上海地區(qū)鄰近保護建筑的深大基坑工程設(shè)計

呂 琦

（上海市地礦工程勘察（集團）有限公司 上海 200072）

0 引言

上海為典型的沿海軟土地基城市［1］，地表淺層廣泛分布深厚軟土，具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強度低等特點［2-4］，對工程建設(shè)十分不利。尤其是在上海市區(qū)進行深大基坑開挖，周邊環(huán)境往往極為復(fù)雜，項目實施對環(huán)境影響十分敏感。

本文以上海市靜安區(qū)某深大基坑工程為背景，介紹位于軟土地區(qū)鄰近保護建筑物的深大基坑工程的設(shè)計思路。

1 工程概況

1.1 項目概況

某項目位于上海市靜安區(qū)，周邊環(huán)境如圖1所示。規(guī)劃用地面積59 177.20 m2，總建筑面積270 905.98 m2，建設(shè)用途為商務(wù)辦公及商業(yè)服務(wù)用地。地上部分包含4 幢新建22∕31F 高層辦公樓、1 幢由保護建筑改造的1F公益會展中心，地下部分為2F車庫，地下車庫采用樁筏基礎(chǔ)，工程樁采用?600 及?800灌注樁。

圖1 項目周邊環(huán)境Fig.1 Surrounding Environment of the Proposed Site

1.2 基坑概況

本工程±0.000 相當(dāng)于絕對標高5.050 m，自然地坪設(shè)計絕對標高為4.100 m，即相對標高為-0.950 m。基坑總面積約為38 710 m2，外圍總延長米約1 163 m，基坑形狀極不規(guī)則。地下室普遍區(qū)域開挖深度為10.400 m，北側(cè)降板區(qū)域開挖深度為12.40 m∕12.90 m；基坑內(nèi)部存在若干集水井，深度為0.70～4.40 m。

1.3 周邊環(huán)境

擬建場地原為某機器廠工業(yè)園區(qū)，場地內(nèi)部大部分建筑物已拆除，但東側(cè)保留原零部件車間廠房建筑（見圖2），距離基坑開挖邊線約11.3 m。零部件生產(chǎn)車間為單層鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)，廠房高度約13.9～20.0 m，廠房采用鋼筋混凝土柱，墻體為240 mm 厚粘土磚墻，基礎(chǔ)采用柱下獨立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底面埋深約1.88～2.21 m。零部件生產(chǎn)車間共分為A、B、C、D 四個區(qū)，各區(qū)上部結(jié)構(gòu)相互獨立，本工程將對A、C 區(qū)進行拆除，剩余B、D 區(qū)改造翻修成本工程會展中心區(qū)域。零部件生產(chǎn)車間具有一定的歷史價值和藝術(shù)價值，保護要求較高。

圖2 東側(cè)零部件生產(chǎn)車間Fig.2 Parts Production Workshop on the East Side of the Foundation Pit

場地西南角保留原專家樓，距離基坑開挖邊線約11 m。專家樓建于20 世紀70 年代，為2 層磚混結(jié)構(gòu)，由東區(qū)與西區(qū)組成。西區(qū)基礎(chǔ)形式不詳，東區(qū)基礎(chǔ)采用剛性大放腳磚基礎(chǔ)，埋深為0.81 m。專家樓為遺存歷史保留建筑，見證了中國履帶式推土機技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)的歷史與成就，具有一定的歷史價值，保護要求較高。

另外，擬建場地東側(cè)、北側(cè)用地紅線外為規(guī)劃道路；南側(cè)、西側(cè)紅線外為20～25 m寬規(guī)劃公共綠地，綠地外側(cè)為中環(huán)路高架及南北高架，距離基坑約30～40 m，道路下埋設(shè)信息、電力、給水、燃氣等多種市政管線，距離基坑約20～40 m，位于2～4倍基坑開挖深度范圍內(nèi)。

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

⑴擬建場地位于東海之濱、長江入海口處，屬長江三角洲沖積平原，場地地貌類型屬濱海平原。場地內(nèi)地面標高在4.54～3.81 m 之間，高差0.73 m，一般地面標高約4.10 m，地形較平坦。

