周 婉

上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 201114

隨著城市化進(jìn)程不斷加快，在用地愈發(fā)緊張的城市中心，結(jié)合城市建設(shè)和改造開發(fā)大型地下空間已成為一種必然[1]。超大面積深基坑工程的數(shù)量在上海地區(qū)呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)[2]，同時(shí)上海作為典型的軟土地區(qū)，地面多分布濱海沉積相的軟土，其具有含水率高、孔隙比大、壓縮性高、靈敏度高等地質(zhì)特性，對(duì)基坑開挖影高響較大[3]。

型鋼水泥土攪拌墻（SMW工法）是一種在連續(xù)套接的三軸水泥土攪拌樁內(nèi)按一定間隔方式插入型鋼形成的復(fù)合擋土隔水結(jié)構(gòu)，在軟土地基中有廣泛應(yīng)用。本文以上海某新建高檔服裝服飾生產(chǎn)基地項(xiàng)目的基坑工程設(shè)計(jì)為例，探討型鋼水泥土攪拌墻圍護(hù)形式在軟土地基中的應(yīng)用實(shí)踐。

1 工程概況

上海某新建高檔服裝服飾生產(chǎn)基地位于閔行區(qū)。擬建建筑包括1棟4層產(chǎn)業(yè)樓、4棟8～13層產(chǎn)業(yè)樓，設(shè)置整體2層地下車庫。地下車庫為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，工程樁采用PHC管樁。本工程基坑面積約33 700 m2，周長(zhǎng)約1 021 m，總體呈狹長(zhǎng)梯形，普遍開挖深度10.3 m，靠邊集水井深坑區(qū)域開挖深度11.6 m。

本工程?hào)|側(cè)為蓮花南路，道路下分布有少量市政管線，道路上空高壓電纜線距基坑約10.3 m；南側(cè)為規(guī)劃四路、某構(gòu)件廠、若干活動(dòng)房及磚砌體倉庫等；西側(cè)為淡水河；北側(cè)為南潮浜。用地紅線與基坑間的距離很近，為6.2 m左右（圖1）。

圖1 基坑周邊環(huán)境示意

2 場(chǎng)地地質(zhì)條件

本工程擬建場(chǎng)地屬濱海平原地貌，開挖深度范圍內(nèi)的土層主要包括飽和黏性土、粉性土和砂土，呈水平層理分布。場(chǎng)地東北角沿地下車庫邊線有一處暗浜，浜填土厚約1.10 m，層底埋深約3.54 m，主要為灰黑色流塑狀淤泥。場(chǎng)地內(nèi)對(duì)開挖有影響的承壓含水層為第⑦層砂質(zhì)粉土，其相對(duì)隔水層為第③、④、⑤1及⑥層。經(jīng)初步估算，該基坑承壓水安全系數(shù)均大于1.05，可不考慮承壓水頭對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響，但擬建場(chǎng)地北鄰南潮浜，西鄰淡水河，在基坑開挖設(shè)計(jì)與施工中仍需采取有效的防滲漏措施。

3 基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.1 方案選型

綜合分析本基坑的規(guī)模、地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)形式及工期要求等因素，總結(jié)出本工程的特點(diǎn)如下：

1）擬建場(chǎng)地除淺層一定厚度的填土和粉質(zhì)黏土外，普遍分布有第④層淤泥質(zhì)黏土，其厚度達(dá)12 m左右。基底標(biāo)高位于該土層中，且基底以下淤泥層厚度較大。該淤泥質(zhì)黏土呈流塑狀態(tài)，屬于高壓縮性、低強(qiáng)度的軟弱土層。

2）基坑面積及開挖深度大，時(shí)空效應(yīng)顯著，長(zhǎng)時(shí)間的開敞施工會(huì)增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、坑底隆起和地表沉降。因此，需要通過合理的支撐平面布置和科學(xué)的整體工序安排，以有效控制基坑變形，保證工程安全實(shí)施。

3）業(yè)主方對(duì)本工程工期及造價(jià)要求較高，整個(gè)基坑開挖施工周期必須控制在6個(gè)月內(nèi)。這就要求設(shè)計(jì)方合理選擇支護(hù)方案和基坑分區(qū)開挖方案，施工方嚴(yán)格遵循分區(qū)施工流程與土方開挖要求，確?；蝇F(xiàn)場(chǎng)施工的質(zhì)量與安全。

