大型深基坑工程全過程施工優(yōu)化與危機(jī)處理

上海外高橋保稅區(qū)開發(fā)股份有限公司 上海 200137

0 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，基坑工程已向超深、超寬和信息化安全監(jiān)控技術(shù)的方向發(fā)展。然而基坑工程大規(guī)模的飛躍發(fā)展，不可避免地帶來了諸多的基坑安全和環(huán)境安全問題。由于地下土層性質(zhì)十分復(fù)雜，具有存在不穩(wěn)定、不確定性的特點(diǎn)，目前基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)還是處于半理論半經(jīng)驗(yàn)的狀態(tài)，且影響因素眾多。一般而言，高層建筑基礎(chǔ)工程建設(shè)的造價(jià)約占整個(gè)工程造價(jià)的三分之一，工期約占總工期的四分之一，因此，深基坑工程的優(yōu)化可以為整體工程節(jié)省大量造價(jià)及工期，對取得良好的社會效益及經(jīng)濟(jì)效益起到關(guān)鍵作用。

本文主要依托某工程施工實(shí)際，針對基坑施工過程中的優(yōu)化狀況以及施工中所出現(xiàn)的危機(jī)和應(yīng)對方法展開了討論，其宗旨是如何在安全與經(jīng)濟(jì)的平衡中尋求更好的基坑優(yōu)化方式，這或許對其他地下工程項(xiàng)目亦能起到一定的參考與啟發(fā)作用。

1 深基坑全過程優(yōu)化的范圍及方式

1.1 優(yōu)化的范圍

深基坑的優(yōu)化范圍主要包括結(jié)構(gòu)形式的調(diào)整及圍護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算調(diào)整，其中圍護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算又包括整體方案設(shè)計(jì)比選及施工圖紙優(yōu)化[1,2]。

1.1.1 結(jié)構(gòu)形式調(diào)整的主要內(nèi)容

1）地下室輪廓形狀；

2）深坑、承臺距離坑邊的距離；

3）基礎(chǔ)厚度及分布范圍。

1.1.2 圍護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算主要內(nèi)容

1）計(jì)算的方法是否合理；

2）計(jì)算剖面參數(shù)選擇；

3）土壓力、水壓力作用形式及其周邊荷載；

4）圍護(hù)樁插入深度、樁徑、配筋是否合理；

5）支撐系統(tǒng)配筋是否合理；

6） 立柱的利用率。

1.2 優(yōu)化的方式

1） 地下室輪廓優(yōu)化。地下室結(jié)構(gòu)輪廓優(yōu)化要考慮到支撐布置形式，盡量減少基坑陽角的產(chǎn)生，結(jié)構(gòu)外墻應(yīng)避免過多的彎角、曲線產(chǎn)生，這對基坑整體受力及經(jīng)濟(jì)性、安全性影響起到重要作用。

2） 結(jié)構(gòu)深坑優(yōu)化。對于結(jié)構(gòu)深坑的優(yōu)化，要盡量避免深坑、承臺布置在基坑周邊范圍內(nèi)，這樣對圍護(hù)樁樁長、樁徑及配筋等減少起到良好的作用。

3） 基礎(chǔ)厚度及分布范圍優(yōu)化。對于基礎(chǔ)厚度及分布范圍的優(yōu)化，可在保證基礎(chǔ)承載力的前提下，對部分底板厚度進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到減少基坑挖深的目的。

1.3 通過圍護(hù)優(yōu)化

1.3.1 整體方案設(shè)計(jì)優(yōu)化

整體優(yōu)化主要包括圍護(hù)類型及支撐形式的比選，必須在前期方案比選設(shè)計(jì)階段對基坑整體進(jìn)行對比分析，根據(jù)不同工程不同的水文地質(zhì)狀況以及周邊環(huán)境確定計(jì)算模型的選擇、土壓力的作用模式、地下水的作用模式、水土是否合算及分算等。選擇適合本工程的支護(hù)形式及支撐形式，從而最大幅度地減少工程造價(jià)和縮短工期。

