，B02地塊和B03地塊的地下空間通過地下聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)行連接，以滿足地下人流及車流的需要。為此，現(xiàn)有聯(lián)絡(luò)通道必須穿越現(xiàn)有的博成路。但博城路作為重要的交通道路之一，其部署了大量的市政管線。

通道的施工面臨主要的問題為，在共同溝位置基坑的圍護(hù)不能有效的進(jìn)行封閉。其次，在基坑開挖過程中，必須確保共同溝的安全，特別是共同溝內(nèi)部有Φ300 mm的市政供水管，對(duì)共同溝的變形極其敏感。同時(shí)，共同溝在聯(lián)絡(luò)通道位置存在一個(gè)變截面風(fēng)井，設(shè)置1 條變形縫，變形縫兩側(cè)的共同溝如果存在差異沉降，將對(duì)共同溝的已有防水造成拉裂。

為攻克上述難題，工程在實(shí)施過程中，圍護(hù)體系采用了MJS+鋼管樁+鋼板焊接止水+內(nèi)部鋼支撐的圍護(hù)和支護(hù)體系，如圖6所示。

為確保共同溝本體的安全，創(chuàng)新的采用了柔性懸拉體系，允許共同溝和通道外側(cè)的結(jié)構(gòu)同步微量變形，同時(shí)又嚴(yán)格限制其總變形量和差異變形量。

圖6 通道圍護(hù)剖面

4 實(shí)施效果

作為上海目前在建開發(fā)最大的地下空間單體項(xiàng)目，世博央企工程為未來城市CBD的建設(shè)提供了一個(gè)樣板。通過細(xì)致周密的前期策劃，目前工程的地下結(jié)構(gòu)得到了成功的實(shí)施，同時(shí)通過一系列創(chuàng)新的理念和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的管理，市政共同溝得到了有效地保護(hù)，最終變形量控制在10 mm之內(nèi)，圓滿實(shí)現(xiàn)了當(dāng)初預(yù)想。工程在實(shí)施過程中還采取了超深咬合樁工藝、動(dòng)態(tài)數(shù)字安全控制系統(tǒng)、毗鄰共同溝超高壓旋噴樁工藝以及可視化擴(kuò)孔樁等一系列新技術(shù)新工藝，鑒于本文篇幅有限，將后續(xù)進(jìn)行補(bǔ)充。