敏感保護環(huán)境下大面積深基坑工程的設(shè)計與實踐★

陳 暢

(1.同濟大學(xué)，上海 200092； 2.華東建筑設(shè)計研究院有限公司上海地下空間與工程設(shè)計研究院，上海 200002； 3.上?；庸こ汰h(huán)境安全控制工程技術(shù)研究中心，上海 200011)

1 概述

大規(guī)模的高層建筑地下室、地下商場、地下停車場、地鐵車站、地下變電站等地下空間工程都涉及到深基坑工程。21世紀(jì)以來，上海地區(qū)基坑規(guī)模越來越大，與此同時，城區(qū)內(nèi)建筑物密集、管線繁多、地鐵車站密布、地鐵區(qū)間隧道縱橫交錯，深基坑工程的環(huán)境條件日趨復(fù)雜。如何在確保敏感保護環(huán)境安全的前提下實施大規(guī)模深基坑是工程建設(shè)中面臨的一個重要課題。

上海四川北路4街坊108號地塊綜合開發(fā)項目(下文簡稱本項目)緊鄰地鐵隧道、淺基礎(chǔ)民居、市政道路及市政管線，基坑周邊環(huán)境保護要求極高。本文以該項目為背景，介紹了敏感保護環(huán)境下大面積深基坑工程的設(shè)計與實踐。

2 工程概況

2.1 基坑工程概況

本項目位于上海市虹口區(qū)，四川北路、乍浦路、武昌路、天潼路所圍之地。本項目上部建筑由2幢150 m高層塔樓和2層～5層附屬裙房組成，整體設(shè)置4層地下室(南側(cè)由于鄰近地鐵隧道，2跨范圍內(nèi)減層為3層地下室)，基坑面積2.26萬m2，地下4層開挖深度22 m～27 m，臨地鐵側(cè)地下3層開挖深度17.6 m。

2.2 環(huán)境概況

本項目位于上海市虹口區(qū)繁華地段，項目周邊環(huán)境極為復(fù)雜，保護要求高?；幽蟼?cè)為天潼路，道路下為運營中的上海地鐵12號線區(qū)間隧道，最近距離僅為14 m；基坑?xùn)|側(cè)為多幢2層～6層的多層建筑，最近距離僅為6 m，上述建筑為天然地基、磚混結(jié)構(gòu)，且使用過程中經(jīng)過加層，結(jié)構(gòu)形式較差，根據(jù)業(yè)主的進度安排，上述建筑待本項目基坑施工完成后拆除，但需保證基坑施工階段的正常使用，故基坑施工階段仍需對上述建筑物的變形進行控制；北側(cè)武昌路對面存在多幢居民住宅，2層～4層的磚混結(jié)構(gòu)，天然地基，與基坑間的最近距離為13.9 m。除此之外，基坑周邊的市政道路及其下的市政管線也是基坑工程施工過程中需重點保護的對象。圍護結(jié)構(gòu)方案設(shè)計必須采取切實可行的具體措施，控制基坑開挖過程中對環(huán)境的各種不利影響?；丨h(huán)境總平面圖詳見圖1。

2.3 地質(zhì)概況

本項目場地屬濱海平原地貌類型，基坑開挖深度影響范圍內(nèi)的土層主要以第①層填土、第②3層粘質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、第④層淤泥質(zhì)粘土、第⑤層粉質(zhì)粘土、第⑦層粉砂為主?；娱_挖范圍內(nèi)的第④層土呈流塑狀，對基坑受力及變形控制較為不利。土層物理力學(xué)性質(zhì)綜合成果表及土層剖面詳見表1，圖2。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)綜合成果表

本場地內(nèi)地下水類型為潛水和承壓水。本場地淺部地下水屬潛水類型，水頭埋深一般為0.5 m～1.5 m。場地內(nèi)承壓水主要為深部的第⑦層、第⑨層，第層，對本工程有直接影響的為第⑦層承壓水，實測水頭埋深約為6.0 m～7.0 m[1]。

3 敏感保護環(huán)境大面積深基坑方案設(shè)計

3.1 項目特點及難點

從基坑工程特點、土層地質(zhì)條件及周邊環(huán)境來分析，本基坑工程具有如下幾個特點及難點：

1)大面積深基坑工程的風(fēng)險性：本工程基坑面積約2.26萬m2，普遍開挖深度22 m，塔樓電梯井深坑區(qū)域開挖深度達27 m，屬大面積深基坑工程。深基坑工程實施過程中受到基坑開挖、地下水、大氣降水以及施工動載等許多不確定因素的影響，存在一定的風(fēng)險性。

2)基坑周邊環(huán)境保護要求極高：基坑周邊緊鄰市政道路及市政管線，基坑實施期間需予以保護。除此之外，基坑南側(cè)緊鄰地鐵隧道、東側(cè)和北側(cè)緊鄰天然地基的多層建筑，上述建構(gòu)筑物均處于1倍基坑開挖深度范圍內(nèi)，上述建構(gòu)筑物保護要求極高，應(yīng)重點關(guān)注。