⑵勘察深度范圍內(nèi)揭露的地基土均屬第四紀沉積物，主要由粘性土、粉性土及粉砂組成。土層主要物理力學(xué)性能參數(shù)如表1［5］所示。

表1 土層主要物理力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Main Physical and Mechanical Parameters of Soil Layer

⑶場地內(nèi)淺層地下水屬潛水，主要補給來源為大氣降水及地表徑流，排泄方式主要為蒸發(fā)；潛水高水位埋深按地表下0.5 m考慮，地下水低水位埋深按地表下1.5 m考慮。承壓水賦存在第⑦、⑧2、⑨1、⑨2、?層中，其中⑧2、⑨1、⑨2層承壓水為連通狀態(tài)。承壓水水位呈周期性變化，水位埋深約3.0～12.0 m。根據(jù)計算，地下室普遍區(qū)域第⑦層承壓水不會發(fā)生突涌情況，但大于2.0 m降板及深坑區(qū)域存在突涌的可能。

3 基坑圍護方案設(shè)計

3.1 工程特點與難點

⑴本工程基坑面積大，開挖深度深，基坑形狀不規(guī)則，且場地地質(zhì)條件較差，施工過程中易引起較大變形。本工程基坑開挖范圍內(nèi)涉及的土層有①、②、③、③夾、④層，坑底基本位于④層中。①層雜填土土質(zhì)松散且局部填土厚度較大，開挖時容易坍塌；③、④層為淤泥質(zhì)土，呈飽和流塑狀態(tài)，孔隙比大、壓縮性高、強度低，易產(chǎn)生蠕變和剪切破壞，對基坑工程影響較大。

⑵擬建工程位于市區(qū)，場地周邊分布高架橋、已建建筑物及多種重要市政管線等，環(huán)境條件復(fù)雜。尤其基坑?xùn)|側(cè)及西南側(cè)鄰近重要的保留建筑，根據(jù)房屋檢測報告，保留建筑存在一定的體系缺陷、結(jié)構(gòu)損傷等問題，房屋質(zhì)量較差，保護要求高，變形要求嚴。

⑶本工程局部區(qū)域存在承壓水突涌的可能，需進行減壓降水，減壓降水過程中需注意采取措施減小對周邊環(huán)境的影響。

3.2 基坑圍護方案

3.2.1 基坑分區(qū)設(shè)計

根據(jù)本工程的基坑深度、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、周邊環(huán)境條件等，按照上海市工程建設(shè)規(guī)范《基坑工程技術(shù)標準：DG∕TJ 08-61—2018》，本工程普遍區(qū)域基坑安全等級為二級，北側(cè)降板區(qū)域安全等級為一級，環(huán)境保護等級為二級［6］。制定圍護設(shè)計方案時，根據(jù)本工程的特點，統(tǒng)籌考慮基坑安全及周邊環(huán)境安全、場地條件、施工周期等因素，采取有針對性的圍護方案，確?；庸こ痰捻樌M行。

由于本工程基坑規(guī)模大、施工周期長，若采用整體支護及開挖方案，則支撐桿件長度較大，影響支撐剛度，而且支撐整體形成所需時間較長，基坑無支撐暴露時間長，對保護周邊環(huán)境不利。同時，整體開挖會造成一次性卸土方量過大，影響基坑及周邊環(huán)境的安全性。另外，采用整體開挖方案會造成周邊可利用空間較小，不便于施工道路及材料堆場的布置，影響施工進度。因此，本工程根據(jù)商業(yè)辦公樓及酒店等主樓的位置，以及基坑的形狀，對基坑進行合理分區(qū)，將基坑分為A、B、C、D 四區(qū)（見圖3）。其中A 區(qū)基坑面積約12 594 m2，延長米約為482 m；B 區(qū)基坑面積約10 100 m2，延長米約為462 m；C區(qū)基坑面積約12 778 m2，延長米為503 m；D 區(qū)基坑面積約3 237 m2，延長米為263 m。

