宋青君

1.同濟大學 上海 200092；2.華東建筑設計研究院有限公司 上海 200002

1 基坑圍護設計

1.1 工程概況

該項目地處上海市靜安區(qū)繁華商業(yè)中心地段，主體建筑為63層塔樓和整體4層地下室。本工程基坑面積約為14 000 m2，基坑周長約480 m，基坑呈不規(guī)則方形。主樓采用片筏基礎，基礎底板厚3 500 mm，裙樓采用承臺梁板式基礎，承臺及基礎梁高約1 200 mm，底板厚900 mm，基底設置厚200 mm墊層，主樓區(qū)域基坑開挖深度19.40 m，裙樓及純地下室區(qū)域基坑周邊開挖深度17.10 m。

基坑南側鄰近市政道路，道路下方存在較多的市政管線，東側和西側為高層建筑，北側有待拆遷的居民樓，東北角有3層民宅。其中待拆遷的居民樓和3層民宅建筑年代較長，經(jīng)現(xiàn)場勘驗，房屋存在較多裂縫，對地基變形較為敏感（圖1）。

1.2 工程地質概況

擬建場地地貌類型屬濱海平原，場地地勢平坦，地面絕對高程為1.96～2.99 m。巖土層分布有：①填土，②黏土，③淤泥質粉質黏土，④淤泥質黏土，⑤1-1黏土，⑤1-2粉質黏土，⑥粉質黏土，⑦1f粉砂。

地下水屬潛水類型，其主要補給來源為大氣降水，水位補給隨季節(jié)變化而變化，上海市年平均高水位埋深為0.50 m，低水位埋深為1.50 m，勘察期間所測得的地下水靜止水位埋深一般在0.70～1.55 m之間，其相應標高一般在1.04～1.94 m之間?；訃o設計水位取水位埋深0.50 m。

圖1 工程總平面示意

1.3 基坑支護設計方案選型

基坑實施前根據(jù)開挖深度、周邊環(huán)境條件等進行了多種圍護體系設計方案的選型分析，方案一是常規(guī)的“周邊地下連續(xù)墻＋坑內鋼筋混凝土內支撐”的順作法方案；方案二是將工期緊、基坑面積小的主樓區(qū)先通過順作法實施，然后對主樓周邊的裙樓區(qū)采用逆作法進行實施；方案三是采用周邊逆作結合塔樓區(qū)域設置內支撐的方式將基坑開挖到底后，再進行塔樓區(qū)域結構的順作施工。將工期緊、基坑面積小的主樓區(qū)先通過順作法實施，然后對主樓周邊的裙樓區(qū)采用逆作法進行實施[1,2]。

但工程的實際情況是：基地北側部分建筑物尚未拆除，導致基坑工程不能進行整體開挖，因此必須采用分區(qū)實施的基坑工程方案；本工程中超高層塔樓的工期是控制總工期的關鍵，因此需要盡量縮短塔樓的工期。綜合以上因素，為了達到盡早開工，控制總工期的目的，最終確定了采用方案二作為本工程的基坑實施方案。避開周邊待拆遷建筑的影響，將塔樓進行單獨圍護，盡快進入塔樓的上部結構施工；塔樓地下結構完成后，根據(jù)拆遷的進度，分塊進行剩余區(qū)域的逆作開挖，避免設置臨時支撐，使用剛度較大的結構樓板作為水平支撐，在滿足分塊拆遷的情況下，可以最大化地減少基坑工程實施對周邊環(huán)境的影響。

1.4 基坑支護設計總體方案

基坑周邊全部采用兩墻合一的地下連續(xù)墻作為基坑圍護結構。為最快完成塔樓的地下結構施工，在基坑內部的塔樓周邊設置臨時圍護結構進行隔斷，與距離塔樓較近一側的地下連續(xù)墻共同形成塔樓區(qū)域的圍護結構，該區(qū)域內采用順作法施工，設置臨時支撐，先撐后挖至基底標高后及時澆筑基底墊層并進行基礎底板的施工，再向上施工塔樓各層結構梁板，邊施工結構構件邊拆撐，直至塔樓地下結構施工結束。