1.3.2 設(shè)計(jì)方案細(xì)部優(yōu)化

設(shè)計(jì)方案的細(xì)部優(yōu)化，主要在支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇上，相當(dāng)于參數(shù)優(yōu)化，其中包括樁插入深度、樁徑、支撐的類型、預(yù)加應(yīng)力、支撐布置形式等，均是影響工程的關(guān)鍵因素。找到保證安全情況下使用成本最低的設(shè)計(jì)參數(shù)是設(shè)計(jì)方案優(yōu)化的關(guān)鍵點(diǎn)。

2 深基坑施工中出現(xiàn)的危機(jī)及一般處理方式

深基坑工程安全事故類型很多，如在水土壓力作用下，支護(hù)結(jié)構(gòu)可能被破壞，支護(hù)結(jié)構(gòu)形式不同，破壞形式也有差異。滲流可能引起流土、流砂、突涌，造成結(jié)構(gòu)被破壞。圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大及地下水流失，引起周圍建筑物及地下管線被破壞也屬基坑工程事故。下文針對本工程可能會碰到的幾點(diǎn)問題及處理方式展開討論。

2.1 圍護(hù)漏水

如果施工過程中因施工質(zhì)量或地下障礙物而出現(xiàn)圍護(hù)樁滲漏、涌水等情況，施工單位技術(shù)人員應(yīng)仔細(xì)分析觀察現(xiàn)場滲漏情況，仔細(xì)查看水中是否帶砂，水量是否較大等情況。如出現(xiàn)上述情況，則可對上層滯水進(jìn)行疏導(dǎo)、引流等措施，或在滲漏的地方注漿進(jìn)行封堵。

2.2 立柱偏差

當(dāng)鋼立柱偏差過大，局部距離支撐中心線交點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，可對該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加腋處理，即對箍筋進(jìn)行加密設(shè)置。如果鋼立柱偏差距離超過設(shè)計(jì)值，影響此節(jié)點(diǎn)安全穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)重新增打1根鋼立柱作為補(bǔ)救措施。

2.3 管線報(bào)警

基坑開挖后，由于將基坑周邊道路作為施工出入道路，重車荷載較大，會導(dǎo)致其道路下方管線沉降過大，超過設(shè)計(jì)報(bào)警值。當(dāng)超過設(shè)計(jì)報(bào)警值時(shí)應(yīng)對管線進(jìn)行加密為2次/d的跟蹤測量，加強(qiáng)巡視和跟蹤等監(jiān)測工作，并在施工過程中，合理控制土方開挖與無支撐暴露距離，協(xié)調(diào)與墊層澆筑的工序問題。且必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求每開挖200 m2后及時(shí)澆筑墊層，并及時(shí)跟進(jìn)底板施工。底板環(huán)邊區(qū)域應(yīng)先行進(jìn)行鋼筋綁扎，盡早形成環(huán)邊底板支撐，并在出入口位置設(shè)置鋼板進(jìn)行壓力擴(kuò)散，保證地下管線最終不受任何實(shí)質(zhì)性影響[3,4]。

3 工程概況

3.1 建筑、結(jié)構(gòu)概況

工程實(shí)例位于上海市浦東新區(qū)，由3棟辦公樓及商業(yè)裙房組成，設(shè)置2層地下室，裙房基礎(chǔ)采用承臺加預(yù)制方樁，主樓區(qū)采用筏板加鉆孔樁。整個(gè)基坑呈矩形。

基坑規(guī)模及開挖深度：本工程±0.00 m相當(dāng)于絕對高程+5.10 m。本工程基坑面積23 500 m2，總延長約為604 m。裙樓區(qū)底板面標(biāo)高為-9.40 m，底板厚600 mm，承臺厚1 000 mm，墊層厚150 mm，裙樓區(qū)開挖深度9.65 m。主樓區(qū)底板面標(biāo)高亦為-9.40 m，底板厚800～1 000 mm，承臺厚1 600 mm，墊層厚150 mm，主樓區(qū)開挖深度10.25 m。

