朱小軍

（上海申元巖土工程有限公司，上海 200011）

2010年上海世博會中國館（地區(qū)館）基坑圍護設計

朱小軍

（上海申元巖土工程有限公司，上海 200011）

結(jié)合2010年上海世博會中國館（地區(qū)館）項目基坑面積巨大，開挖較深，周邊環(huán)境復雜，保護要求較高，且對施工工期要求極高的特點，提出采用鉆孔灌注樁排樁擋土結(jié)合一道鋼管斜拋撐圍護結(jié)構形式，通過信息化施工，大大節(jié)約了工程造價和施工周期，具有很強的經(jīng)濟價值和社會效益。

基坑，圍護設計，中心島，環(huán)境影響，信息化施工

中國2010年上海世博會中國館項目由國家館、地區(qū)館、港澳臺館三個部分組成，其中國家館與地區(qū)館作為世博園區(qū)核心建筑物之一，永久保留。中國館項目場地位于浦東新區(qū)世博規(guī)劃圍欄區(qū)B片區(qū)，東接云臺路、南起南環(huán)路、西鄰上南路、北抵北環(huán)路，軌道交通M8號線從基地西北角地下穿過并通過地鐵周家渡站與場地內(nèi)建筑連接。國家館和地區(qū)館地下空間連通為一體，設1層地下室（局部地下2層），基坑總面積近4.5萬m2。其中，地區(qū)館基坑面積約3.3萬m2，開挖深度8.6 m～10.3 m。

1 工程特點與難點

1）地質(zhì)條件復雜。擬建場地工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復雜，表層雜填土較厚，成分主要為建筑垃圾，對基坑施工不利;坑底位于第④層淤泥質(zhì)粘土，土層較厚且力學性能較差，基坑開挖時土體變形大，開挖后容易發(fā)生蠕變變形;本場地在深度約17.0 m以下存在著第⑤2層砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土層，為微承壓含水層，對基坑可能產(chǎn)生頂突及突涌作用的危害。另外，擬建場地原為上鋼三廠，其下廢棄基礎、樁基等地下障礙物較多且埋置較深，清理困難。場地土層分布及相關參數(shù)見表1。

表1 土層物理力學參數(shù)

2）周邊環(huán)境復雜。世博中國館項目，西側(cè)緊鄰運營中地鐵M8號線及地鐵周家渡站，其他三側(cè)鄰近已建市政道路，道路下分布有共同溝、煤氣管、污水管、上水管等眾多重要地下管線及構筑物，對水平位移的控制要求較高，且對基坑開挖引起的地面沉降較為敏感，環(huán)境保護要求極高。

3）工期緊張。按照常規(guī)設計及建造施工周期，類似建筑至少需要兩年時間才能完成，但根據(jù)進度計劃要求中國館項目必須在2009年年底前竣工，工期只有不到一年半的時間且完全沒有回旋余地，這就要求中國館項目必須是在邊設計邊施工的特殊條件下進行，由此勢必帶來較大的調(diào)整工作量。由于圍護設計的特殊性質(zhì)，施工圖設計須待主體結(jié)構設計調(diào)整完成后方可進行，屬于設計調(diào)整的最后一個環(huán)節(jié);圍護結(jié)構卻是施工開始的第一項任務，因此圍護設計及施工周期極為緊張。

4）基坑規(guī)模較大。地區(qū)館項目基坑總面積約3.3萬m2，開挖土體約30萬m3?；邮┕み^程中“時空效應”特別是空間效應影響比較顯著，從而可能導致坑底土體隆起，周邊地面沉降，進而影響基坑及周邊環(huán)境安全，對基坑支護設計及施工要求較高。

2 圍護結(jié)構設計

2.1 圍護結(jié)構選型

根據(jù)主體結(jié)構特點，中國館地下結(jié)構“名義”上為地下1層，但其地下室層高達8 m，實際相當于中樓板缺失的常規(guī)項目地下2層的深度。按照上海地區(qū)的常規(guī)做法，類似項目基坑工程一般采用板式圍護結(jié)構結(jié)合兩道水平混凝土支撐分區(qū)施工。此種做法具有以下缺點:分區(qū)施工，基坑內(nèi)部考慮大基坑的風險一般需設置分期墻，同時為保證挖土、出土方便須設置大量施工棧橋及立柱，工程造價較高;結(jié)構中樓板缺失，為保證基坑安全，在第一道水平支撐拆除時須另行設置中樓板換撐，施工較為繁瑣;支撐爆破后會有二次變形，且生成大量的建筑垃圾處理困難，不利于環(huán)保;地下室結(jié)構施工工期將比預定工期延誤約6個月等。

