魏 祥

（上海申元巖土工程有限公司，上海市 200040）

0 引言

軟土地區(qū)中的超大面積超深基坑支護工程，因其風(fēng)險更大，不確定因素更多，如何平衡安全可靠和經(jīng)濟合理兩個方面，是巖土工程領(lǐng)域設(shè)計和施工的難點。許多學(xué)者對軟土地層中超大深基坑的支護設(shè)計理念、施工實踐、優(yōu)化設(shè)計等課題開展了大量的工程實例研究和數(shù)值分析，取得了大量實踐與研究成果[1-6]。

本文以位于上海市浦東新區(qū)東方萬國企業(yè)中心基坑圍護工程為例，提出了軟土地層中一種新型的超大面積深基坑開挖技術(shù)：環(huán)島法，供類似基坑工程的設(shè)計與施工參考。

1 工程概況

東方萬國企業(yè)中心位于上海浦東新區(qū)金橋出口加工區(qū)，唐陸路以西、新金橋路以南。整個項目由20萬m2地上建筑空間及10萬m2下沉式廣場組成。

本工程用地面積95 530 m2，總建筑面積286 589 m2，地上由10幢10～12層主樓及多層裙房組成，地下2層。

本工程基坑長約320 m，寬約170～250 m，開挖面積達到70 800 m2，普遍開挖深度11.1 m，屬于超大面積深基坑。周邊道路及道路下管線、臨近建筑是基坑圍護設(shè)計保護的重點?；悠矫娌贾眉爸車h(huán)境見圖1。

擬建場地地貌類型屬濱海平原相地貌類型，場地地形均較為平坦。場地內(nèi)存在厚達11.5～16.8 m的軟弱土層，為流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，詳細地層分布情況及圍護設(shè)計參數(shù)見表1。

圖1 基坑平面布置圖及周圍環(huán)境

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

同時，根據(jù)規(guī)范計算[7]，場地內(nèi)第⑦層承壓水對本工程基坑開挖無影響。

2 基坑支護技術(shù)難點及方案選擇

2.1 技術(shù)難點

本基坑工程具備以下幾個技術(shù)難點：

（1）基坑開挖面積超大，達7萬m2，開挖深度達11.1 m，且形狀不規(guī)則，周邊環(huán)境復(fù)雜，需保護對象多。

（2）土層地質(zhì)條件差，場地內(nèi)存在厚達11.5～16.8 m的軟弱土層，基坑開挖面正處在軟弱土層中，該土層抗剪強度低，靈敏度中～高，具有觸變性和流變性特點，是導(dǎo)致基坑圍護體變形、內(nèi)力增大的土層。

（3）工期緊，本工程地上由10幢10～12層主樓及多層裙房組成，且主樓均分布在基坑外圈，根據(jù)建設(shè)單位要求，10幢主樓需同時開挖，整個項目總工期計劃2 a。

（4）結(jié)構(gòu)特點，本工程中心區(qū)域為下沉式廣場，面積為1萬m2左右，該區(qū)域缺失地下室頂板及中樓板，常規(guī)做法中的中樓板換撐等無法實現(xiàn)。

2.2 基坑支護設(shè)計總體思路

常規(guī)基坑支護總體方案主要有順作法和逆作法兩類基本形式[8]。由于本基坑面積超大，又涉及到整體開挖還是分區(qū)開挖的問題，接下來針對本基坑的技術(shù)難點，就幾種常規(guī)的基坑支護總體思路逐條分析優(yōu)劣：

（1）順作法分區(qū)開挖，超大面積深基坑分區(qū)開挖較為常規(guī)，也可確保安全。但需設(shè)置分區(qū)隔離支護結(jié)構(gòu)，造價較高，還涉及到相鄰基坑交叉施工的問題，工期較長，且本工程主樓分布較散，分區(qū)則無法滿足所有主樓同時開挖的要求。同時，基坑中心區(qū)域大面積缺失頂板和中樓板也存在問題。

（2）順作法整體開挖。如此大面積的深基坑采用順作法整體開挖是極為罕見的，因水平支撐體系長度較大，剛度較弱，受溫度及混凝土徐變影響較大，而且大面積基坑同時開挖坑底回彈、隆起量空間效應(yīng)明顯，對周邊環(huán)境影響范圍及程度均較大，安全隱患較大。