圖3 基坑分區(qū)平面示意圖Fig.3 Schematic Diagram of the Zoning of the Foundation Pit

分區(qū)后基坑規(guī)模由1 個大基坑劃分為4 個小基坑，按照分區(qū)間隔開挖的原則可有效控制單批基坑卸荷范圍，大大減小基坑長邊效應(yīng)的不利影響；而且分區(qū)后基坑輪廓較為規(guī)則，便于優(yōu)化支撐平面布置，支撐體系受力更加合理，有利于控制基坑變形、保護周邊環(huán)境［7-10］。

分區(qū)之后，4 幢主樓分別劃分在3 個區(qū)中，1#、3#和4#樓工期較緊，所在分區(qū)A 區(qū)、B 區(qū)可優(yōu)先施工，能最大程度滿足建設(shè)單位的需求。同時，后施工區(qū)域可作為臨時堆載場地，可一定程度緩解場地緊張，便于整個項目施工進度的統(tǒng)籌安排。

3.2.2 圍護設(shè)計總體方案

分區(qū)后，根據(jù)基坑面積、開挖深度、場地地質(zhì)條件及周邊環(huán)境條件等，遵循安全、合理、經(jīng)濟、可行的原則，通過幾種圍護結(jié)構(gòu)的比較，確定本工程采用順作法施工，普遍區(qū)域基坑圍護設(shè)計方案采用鉆孔灌注樁結(jié)合三軸水泥土攪拌樁止水帷幕+2 道水平混凝土支撐的形式，局部降板區(qū)域設(shè)置第三道鋼支撐。普遍區(qū)域圍護樁采用?900 灌注樁，樁長L=21.50 m，灌注樁嵌入坑底12.70 m，插入比1.22；止水帷幕采用?850@600 三軸水泥土攪拌樁，樁長L=32.50 m。典型支護剖面如圖4所示。

圖4 基坑支護典型剖面Fig.4 Typical Sectional View of Foundation Pit Support （mm）

鋼筋混凝土支撐體系采用邊桁架結(jié)合角、對撐的布置形式，第一道支撐混凝土設(shè)計強度等級為C30，第二道支撐混凝土設(shè)計強度等級為C35。為便于施工，提高出土效率，第一道支撐設(shè)置施工棧橋。具體支撐布置形式詳如圖5 所示，桿件參數(shù)詳如表2所示。

表2 支撐桿件參數(shù)Tab.2 Parameter of Support Member

圖5 第一道支撐平面布置Fig.5 Layout Plan of the First Support System

3.2.3 鄰近保護建筑側(cè)圍護設(shè)計方案

由于基坑?xùn)|側(cè)及西南側(cè)緊鄰保護建筑，變形控制要求嚴格，設(shè)計方案采取了針對性的處理措施，支護剖面如圖6所示。

圖6 鄰近保護建筑側(cè)基坑支護剖面Fig.6 Cross-sectional View of Foundation Pit Support on the Side of Adjacent Protected Buildings （mm）

具體處理措施如下：

⑴鄰近房屋區(qū)域圍護灌注樁樁徑加大、樁長加長。普遍區(qū)域圍護樁采用?900灌注樁，樁長L=21.50 m；鄰近房屋區(qū)域圍護樁采用?1 100灌注樁，樁長L=23.50 m，圍護灌注樁插入比1.41。通過加大圍護樁樁徑提高圍護墻的側(cè)向剛度，控制基坑變形；通過加長樁長，控制坑內(nèi)土體隆起及坑外地表沉降。

⑵坑外設(shè)置隔離樁。圍護樁與保護建筑之間設(shè)置單排鉆孔灌注樁作為隔離樁，隔離樁樁徑?700 mm，樁間距1.0 m，樁長21.00 m，樁底嵌入⑥層暗綠～草黃色粉質(zhì)粘土中，樁頂設(shè)置900 mm×700 mm混凝土壓頂梁將隔離樁連為整體。通過設(shè)置隔離樁在基坑與保護建筑物之間形成一道屏障，阻礙土體側(cè)向變形傳遞及地表沉降。