作為上海市重大工程、世博會重點項目的中國館項目，對施工工期要求近乎苛刻，上海地區(qū)類似深度及規(guī)?；釉O計的常規(guī)做法對本工程不適用。針對中國館項目的特點，圍護設計人員通過計算分析、多方案比選，本著在保證安全、經(jīng)濟的大前提下，一切為了進度的原則，大膽而科學地進行科技創(chuàng)新，將中心島做法應用于本工程，提出采用鉆孔灌注樁排樁擋土結(jié)合一道鋼管斜拋撐圍護結(jié)構形式。在此之前，“斜拋撐中心島做法”在上海地區(qū)一般用于開挖較淺及周邊環(huán)境保護要求不高的基坑工程。通過本工程的成功實施，大大節(jié)約了工程造價和施工周期，且為上海軟土地區(qū)深大基坑工程采用“中心島”技術積累了豐富而寶貴的經(jīng)驗。

2.2 圍護技術特點

地區(qū)館項目主要挖深8.6 m，區(qū)域板式圍護結(jié)構采用φ1 000 @1 150 mm鉆孔灌注樁，因基坑面積較大，為控制坑底土體隆起，圍護灌注樁基坑插入比為1∶1.4左右;為控制樁頂位移，同時考慮到距離道路下管線距離較近，灌注樁后排設置3.85 m寬無擠土效應且強度較高的φ850三軸勁性水泥土攪拌樁壩體。

支撐采用一道斜拋撐中心島開挖的形式。斜拋撐體系具有設置靈活方便，節(jié)省工程造價等優(yōu)點，在大面積基坑工程中使用經(jīng)濟優(yōu)勢非常明顯。本工程基坑開挖較深，圍護結(jié)構所受側(cè)壓力較大，斜拋撐采用16 mm厚φ609雙拼鋼管。同時，因斜拋撐較長，為防止支撐失穩(wěn)，構造上設置22號槽鋼將雙拼鋼管連接，以增強其整體性。

基坑剖面示意圖如圖1所示。

圖1 基坑剖面示意圖

中國館項目采用此種結(jié)構形式具有以下優(yōu)點:圍護及支撐等臨時結(jié)構工程量最少，造價最低;地下室部分的施工工期最短;中間留有超大的挖土空間，施工方便，但是具有圍護體位移較大的缺點。針對這一問題，在設計中采取了如下措施:為進一步控制淺層土體位移，鉆孔灌注樁樁頂與地面齊平;為了增加被動區(qū)土體抗力，減小基坑變形，在坑內(nèi)兩級放坡平臺位置設置4.7 m寬的水泥土攪拌樁加固，此區(qū)域加固考慮經(jīng)濟性因素，加固攪拌樁采用φ700@500雙軸水泥土攪拌樁;合理安排土方分塊開挖，優(yōu)化土方開挖模式，包括每層土方開挖的厚度、范圍、坑邊留土高度與寬度，特別是坑底區(qū)域的挖土、留土、底板澆筑與臨時支撐的設置等。

3 設計計算

3.1 圍護體計算

基坑圍護體的計算采用規(guī)范推薦的豎向彈性地基梁法，土的c，φ值均采用勘察報告提供的固結(jié)快剪峰值指標，圍護墻變形、內(nèi)力計算和各項穩(wěn)定驗算均采用水土分算原則，地面超載按20 kN/m2考慮。在支撐體系的計算中，將支撐與圍檁作為整體，按平面桿系進行內(nèi)力、變形分析。支撐豎向及立柱按空間受力的框架進行分析。基坑設計計算軟件采用同濟啟明星基坑支護計算軟件（FRWS），支護樁體內(nèi)力及位移計算采用朗肯土壓力理論。圍護體位移內(nèi)力計算包絡圖如圖2所示。