針對(duì)上述特點(diǎn)，并結(jié)合上海地區(qū)的類似工程經(jīng)驗(yàn)，本基坑工程曾考慮了2種支護(hù)方案：

1）鉆孔灌注樁＋水泥土攪拌樁止水＋內(nèi)支撐。鉆孔灌注樁施工工藝成熟，圍護(hù)樁剛度較大，對(duì)變形控制能力強(qiáng)，結(jié)合水泥土攪拌樁作為止水帷幕，彌補(bǔ)了自身的防滲缺點(diǎn)；但鉆孔灌注樁的養(yǎng)護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)，造價(jià)相對(duì)較高。

2）型鋼水泥土攪拌墻＋內(nèi)支撐。型鋼水泥土攪拌墻作為一種復(fù)合擋土止水結(jié)構(gòu)，沒有開槽或鉆孔的工序，減少了對(duì)鄰近土體的擾動(dòng)，對(duì)周圍環(huán)境影響小，并具有較好的剛度和止水性能，能夠滿足本基坑的擋土及隔水要求。同時(shí)，型鋼水泥土攪拌墻養(yǎng)護(hù)時(shí)間短，可有效縮短施工工期、降低施工措施費(fèi)，內(nèi)插型鋼能重復(fù)回收利用，造價(jià)較經(jīng)濟(jì)。

3.2 支護(hù)方案

經(jīng)比選后，本基坑最終確定采用型鋼水泥土攪拌墻＋內(nèi)支撐的支護(hù)形式。型鋼水泥土攪拌墻采用φ850 mm@600 mm的三軸水泥土攪拌樁內(nèi)插H700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型鋼，坑內(nèi)豎向設(shè)置2道鋼筋混凝土水平支撐體系，以減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移，保證支護(hù)體系整體穩(wěn)定（圖2）。其中，水泥土攪拌樁采用套接一孔法施工，普遍區(qū)域型鋼布置采用“插二跳一”形式。靠邊深坑區(qū)域則采用“密插”的布置形式。2道內(nèi)支撐凈距達(dá)4.6 m，滿足運(yùn)土車行車高度要求和結(jié)構(gòu)的施工空間要求。同時(shí)，考慮到基坑呈不規(guī)則長(zhǎng)條形，為便于組織土方開挖、加快流水施工搭接速度并縮短工程工期等，支撐平面布置采用對(duì)撐、角撐結(jié)合邊桁架的形式，在支撐中部留設(shè)有7個(gè)較大的作業(yè)空間。為進(jìn)一步方便施工車輛的運(yùn)輸和挖機(jī)停靠，方案中結(jié)合支撐布置設(shè)置了部分施工棧橋，采用鋼板路基箱棧橋板結(jié)合鋼筋混凝土棧橋平臺(tái)及坡道，以提高施工效率并降低施工技術(shù)措施費(fèi)。

圖2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)典型剖面

4 環(huán)境影響數(shù)值分析

在型鋼水泥土攪拌墻結(jié)合內(nèi)支撐系統(tǒng)的支護(hù)方案下，為明確基坑開挖對(duì)基坑變形及周邊環(huán)境的影響，本工程采用平面有限元的方法進(jìn)行分析。分析時(shí)，選取基坑?xùn)|側(cè)高壓電纜線位置為危險(xiǎn)剖面，結(jié)合施工工況，模擬分析基坑、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊地表情況，以了解在施工開展過程中周邊環(huán)境的變化趨勢(shì)，以便及時(shí)采取有效的控制措施。

在數(shù)值模型分析中采用Hardening-soil（硬化土）模型模擬土體，以線彈性模型中的梁板單元模擬圍護(hù)結(jié)構(gòu)，模型邊界條件采用標(biāo)準(zhǔn)邊界。施工步包括：場(chǎng)地平整，施工周邊圍護(hù)體；基坑預(yù)降水后，開挖至第1道支撐底標(biāo)高，澆筑施工第1道鋼筋混凝土水平支撐；分層分區(qū)開挖至第2道支撐底標(biāo)高，澆筑施工第2道鋼筋混凝土水平支撐；分層分區(qū)開挖土方至基底。