塔樓進行地下結構施工的同時可以進行裙樓區(qū)域周邊地下連續(xù)墻、主體工程樁和一柱一樁的施工。塔樓地下結構完成進入上部結構施工后，再進行周邊純地下室的地下結構逆作施工。利用地下結構梁板體系替代臨時支撐，由上到下逐層施工各層結構梁板，其間進行逆作區(qū)域的土方開挖工作。逆作區(qū)域與順作區(qū)域的每層結構梁板貫通時，逐層拆除中間的臨時隔斷圍護樁。逆作區(qū)域開挖至基底后，施工基礎底板，完成整個地下室施工。

1.5 基坑支護設計

1.5.1 塔樓順作區(qū)域基坑支護設計

本工程塔樓區(qū)域單獨圍護，采用順作法先行施工。塔樓位于基坑的南側，單獨進行支護設計的范圍呈矩形，周邊圍護結構由南側的厚1 000 mm地下連續(xù)墻與基地內部的臨時隔斷圍護體組成?；觾炔颗R時隔斷圍護體采用φ1 100 mm@1 300 mm鉆孔灌注排樁結合單排φ850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁止水帷幕。順作區(qū)域內部設置3道鋼筋混凝土支撐系統(tǒng)（圖2）。

塔樓基坑的形狀比較規(guī)則，基坑內部采用鋼筋混凝土對撐結合角撐的支撐布置形式。支撐平面布置中，主撐桿件避讓塔樓主要豎向結構，使得基坑開挖到底后，可以在不拆撐的情況下進行塔樓地下結構的施工，進一步加快塔樓施工速度（圖3）[3,4]。

1.5.2 純地下室逆作區(qū)域基坑支護設計

周邊純地下室區(qū)域采用逆作法施工。因現(xiàn)場拆遷的原因，逆作區(qū)域也分為3個區(qū)分別進行逆作施工。逆作區(qū)域周邊同樣采用兩墻合一的地下連續(xù)墻作為基坑圍護結構。逆作法施工中利用4層結構梁板作為支撐傳遞水平力，圍護結構為厚800 mm的地下連續(xù)墻（圖4）。

圖2 塔樓區(qū)域圍護剖面示意

圖3 塔樓區(qū)域支撐平面布置

圖4 純地下室區(qū)域圍護剖面

逆作區(qū)域的每層結構樓板替代臨時水平支撐，結合逆作土方開挖的需要，在樓梯間、結構開口等位置設置出土口。地下室首層結構樓板還需要設置逆作施工作業(yè)平臺層，滿足挖機、運土車等施工機械的作業(yè)荷載要求。各個分區(qū)的結構樓板施工時，與已形成區(qū)域的樓板相接，開洞較大的坡道、機電用房位置需設置臨時支撐，確保水平力的有效傳遞（圖5）。

圖5 逆作區(qū)域結構樓板平面布置

2 順逆作圍護結構變形分析與實測

從上文的介紹中可以看出，塔樓區(qū)域采用厚1 000 mm的地下連續(xù)墻和φ1 100 mm@1 300 mm的鉆孔灌注排樁，基坑內部設置了3道鋼筋混凝土支撐體系。純地下室區(qū)域采用厚800 mm的地下連續(xù)墻，基坑內部利用4層地下結構替代水平支撐。下面通過對圍護結構的計算、數(shù)值模擬分析以及實測3個方面對圍護結構的變形進行對比分析，了解在相同場地上不同的圍護和支撐剛度對于圍護結構變形的不同影響[5,6]。

2.1 圍護結構的計算

基坑圍護體的計算采用規(guī)范推薦的豎向彈性地基梁法，土體的c、值均采用固結快剪指標，圍護體變形、內力計算和各項穩(wěn)定驗算均采用水土分算原則，計算中地面施工超載原則上取20 kPa。計算模型主要參數(shù)如表1所示。

表1 圍護結構計算模型主要參數(shù)

從計算模型主要參數(shù)來看，兩個區(qū)域的差異主要為圍護體和支撐的剛度差異。塔樓順作區(qū)域的圍護體剛度較大；但由于采用3道臨時支撐，而純地下室逆作區(qū)域是4層地下水平結構替代支撐，故塔樓區(qū)域的支撐剛度較弱。

從圖6的計算結果來看，塔樓順作區(qū)域的變形較大，尤其是鉆孔灌注排樁的臨時圍護結構變形最大（55.20 mm）。作為場地內部的臨時隔斷，因與周邊需要保護的建筑距離較遠，所以該變形值也是可以接受的。而從2個區(qū)域的地下連續(xù)墻的變形計算結果來看，厚1 000 mm的地下連續(xù)墻結合3道臨時水平支撐的計算變形（44.10 mm）和厚800 mm的地下連續(xù)墻結合4層地下室結構梁板的計算變形情況（43.50 mm）基本相當。