本基坑安全等級、環(huán)境保護(hù)等級、基坑監(jiān)測等級均為二級。

3.2 周邊環(huán)境概況

項(xiàng)目周邊均為道路或建（構(gòu)）筑物，其中除東側(cè)為待建道路外，其余三側(cè)均為已建道路，道路下已敷設(shè)市政管線 。西側(cè)及東側(cè)均有建（構(gòu)）筑物，南側(cè)有軌道交通高架橋（圖1）。

圖1 基地平面示意

3.3 工程地質(zhì)概況

擬建場地土層處于“古河道”分界處，地下局部⑥層、⑦層缺失，形成較厚的⑤3層土。主要由黏性土、粉性土、砂土組成。場地的第③夾層黏質(zhì)粉土，局部粉性較集中，對基坑開挖不利?；貎?nèi)土層分布如表1所示。

本工程淺層地下水屬潛水，主要補(bǔ)給來源為大氣降水及地表徑流，平均水位埋深一般為0.50～0.70 m。根據(jù)勘察報(bào)告，本場地內(nèi)部分填土較厚區(qū)域最厚處達(dá)2.90 m。

3.4 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

本工程基坑面積約為23 500 m2，開挖深度為9.65～10.25 m，屬超大深基坑工程。綜合考慮周邊環(huán)境以及工程地質(zhì)情況，本基坑工程采用以下圍護(hù)設(shè)計(jì)：鉆孔灌注樁結(jié)合三軸攪拌樁止水帷幕加坑內(nèi)豎向2道鋼筋混凝土支撐，支撐采用對撐加角撐加邊桁架形式，并利用部分支撐兼作棧橋，作為施工便道。

4 基坑工程優(yōu)化的思路

4.1 通過結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化

4.1.1 結(jié)構(gòu)深坑優(yōu)化

原地下結(jié)構(gòu)深坑較多且距離基坑邊較近，導(dǎo)致鄰近深坑的基坑支護(hù)樁要采用樁徑更大、嵌入深度更深的支護(hù)樁，故考慮對部分深坑進(jìn)行優(yōu)化處理。通過與建筑及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單位的溝通，進(jìn)行深坑優(yōu)化：即減少臨邊的深坑或?qū)⒉糠峙R邊深坑向內(nèi)移動，使之處于不影響基坑支護(hù)的范圍；對于部分無法移動的深坑，若減小深坑的深度，也可達(dá)到減少臨邊深坑區(qū)域基坑深度的目的。

由于基坑挖深較深，故所有深坑均需要進(jìn)行深坑加固，本工程深坑較多，需要的深坑攪拌樁加固也是一項(xiàng)較大的工程，在保證項(xiàng)目完成后地下室底板可達(dá)到使用要求的情況下，我們對深坑角度進(jìn)行了改變，使深坑放樣的角度變陡，并將部分零散的深坑集中，從而減少深坑攪拌樁加固范圍的總延長，達(dá)到優(yōu)化深坑加固的目的，節(jié)約工程造價(jià)[5,6]。

4.1.2 基礎(chǔ)厚度及分布范圍優(yōu)化

原基礎(chǔ)主樓區(qū)底板均采用厚1 000 mm底板，通過與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單位溝通，細(xì)化主樓荷載和基礎(chǔ)承載力，對主樓區(qū)底板厚度進(jìn)行不同優(yōu)化，進(jìn)而達(dá)到減少基坑主樓區(qū)挖深的目的。

4.2 通過圍護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.2.1 圍護(hù)輪廓優(yōu)化

基坑原輪廓在西北側(cè)和西南側(cè)未緊貼地下室外輪廓線，主要是便于支撐布置并使支撐均勻?qū)ΨQ受力，但這樣布置也會導(dǎo)致?lián)Q撐距離較長。

考慮到基坑紅線內(nèi)場地較小，圍護(hù)邊線距離基坑紅線較近，同時(shí)，綜合考慮場地布置和換撐問題，我們亦對基坑圍護(hù)的輪廓進(jìn)行優(yōu)化，使基坑在不產(chǎn)生陽角的情況下，盡量緊貼地下室輪廓，以減少支護(hù)樁數(shù)量以及換撐工程量。