3)相鄰基坑群施工的相互影響：在天潼路與乍浦路路口的三個方向有三個基坑需同步施工，而地鐵12號線橫貫其中，基坑設(shè)計時需考慮基坑群施工的相互影響及基坑群施工對地鐵變形的疊加影響，基坑本體及周邊環(huán)境的變形控制難度極大。

4)土層條件復(fù)雜，變形控制難度大：基坑開挖范圍分布有深厚的淤泥質(zhì)土層，上述土層含水量大、壓縮性高，物理力學(xué)性質(zhì)相對較差，對基坑工程的變形控制較為不利；深層分布有承壓含水層，基坑開挖需抽降承壓水，抽降承壓水將造成周邊的沉降。同時本工程為深大基坑工程，施工周期長，軟土的蠕變對基坑變形影響較大，故本項目基坑變形控制難度大。

3.2 基坑的總體分區(qū)及施工流程設(shè)計

綜合考慮基坑特點、周邊環(huán)境、地質(zhì)條件及業(yè)主的項目開發(fā)進度，本項目基坑支護采用“化整為零、分區(qū)實施”的設(shè)計思路[2]?；臃謪^(qū)平面示意圖詳見圖3。

基坑分區(qū)時應(yīng)首先考慮項目的整體開發(fā)節(jié)奏，實現(xiàn)業(yè)主既定的工期目標(biāo)。本項目的2個塔樓位于整個項目工期的關(guān)鍵路徑上，基坑支護分區(qū)時應(yīng)重點關(guān)注塔樓工期，設(shè)計時將地下4層區(qū)域的大基坑劃分為A，B，C共3個大的分區(qū)，2個塔樓分別落于A區(qū)和B區(qū)，施工時考慮A區(qū)和B區(qū)先期同步實施，此時C區(qū)作為2坑同步實施期間的“緩沖區(qū)”。同時，考慮到地鐵保護，鄰近地鐵側(cè)再劃分出窄條小基坑，由于窄條小基坑與地鐵相鄰的邊長較長，將上述小基坑再劃分為D區(qū)和E區(qū)2個小的分區(qū)。

基坑實施時，分為3個階段：由于塔樓位于A區(qū)和B區(qū)2個基坑分區(qū)，故第一階段首先施工A區(qū)和B區(qū)2個分區(qū)基坑；第二階段，待A區(qū)及B區(qū)地下室結(jié)構(gòu)施工完成后再進行C區(qū)及D區(qū)基坑的實施；第三階段，待C區(qū)及D區(qū)地下室結(jié)構(gòu)完成后，再進行E區(qū)基坑的施工?；邮┕て矫婀r圖詳見圖4～圖6。

3.3 圍護體及支撐體系設(shè)計

本項目基坑開挖深度深，基坑周邊及內(nèi)部臨時隔斷均采用地下連續(xù)墻作為圍護體，為節(jié)省地下室外墻的造價，基坑周邊地下連續(xù)墻采用“兩墻合一”工藝。普遍區(qū)域地下連續(xù)墻厚度為1 000 mm，塔樓區(qū)域地下連續(xù)墻厚度為1 200 mm，為減小成槽對周邊環(huán)境的影響，基坑南側(cè)臨近區(qū)域及東側(cè)鄰近多層建筑區(qū)域地墻兩側(cè)設(shè)置三軸攪拌樁槽壁加固。

A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)3個大基坑分區(qū)坑內(nèi)設(shè)置5道鋼筋混凝土支撐體系，為增加支撐體系剛度，減小基坑施工時圍護體及周邊環(huán)境的變形，支撐體系采用十字正交的布置形式。C區(qū)、D區(qū)2個小基坑分區(qū)坑內(nèi)設(shè)置1道鋼筋混凝土支撐+4道水平鋼支撐體系，鋼支撐具有架設(shè)速度快、無需養(yǎng)護的優(yōu)點，有利于加快基坑速度，減小基坑施工時的“時空效應(yīng)”[3]；同時支撐體系采用軸力自動補償系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測結(jié)果實時施加預(yù)應(yīng)力，能有效地控制圍護體變形，減小基坑開挖對地鐵隧道的影響。

4 關(guān)鍵技術(shù)對策

4.1 地鐵隧道變形控制

地鐵12號線區(qū)間隧道距離本項目最近距離約14 m，處于1倍基坑開挖深度范圍內(nèi)，保護難度大。本項目基坑實施過程中采取如下針對性保護措施：

1)基坑分區(qū)實施：將本項目基坑分為遠離地鐵隧道的“大基坑”和鄰近地鐵隧道的“小基坑”，并對遠離地鐵隧道的大基坑進行進一步分區(qū)實施，防止大體量基坑一次性施工對地鐵隧道產(chǎn)生較大影響，充分利用時空效應(yīng)保護地鐵隧道。

2)鄰近地鐵側(cè)支撐道數(shù)增加：本工程普遍區(qū)域基坑開挖深度22.4 m，采用5道支撐體系，鄰近地鐵側(cè)小基坑開挖深度17.6 m，亦采用5道支撐體系，整體上相較常規(guī)基坑增加了1道支撐體系，以期減小基坑開挖階段圍護體變形，減小對地鐵隧道及車站的影響。