⑶ 坑內(nèi)被動區(qū)設(shè)置雙軸水泥土攪拌樁裙邊加固。由于基坑開挖面以上的土質(zhì)較差，施工過程中土層易發(fā)生較大變形，因此對坑內(nèi)被動區(qū)土體采用?700@500 mm雙軸攪拌樁進行加固以提高被動區(qū)土體強度，控制基坑側(cè)向變形。第一道支撐底至第二道支撐底間加固深度5.55 m，水泥摻量8%；第二道支撐底至坑底以下4.0 m加固深度7.20 m，水泥摻量13%。

⑷中樓板B1板設(shè)置型鋼斜拋撐換撐。由于地面與中樓板之間的高差約5.1 m，第一道支撐拆除后圍護樁懸臂高度較大，易產(chǎn)生較大變形，因此在B1 板設(shè)置H400×400×13×21型鋼斜撐換撐，斜撐間距7～10 m。斜向型鋼換撐具有操作簡便、施工速度快、受力可靠等優(yōu)點［11］，有利于控制第一道支撐拆除后的圍護樁變形。

⑸施工之前對保護建筑進行必要的加固。在工程樁與圍護樁施工之前，先行采用靜壓錨桿樁對零部件生產(chǎn)車間廠房進行基礎(chǔ)加固，靜壓錨桿樁長25.0 m，樁端位于⑥層暗綠～草黃色粉質(zhì)粘土中。專家樓受現(xiàn)場條件限制未進行加固。

3.2.4 承壓水風(fēng)險評判與降水方案

本項目基坑開挖過程中局部區(qū)域存在承壓水突涌的風(fēng)險，但如若采取承壓水減壓，勢必要采取措施維持坑外承壓水穩(wěn)定。為兼顧以上兩方面問題，承壓水降水設(shè)計從止水、降水、觀測、回灌4 個方面進行全方位風(fēng)險預(yù)防與控制。

基坑外圍止水帷幕采用超深三軸水泥土攪拌樁，樁長32.5 m，穿過⑦層承壓含水層，進入⑧1-1層相對隔水層1.0 m 以上，隔斷坑內(nèi)外水力聯(lián)系?；娱_挖前通過抽水試驗確定承壓水頭實際標高，并根據(jù)勘察報告進一步摸清⑦層埋深變化分布規(guī)律，結(jié)合基坑挖深變化分布，合理布置一定數(shù)量的坑內(nèi)減壓井，并嚴格遵循“按需降壓”的原則進行降水。同時，對坑內(nèi)局部落深坑采用高壓旋噴樁封底加固，盡量減小減壓降水范圍。另外，在坑外設(shè)置水位觀測井兼做回灌井，對水位變化、地面沉降等密切監(jiān)測，若坑外出現(xiàn)承壓水水位異常下降、地面沉降異常加大等情形，可采取坑外回灌措施，減小對周邊環(huán)境的不利影響。

通過以上多種措施，最終本工程基坑施工過程中未產(chǎn)生承壓水突涌等問題，周邊地表未出現(xiàn)較大沉降，很好地保護了鄰近建筑物。

3.2.5 設(shè)計工況

本工程首先施工鄰近保護建筑處隔離樁，待保護建筑隔離樁養(yǎng)護達到設(shè)計強度的80%后，施工工程樁及基坑圍護結(jié)構(gòu)。圍護體完成后進行基坑降水，然后開挖A 區(qū)、B 區(qū)土方并進行地下結(jié)構(gòu)施工，待A 區(qū)、B 區(qū)頂板及頂板換撐完成后，進行C 區(qū)、D 區(qū)土方開挖及地下室結(jié)構(gòu)施工。待C 區(qū)、D 區(qū)頂板與A 區(qū)、B 區(qū)頂板連成整體后，由上至下分段鑿除分隔樁，將分隔樁兩側(cè)中樓板與底板連接為整體。

4 工程實施效果

本工程在實施過程中，對圍護墻體深層水平位移、支撐軸力、支撐立柱沉降、周邊地表沉降、鄰近建筑物沉降、周邊管線變形、坑外地下水位、周邊高架橋等進行了監(jiān)測。以下主要對鄰近保護建筑區(qū)域的圍護墻體深層水平位移、保護建筑物的沉降及基坑周邊地表沉降情況進行介紹。