4.2.2 圍護(hù)樁優(yōu)化

對于圍護(hù)樁的優(yōu)化，主要考慮以下幾個(gè)因素[7,8]：

1） 鄰近基坑的成功經(jīng)驗(yàn)。基坑?xùn)|側(cè)鄰近基坑的規(guī)模及挖深與本基坑相近，且圍護(hù)形式類似。通過對此鄰近深基坑成功經(jīng)驗(yàn)的參考，對圍護(hù)樁的樁徑和樁長進(jìn)行一定的優(yōu)化。

2） 考慮基坑被動區(qū)加固的有利作用。由于基坑四周鄰近道路及地下管線，為有效控制基坑變形及管線沉降，在基坑被動區(qū)布置了雙軸水泥土攪拌樁墩式加固，考慮加固的有利作用，可適當(dāng)減小圍護(hù)樁的樁長，同時(shí)，被動區(qū)加固可減少圍護(hù)樁所受土壓力引起的彎矩，適當(dāng)?shù)貎?yōu)化圍護(hù)樁的配筋。

3） 結(jié)合施工場地的自然條件。通過現(xiàn)場踏勘，發(fā)現(xiàn)場地內(nèi)的實(shí)際地坪低于四周道路的地面標(biāo)高，基坑邊線四周已存在自然坡度。在不影響基坑安全性和施工的前提下，充分利用這部分自然坡度，適當(dāng)落低圍護(hù)樁頂，在淺層則對自然坡進(jìn)行加固，從而減少圍護(hù)樁的樁長。

4.2.3 支撐及棧橋優(yōu)化

1）減少彎矩以優(yōu)化配筋。冠梁、腰梁的最大彎矩在于對撐間沒有八字撐的部分，通過在跨度較大處布置八字撐，減少計(jì)算跨度，使冠梁和腰梁的彎矩均勻，從而優(yōu)化冠梁和腰梁配筋。

2）優(yōu)化支撐的構(gòu)造配筋。支撐的主要受力方向?yàn)樽笥沂芰?，因此，可通過優(yōu)化支撐體上下的構(gòu)造配筋，對支撐的配筋量進(jìn)行優(yōu)化。

3）棧橋平面布置優(yōu)化。棧橋作為深基坑施工的便道，可有效地加快土方開挖和運(yùn)輸?shù)乃俣龋移淅靡延械闹芜M(jìn)行布置，在施工第1道支撐時(shí)即可同時(shí)施工棧橋。原方案主要采用南北向3道對撐，東西向1道對撐的布置形式。通過比選，同時(shí)考慮東、西方向均有出口，故優(yōu)化方案將東西向的對撐拆分成2道對撐，既減小了東、西冠梁的跨度，更好地承受土壓力；又可將棧橋布置成一個(gè)回路，方便施工車輛的進(jìn)出（圖2、圖3）。

圖2 原棧橋平面布置

圖3 優(yōu)化棧橋平面布置

4）棧橋厚度優(yōu)化。通過對棧橋進(jìn)行限載并控制施工車輛的行駛速度，對棧橋的厚度進(jìn)行優(yōu)化，減少了棧橋的工程量。

4.2.4 豎向支承系統(tǒng)優(yōu)化

本工程的豎向支承系統(tǒng)主要采用支撐/棧橋下鋼格構(gòu)柱與柱下立柱樁的形式。對此部分的優(yōu)化，采用的主要措施為：通過對立柱及立柱樁所承受的荷載進(jìn)行細(xì)分，從而優(yōu)化豎向支承系統(tǒng)。對于多根支撐相交的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行單獨(dú)的計(jì)算并歸并。

5 優(yōu)化前后效益對比

本工程主要通過調(diào)整結(jié)構(gòu)和圍護(hù)2個(gè)方面對整個(gè)基坑工程進(jìn)行全過程的優(yōu)化，在基坑的經(jīng)濟(jì)效益性上有顯著的提高，主要優(yōu)化量詳見表2。