3)臨地鐵側(cè)小基坑的支撐采用軸力伺服系統(tǒng)：鄰近地鐵隧道的“小基坑”，寬度較窄，除第1道支撐外，均采用水平鋼支撐體系，為控制圍護體變形，支撐體系采用可實時施加預(yù)應(yīng)力的軸力伺服系統(tǒng)[4]。圖7為鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)裝置。

4)鄰近地鐵的小基坑采用三軸水泥土攪拌樁滿堂坑內(nèi)加固：基坑開挖面及地鐵隧道均位于流塑的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，該層土力學(xué)性質(zhì)差，基坑開挖階段圍護體變形難以控制。鄰近地鐵的小基坑采用三軸水泥土攪拌樁滿堂坑內(nèi)加固，以增加坑內(nèi)土體抗力，減小基坑開挖階段圍護體及地鐵隧道的變形。

5)在基坑圍護體與地鐵隧道間預(yù)留微擾動跟蹤注漿：考慮到地鐵隧道埋深較深，隧道上方水土壓力較大，若隧道側(cè)向卸土，會導(dǎo)致隧道上方與側(cè)向的土壓力不平衡，引起隧道的收斂變形。為減少基坑開挖引起地鐵隧道的收斂變形，本項目在基坑圍護體與地鐵隧道間設(shè)置了微擾動跟蹤注漿措施，將根據(jù)地鐵區(qū)間隧道的收斂變形、圍護體測斜、坑外土體測斜等數(shù)據(jù)確定是否進行坑外土體的微擾動跟蹤注漿措施，以補償由于基坑開挖而引起的坑外土體變形。采用微擾動跟蹤注漿技術(shù)可有效控制基坑施工對地鐵隧道的影響[5]。

4.2 周邊建筑變形控制措施

基坑?xùn)|側(cè)多層建筑在基坑開挖階段需正常使用，待基坑施工完成后拆除，故在基坑施工階段需對上述建筑進行保護?；又ёo設(shè)計時在保留建筑與本基坑圍護體之間設(shè)置隔離樁，以隔離土體變形的傳導(dǎo)路徑，以期減小基坑施工對多層建筑的影響；同時在隔離樁與地下連續(xù)墻間設(shè)置跟蹤注漿管，根據(jù)實際需要針對性的進行注漿填充加固。圖8為保留建筑側(cè)圍護結(jié)構(gòu)剖面圖。

在圍護體、隔離柱及坑外土體內(nèi)設(shè)置測斜管，實時監(jiān)控圍護體施工、土方開挖對周邊土體的擾動影響；基坑土方開挖階段，將根據(jù)建筑物沉降和差異沉降、隔離柱測斜及土體測斜結(jié)果確定是否在隔離柱及本工程地下連續(xù)墻間設(shè)置跟蹤注漿措施，以補償由于基坑開挖而引起的坑外土體變形。采用隔離樁及跟蹤注漿技術(shù)可有效控制基坑施工對保留建筑的影響。

5 基坑實施效果

本基坑實施過程中對基坑本體及周邊環(huán)境進行了監(jiān)測，以實現(xiàn)信息化施工，監(jiān)測結(jié)果表明基坑施工過程圍護體及周邊環(huán)境變形可控，證明設(shè)計過程中采用的技術(shù)措施合理可行，效果良好。

圖9為地下連續(xù)墻典型的測斜監(jiān)測點平面布置圖，其中CXQ1，CXQ2為鄰近地鐵隧道側(cè)地連墻測斜監(jiān)測點，其余各點為選取的各邊典型的地連墻測斜監(jiān)測點。

臨近地鐵隧道側(cè)地連墻CX1，CX2的側(cè)向變形在基坑開挖至基底時分別為17.8 mm和19.6 mm，地墻變形控制情況良好。普遍區(qū)域地連墻CX3，CX4，CX5的側(cè)向變形在基坑開挖至基底時分別為91.3 mm，95.6 mm和87.8 mm，總體變形可控。地墻水平位移曲線詳見圖10。

圖11為地鐵隧道垂直位移數(shù)據(jù)，基坑施工期間隧道的最大沉降約10 mm；圖12為地鐵隧道收斂變形數(shù)據(jù)，基坑施工期間地鐵隧道的最大收斂變形約25 mm。整體來看，基坑開挖至基底，地鐵變形整體較小，本項目基坑設(shè)計確保了基坑本體及地鐵隧道的安全。

6 結(jié)語

本項目基坑面積大、開挖深度深，基坑周邊環(huán)境極為復(fù)雜，本文重點介紹了本項目基坑支護設(shè)計方案，并就基坑設(shè)計及實施過程中的關(guān)鍵技術(shù)對策進行了詳述。該項目已施工結(jié)束，實踐證明，基坑設(shè)計中采用的相關(guān)技術(shù)措施合理可行，在幫助業(yè)主實現(xiàn)了既定的工期目標(biāo)的前提下，也保證了周邊環(huán)境的安全，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。