設(shè)計階段采用同濟啟明星深基坑支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計計算軟件進行剖面計算，根據(jù)計算結(jié)果，鄰近保護建筑物區(qū)域圍護墻體深層水平位移最大值為27.5 mm，水平位移最大值基本上位于樁身9～10 m 處。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，基坑工程完成時鄰近保護建筑物區(qū)域圍護墻體深層水平位移最大值24～31 mm 之間，與理論計算最大值接近，且現(xiàn)場監(jiān)測實際樁身變形曲線與理論計算變形曲線基本一致，如圖7所示。

圖7 圍護墻體深層水平位移計算值與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比Fig.7 Comparison of Lateral Displacement between Calculation Data and Monitoring Data on Retaining Wall

基坑周邊的保護建筑布置了36個沉降監(jiān)測點，其中零部件生產(chǎn)車間周邊布置了F1～F30 共30 個，專家樓周邊布置了F31～F36 共6 個。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，零部件生產(chǎn)車間沉降量普遍在10～20 mm 之間，未達到監(jiān)測報警值，如圖8所示。由圖8可知，基坑開挖階段房屋沉降量較大，地下室底板澆筑完成后房屋沉降逐漸趨于穩(wěn)定。另外，專家樓沉降量與零部件生產(chǎn)車間沉降量相比普遍偏大，部分監(jiān)測點沉降量超過報警值。初步分析是由于專家樓未采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?，同時專家樓鄰近基坑陽角處，且西南側(cè)基坑邊界與支撐軸線夾角較小，不利于支撐發(fā)揮作用。

圖8 零部件生產(chǎn)車間沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線Fig.8 Curve of Settlement Monitoring Data in Parts Production Workshop

本工程周邊布設(shè)21組地表沉降監(jiān)測斷面，每組沉降監(jiān)測斷面設(shè)置5 個沉降監(jiān)測點，沉降監(jiān)測點由基坑邊2 m 開始布置，然后依次間隔3 m、5 m、5 m、7 m 布設(shè)。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，地表沉降量普遍在10～25 mm 之間，未達到監(jiān)測報警值26 mm。但個別沉降監(jiān)測點數(shù)據(jù)達到40 mm 左右，沉降量較大（見圖9），分析原因是地表沉降監(jiān)測點臨近棧橋出入口，重型車輛通行量大，致使下沉量明顯大于其它區(qū)域。由圖9可見，位于一倍基坑開挖范圍內(nèi)的地表沉降較大，一倍范圍之外的地表沉降逐漸減小。另外，由地表沉降監(jiān)測歷時曲線圖可知，施工過程中坑外地表整體呈現(xiàn)下降趨勢，基坑開挖期間沉降量較大，地下室底板澆筑完成后地表沉降量逐漸減小，如圖10所示。

圖9 地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線Fig.9 Curve of Surface Subsidence Monitoring Data

圖10 地表沉降監(jiān)測歷時曲線Fig.10 Duration Curve of Surface Subsidence Monitoring Data

項目實施過程中，在參建各方的共同努力下，本工程得以安全、順利完成，鄰近保護建筑物、地下管線、高架橋等周邊環(huán)境得到很好地保護，達到了預(yù)期目標。

5 結(jié)論

本工程為軟土地區(qū)的深大基坑，基坑形狀不規(guī)則，場地地質(zhì)條件差，周邊環(huán)境復(fù)雜，且緊鄰重要保護建筑物，變形要求嚴格，保護要求高。

項目實施過程中，通過合理分區(qū)將基坑由大化小，通過間隔開挖、分區(qū)實施的方法減小了時空效應(yīng)對基坑及周邊環(huán)境的不利影響。同時通過采取有針對性的處理措施，如設(shè)置隔離樁、加強圍護結(jié)構(gòu)、加固坑內(nèi)被動區(qū)土體、設(shè)置斜換撐控制樁頂變形等，進一步控制基坑施工階段的變形，有效地保護了周邊環(huán)境。本工程的成功實施為軟土地區(qū)類似深大基坑項目的設(shè)計與施工提供了參考。