表2 基坑優(yōu)化量

整個(gè)基坑工程優(yōu)化的工程量達(dá)到基坑原造價(jià)的14%，極大地節(jié)約了工程造價(jià)。同時(shí)，也與國家提倡的低碳環(huán)保的要求相一致。

6 工程中出現(xiàn)的危機(jī)及處理方式

在本基坑的施工過程中，主要出現(xiàn)了以下問題和危機(jī)，這些問題和危機(jī)在過程優(yōu)化中均有預(yù)測，并制訂了相應(yīng)的處理措施。

6.1 位移過大導(dǎo)致管線沉降

在基坑北側(cè)和西側(cè)均鄰近已建道路及地下管線，且北側(cè)和西側(cè)的道路亦是施工車輛進(jìn)出的主要道路。

在實(shí)際的施工過程中，隨著基坑土方的開挖，北側(cè)和西側(cè)的基坑土體及圍護(hù)墻體位移持續(xù)增加，而重載車輛的來回進(jìn)出則進(jìn)一步加劇了圍護(hù)體的變形，導(dǎo)致北側(cè)的地下管線沉降嚴(yán)重，甚至產(chǎn)生持續(xù)報(bào)警的情況[9,10]。

在這樣的危機(jī)下，通過設(shè)計(jì)、監(jiān)理和施工單位的緊急磋商，采取如下的措施來控制基坑圍護(hù)的位移變形和北側(cè)管線的沉降。

6.1.1 對施工車輛限流、限速、限載

對進(jìn)出場地的重載車輛采取限流、限速和限載的措施，防止高速車輛對基坑施加過大的荷載、對管線產(chǎn)生較大的擾動。

6.1.2 控制土方開挖速度

控制土方開挖的速度，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)及施工方案的要求，降低開挖的范圍和速度，分塊分層開挖，并嚴(yán)禁超挖。在開挖至基底后，需抓緊時(shí)間分塊澆筑基坑墊層。

6.1.3 加強(qiáng)降水效果

在土方開挖的過程中，仍需進(jìn)行基坑降水，使土體固結(jié)，從而控制基坑的位移，防止管線沉降過大。

6.2 格構(gòu)柱偏差超過規(guī)范要求

在基坑開挖第2層土方時(shí)，發(fā)現(xiàn)有若干立柱存在較大偏差，若繼續(xù)開挖，可能會導(dǎo)致立柱失穩(wěn)的情況發(fā)生，為此，通過對每根傾斜的立柱進(jìn)行驗(yàn)算，采取如下的措施。

6.2.1 對棧橋上施工車輛限流、限速、限載

對這些有偏差的格構(gòu)柱上的棧橋區(qū)域進(jìn)行限流、限速和限載的措施，偏差太大的區(qū)域利用圍欄進(jìn)行封閉，不得再利用這部分棧橋板作為施工作業(yè)的區(qū)域。

6.2.2 偏斜格構(gòu)柱外包角鋼

在偏斜的格構(gòu)柱外面包一層同一型號的角鋼，以增大格構(gòu)柱的截面積和強(qiáng)度，提高這些格構(gòu)柱的穩(wěn)定性，防止強(qiáng)度破壞或立柱失穩(wěn)。

6.2.3 增加剪刀撐

在偏斜的格構(gòu)柱和格構(gòu)柱之間加焊剪刀撐，提高這些格構(gòu)柱的穩(wěn)定性[11]。

7 結(jié)語

深基坑工程是一門系統(tǒng)工程，在實(shí)際的設(shè)計(jì)與施工過程中，既要考慮基坑工程本身與周邊環(huán)境的安全性，也要兼顧工程本身的經(jīng)濟(jì)性。本文探討了大型深基坑工程的優(yōu)化范圍和方式，并結(jié)合工程實(shí)例，通過對地下室結(jié)構(gòu)以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行全過程的優(yōu)化，在保證安全的情況下，極大地節(jié)約了工程造價(jià)，達(dá)到了可持續(xù)發(fā)展的要求[12,13]。