3.2 環(huán)境影響計算分析

主要考慮基坑開挖對周邊道路的影響，采用Plaxis有限元分析程序建立二維分析模型。計算模型圖如圖3所示。

土體采用Mohr-Coulomb模型，圍護樁和支撐采用二維梁單元，考慮圍護與土體的耦合作用。計算區(qū)域為:豎直向影響深度一般不小于2H（H為基坑開挖深度），本模型取為地表以下40 m;水平向影響范圍一般不小于3H（H為基坑開挖深度），本模型水平向距離取為距基坑邊35 m。水平方向為X方向，垂直方向為Y方向，且對X邊界施加X向位移約束，Y邊界施加Y向約束。采用等三角形六節(jié)點模擬土體、水泥土;用梁單元模擬灌注樁;灌注樁和土體之間采用接觸面單元模擬。支撐模型采用點錨式桿件材料（彈性材料），支撐間距假定為10 m。

圍護體水平變形云圖如圖4所示。

圖2 位移內(nèi)力包絡圖

圖3 數(shù)值計算模型圖

圖4 水平變形云圖

計算結(jié)果表明:采用此種圍護結(jié)構形式，基坑開挖至坑底時，圍護樁最大水平位移為26.58mm，鄰近基坑道路及其地下管線最大水平位移為14.7 mm;最大豎向位移為11.2 mm。數(shù)值模擬結(jié)果表明基坑開挖對周邊環(huán)境的影響在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

4 信息化施工

在本特大型超深基坑設計采用了一系列的科技創(chuàng)新和設計創(chuàng)新的同時，對信息化施工提出了詳細的要求和安排，同施工、監(jiān)理和監(jiān)測單位一起形成了一整套設計、施工、監(jiān)測相配合，由設計指導施工，施工、監(jiān)測驗證完善設計的措施，真正做到信息化施工。

根據(jù)現(xiàn)場實測監(jiān)測數(shù)據(jù)不斷調(diào)整對基坑施工、土方開挖的要求，確?；庸こ淌┕た茖W合理的進行，確保環(huán)境安全在可控范圍之內(nèi)，順利的完成了中國館項目的基坑工程施工。中心島施工形成及鋼管支撐架設現(xiàn)場實拍照片如圖5，圖6所示。

圖5 中心島形成實拍圖

圖6 斜拋撐架設實拍照片

5 結(jié)語

從現(xiàn)場實際情況和工程造價分析來看，中國館項目采用此種結(jié)構形式，具有以下優(yōu)點:圍護及支撐等臨時結(jié)構工程量最少，造價最低;地下室部分的施工工期最短;支撐下土體采用中心島式開挖法，中間留有超大的挖土空間，施工最方便;可回收的鋼管斜拋撐同時兼做中樓板換撐，最經(jīng)濟、環(huán)保，具有很強的經(jīng)濟價值和社會效益。本工程的順利實施，為上海類似項目基坑圍護設計提供了成功經(jīng)驗，具有很強的借鑒意義和參考價值。

［1］蔡文輝，李駿.特大型基坑采用中心島斜支撐法的施工技術研究［J］.結(jié)構工程師，2005，6（3）：68-72.

［2］包旭范，莊麗，呂培林.大型軟土基坑中心島法施工中土臺預留寬度的研究［J］.巖土工程學報，2006，28（10）：1208-1212.

［3］劉國彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊［M］.第2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［4］JGJ 120-99，建筑基坑支護技術規(guī)程［S］.

［5］DBJ 08-61-97，基坑工程設計規(guī)程［S］.

［6］戚婷.某高層建筑基坑圍護設計方案優(yōu)化［J］.山西建筑，2010，36（5）：103-104.

Foundation enclosure design of Chinese pavilion（regional pavilion）in 2010 ShanghaiW orld Expo

ZHU Xiao-jun

（Shanghai Shenyuan Geotechnical Engineering Co.，Ltd，Shanghai200011，China）

In light of Chinese pavilion（regional pavilion）project characteristics in 2010 ShanghaiWorld Expo，such as large foundation area，deep excavation，complicated surrounding environment，high protection requirement and strict construction schedule，the paper puts forward the enclosure form of integrating bored pile retaining wallwith steel tube inclined bracing，which has strong economic value and social benefits.

foundation，enclosure design，center island，environmental influence，information construction

TU463

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2012.18.134

1009-6825（2012）18-0084-03

2012-04-25

朱小軍（1981-），男，碩士，工程師