（3）順作法中心島法，對于本工程來說，大面積的中心區(qū)域的地下室樓板缺失，不適合采用傳統(tǒng)的“中心島”法；且本工程開挖深度大，采用一道斜拋撐撐在中心區(qū)域底板上風(fēng)險較大。同時，中心島法周邊留土后挖，本工程主樓區(qū)域位于基坑外周，均只能后施工，不利于項目總工期控制。

（4）逆作法開挖，逆作法通常采用樓板作為坑內(nèi)臨時支撐，但基坑中心區(qū)域大面積缺失頂板和中樓板，無法形成坑內(nèi)支撐系統(tǒng)。且本工程出土量巨大，逆作法出土效率低，工期將大大拉長，同時，逆作法技術(shù)復(fù)雜，對施工工藝要求高，設(shè)計受主體結(jié)構(gòu)設(shè)計進度制約。

綜上所述，對于本基坑工程，現(xiàn)有的幾種常規(guī)支護思路都有較突出的缺點，無法確保在安全可靠的前提下節(jié)約造價，同時兼顧建設(shè)單位主樓同時開挖的要求，縮短工期。

2.3 “環(huán)島法”基坑支護設(shè)計總體思路

結(jié)合本工程基坑特點、結(jié)構(gòu)特點（中心區(qū)域分布下沉式廣場）及建設(shè)單位要求，從“中心島開挖”方案得到啟發(fā)，創(chuàng)造性地提出了一種新型基坑支護設(shè)計總體思路：“環(huán)島法”。

“環(huán)島法”與傳統(tǒng)的中心島法正好相反，即采用內(nèi)外兩圈圍護結(jié)構(gòu)，將基坑分為外圍環(huán)形區(qū)域和內(nèi)部中心區(qū)域（本工程為下沉式廣場區(qū)域）。施工順序為：首先開挖周邊環(huán)形區(qū)域基坑，施工外圍地下室結(jié)構(gòu)，待外圍地下室結(jié)構(gòu)完成并施工主樓上部結(jié)構(gòu)的同時，再開挖內(nèi)部中心區(qū)域土方，因已完成的周邊地下室主體結(jié)構(gòu)可擋土，內(nèi)部中心區(qū)域無需再設(shè)置坑內(nèi)臨時支撐。

環(huán)島法與幾種常規(guī)設(shè)計思路的優(yōu)劣性比較見表2。

表2 環(huán)島法與常規(guī)設(shè)計思路優(yōu)劣比較

3 “環(huán)島法”基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

3.1 支護結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)本基坑工程的開挖深度、周邊環(huán)境、地層性質(zhì)，結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗，本基坑支護結(jié)構(gòu)考慮采用板式圍護結(jié)構(gòu)：鉆孔灌注樁結(jié)合止水帷幕。

外圍區(qū)域支護結(jié)構(gòu)采用Φ850@1 050/Φ950@1 150鉆孔灌注樁，設(shè)計強度C30，樁長22.1～25.6m。外側(cè)設(shè)Φ850@600三軸水泥土攪拌樁止水，樁底埋深17.9 m，水泥摻量20%，典型剖面詳見圖2。

內(nèi)圍區(qū)域支護結(jié)構(gòu)采用Φ850@1 050鉆孔灌注樁，設(shè)計強度C30，樁長22.1～24.6 m，不設(shè)止水樁，典型剖面見圖3。

圖2 外圍區(qū)域典型剖面

圖3 中心區(qū)域典型剖面

3.2 內(nèi)支撐系統(tǒng)與施工棧橋布置

外圍區(qū)域采用兩道鋼筋混凝土支撐。支撐布置形式以對撐為主，輔以角撐。內(nèi)圍區(qū)域采用外圍已完成的地下室結(jié)構(gòu)擋土，不再設(shè)置坑內(nèi)臨時支撐。