圖3、圖4給出了最危險(xiǎn)工況下土體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形云圖。當(dāng)基坑開挖至基底時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移30.77 mm，基坑?xùn)|側(cè)地表最大沉降18.91 mm，與規(guī)范規(guī)定的變形控制指標(biāo)相比有一定的余量，表明采用型鋼水泥土攪拌墻結(jié)合內(nèi)支撐的圍護(hù)方案能夠?qū)⒒娱_挖對(duì)周邊環(huán)境的變形影響控制在允許范圍內(nèi)。

圖3 開挖至基底時(shí)水平變形云圖

圖4 開挖至基底時(shí)垂直變形云圖

5 主要技術(shù)要求

5.1 土方分層分區(qū)開挖

本工程基坑面積較大，整體呈狹長(zhǎng)梯形狀態(tài)，基坑開挖過程中產(chǎn)生的時(shí)空效應(yīng)顯著。為能在最大限度控制基坑變形以減小對(duì)周邊環(huán)境影響的前提下保證施工速度，土方開挖需嚴(yán)格遵循“先撐后挖、限時(shí)支撐”的原則，采取分層分區(qū)分塊開挖、分段施工的方法，以減少基坑開挖卸荷后圍護(hù)體無支撐暴露的時(shí)間和空間。

本工程結(jié)合支撐體系的平面布置形式，采用了分層分區(qū)分塊的方法進(jìn)行土方開挖。按支撐道數(shù)豎向分3層進(jìn)行開挖。

1）第1層土方開挖對(duì)周邊環(huán)境影響較小，因此，采用由中間向東西兩側(cè)大面積退挖的方式同步開挖至第1道支撐底，之后及時(shí)澆筑形成第1道鋼筋混凝土支撐和棧橋。

2）第2層土方按照盡早形成南北向?qū)巍p少基坑無支撐暴露時(shí)間和空間的原則，分成4個(gè)分區(qū)，各分區(qū)按盆式開挖并及時(shí)澆筑支撐，使得局部支撐系統(tǒng)及時(shí)形成并發(fā)揮作用，直至整個(gè)支撐體系形成。該層土方分區(qū)開挖的先后順序?yàn)椋篈2→B2→C2→D2（圖5）。

圖5 第2層土方開挖分區(qū)示意

3）第3層土方根據(jù)基礎(chǔ)底板后澆帶位置及主樓基礎(chǔ)位置分成2個(gè)分區(qū)，各分區(qū)按后澆帶位置分塊開挖。該層土方分區(qū)開挖的先后順序?yàn)椋篈3→B3（圖6）。

圖6 第3層土方開挖分區(qū)示意

5.2 大角撐抗剪鍵設(shè)置

考慮到基坑呈狹長(zhǎng)形的特點(diǎn)，支撐平面在4個(gè)角部均采用了3～5道角撐的布置形式。為確保在基坑施工過程中外側(cè)的水土壓力能通過支撐桿件有效傳遞并相互平衡，在角撐區(qū)域受力較大的第2道圍檁與圍護(hù)結(jié)構(gòu)間設(shè)置抗剪措施（圖7），控制角撐變形。

圖7 抗剪鍵布置示意

6 結(jié)語

本工程屬于深、大基坑工程，在綜合考慮地質(zhì)特性、周邊環(huán)境條件及工期需求等實(shí)際因素后，采用了型鋼水泥土攪拌墻圍護(hù)結(jié)合內(nèi)支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式。目前，該工程全部結(jié)構(gòu)施工已完成，整個(gè)基坑工程采用信息化施工和動(dòng)態(tài)控制方法，通過合理的土方開挖，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，基坑開挖實(shí)施過程中周邊土質(zhì)未出現(xiàn)擾動(dòng)、下沉開裂及較大變形等現(xiàn)象，整體情況良好，為工程在既定時(shí)間內(nèi)竣工提供了保障，具有一定的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益，可為今后類似工程提供參考經(jīng)驗(yàn)。