圍護設(shè)計結(jié)合第一道支撐及場地出入口設(shè)計了10條棧橋，外圍區(qū)域基坑開挖時，棧橋覆蓋率近20%，棧橋中心區(qū)域的留土正好作為施工場地且將10條棧橋連通，大大方便了土方的開挖、建筑材料的運輸和泵車混凝土的澆筑,加快工程進度。同時，在周邊地下室結(jié)構(gòu)完成后，保留部分棧橋，以便中心區(qū)域的土方開挖、運輸及底板的澆注等。

“環(huán)島法”基坑支撐及施工棧橋布置見圖4。

圖4 環(huán)島法基坑支撐布置

3.3 環(huán)島法支撐與整體布置支撐比較分析

為了驗證“環(huán)島法”支撐布置相較于整體布置支撐而言，支撐布置更合理，剛度更大，整體性更好，采用同濟啟明星BSC軟件對“環(huán)島法”支撐和整體布置支撐分別進行了支撐計算，對兩種支撐布置形式的桿件變形、受力進行了比較，詳細結(jié)果見表3。

表3 “環(huán)島法”支撐與整體支撐計算結(jié)果比較

從表3中可以看出：超大面積的支撐布置對支撐剛度的影響較大，尤其是受力較大的第二道支撐，桿件變形增加的幅度非常大。而桿件內(nèi)力所受影響相對較小，與“環(huán)島法”支撐相比，桿件各項內(nèi)力略有增加。

同時，為考慮溫度變化對支撐桿件的影響，采用SAP2000分析了幾種溫度變化下“環(huán)島法”支撐和整體布置支撐的桿件變形，詳細結(jié)果見圖5、圖6和表4。從圖表中可以看出，在同樣的溫度變化下，較長的支撐桿件受溫度變化影響更大，變形值遠遠大于較短的支撐桿件。

4 監(jiān)測結(jié)果分析

本基坑從2010年7月開始施工，至2012年7月完成基坑工程及土建工程，工期滿足建設(shè)單位要求。

圖5 溫度變化時“環(huán)島法”支撐桿件變形圖

圖6 溫度變化時整體布置支撐桿件變形圖

表4 溫度變化對“環(huán)島法”支撐與整體支撐影響比較

根據(jù)監(jiān)測單位提供的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，整個施工過程中，圍護結(jié)構(gòu)水平變形控制在3～5 cm，圖7～圖9分別給出了挖土到坑底、大底板澆筑完成和支撐拆除三種工況下圍護結(jié)構(gòu)水平變形曲線，從三張曲線圖可以看出，“環(huán)島法”施工時基坑圍護結(jié)構(gòu)水平變形趨勢與常規(guī)設(shè)計思路施工時變形趨勢一致，體現(xiàn)為：未拆撐時為拋物線型位移，拆撐時為懸臂式位移與拋物型位移的組合。

圖7 挖土至坑底時圍護結(jié)構(gòu)水平變形曲線

圖8 大底板澆筑完成時圍護結(jié)構(gòu)水平變形曲線

圖9 拆撐工況時圍護結(jié)構(gòu)水平變形曲線

為了進一步對比“環(huán)島法”設(shè)計思路與常規(guī)設(shè)計思路在實際工程中的應(yīng)用，特選取了位于上海市長寧區(qū)某中心島基坑工程，該基坑面積為40 460 m2，開挖深度為 7.65～11.15 m，場地內(nèi)同樣存在較厚的軟弱土層，基坑施工過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)見表5。從表5中可以看出，“環(huán)島法“設(shè)計思路能有效控制圍護結(jié)構(gòu)變形、周邊地面沉降和坑底隆起量，較中心島設(shè)計思路更加能確保安全，保護環(huán)境。

表5 “環(huán)島法”與中心島法監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)語

軟弱土層中超大面積深基坑開挖的關(guān)鍵技術(shù)問題在于不僅要確?；幼陨斫Y(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的安全，還要考慮到結(jié)構(gòu)特點、工期造價建設(shè)單位要求等多方面因素。本基坑所采用的新型基坑支護總體設(shè)計思路：環(huán)島法，正是基于對以上這些關(guān)鍵因素的思考，結(jié)合本工程特點，在常規(guī)基坑支護設(shè)計思路的基礎(chǔ)上加以創(chuàng)新。該項目的成功實施，給超大面積深基坑同時開挖提供了一個新思路，是基坑工程設(shè)計的又一創(chuàng)新。

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