圖6 圍護結構變形計算結果

2.2 數(shù)值模擬分析

為了較準確地預測基坑工程開挖引起鄰近建筑的附加變形，采用通用有限元分析軟件進行基坑開挖卸荷引起鄰近建筑物附加變形的數(shù)值模擬，取典型剖面進行計算。

有限元數(shù)值計算中土體采用Hardening-Soil等向硬化彈塑性模型，混凝土梁板、柱結構采用彈性模型，同時采用Goodman接觸單元考慮了土體和地下結構之間的相互作用。計算模型模擬了初始地應力場、鄰近建筑對地應力場的影響、地下連續(xù)墻的施工和被動區(qū)加固作用等影響因素，并通過單元生死模擬“主樓順作、裙樓逆作”的基坑開挖全過程，分別對基坑開挖卸荷作用產(chǎn)生的周邊建筑物附加變形進行預測分析。分析主要結果如圖7所示。

圖7 數(shù)值模擬分析結果

塔樓區(qū)域距離需要保護的建筑較遠，基坑開挖到底時，鉆孔灌注排樁圍護結構的最大水平變形達到62.77 mm，較前面計算的結果偏大一些；此時，鄰近房屋的計算變形非常小。逆作區(qū)域地下連續(xù)墻的變形較計算結果相差較大。純地下室區(qū)域逆作開挖后，由于水平結構樓板的剛度很大，圍護結構的變形只有39.51 mm，此時鄰近建筑的最大水平變形為19.87 mm，最大沉降量為22.89 mm。支撐道數(shù)和剛度的差異在數(shù)值模擬分析中對圍護體變形的影響顯著，逆作法進行基坑工程開挖，對于控制環(huán)境影響作用明顯。

2.3 工程實測結果與分析

本基坑工程開挖深度深、面積大，環(huán)境保護要求高，施工難度較大。整個基坑工程分區(qū)較多，塔樓順作區(qū)域從基坑開挖到地下室結構形成歷時175 d；純地下室逆作區(qū)域（一個分區(qū)）從基坑開挖到基礎底板形成歷時189 d。實踐證明本工程的圍護結構設計是合理而且有效的，為地下工程的順利實施創(chuàng)造了有利條件?；娱_挖前布置的各個監(jiān)測測點記錄了基坑開挖過程中開挖、架撐、換撐以及拆撐等主要工況圍護結構位移變化。各個工況概述如表2所示。

表2 基坑工程工況

總體來說，圍護結構的實測變形均較理論計算值大，變形的規(guī)律與理論計算也吻合。通過信息化的監(jiān)測數(shù)據(jù)反映，圍護結構是穩(wěn)定可靠的；環(huán)境監(jiān)測真實準確地反映了實際的變形情況，及時提出預警，并采取了有效措施確保保護對象的正常使用。總體上，本工程的設計是合理的，為地下工程的順利實施創(chuàng)造了條件，同時整個開挖階段并未影響周邊道路、市政管線以及建筑物的正常使用。

從計算結果可以看出，圍護結構的變形基本與計算得出的變形形式吻合。隨著土方開挖的不斷進行，圍護結構的最大變形位置也不斷下降。開挖到基底以后圍護結構的最大變形出現(xiàn)在基底附近。

塔樓順作區(qū)域支撐剛度相對較弱，圍護結構的變形值普遍都在60 mm以上，其中地下連續(xù)墻的最大側向位移為63.70 mm，鉆孔灌注排樁最大側向位移為64.40 mm。圍護結構的變形主要產(chǎn)生在開挖階段，而在基礎底板形成后的拆撐工況中，圍護結構的側向位移基本穩(wěn)定。純地下室逆作區(qū)域地下連續(xù)墻的最大側向位移為48.50 mm，較塔樓順作區(qū)域小。圍護結構的變形值隨開挖深度的變化較為明顯，最大側向變形的深度逐步加深（圖8）。

3 結語

順作法和逆作法作為基坑工程實施中主要采用的設計方案，其各自的特點較為突出。結合工程的實際情況將二者結合，能夠更好地滿足對于不同工期、工程量以及環(huán)境保護的要求[7,8]。

圖8 圍護結構的水平位移

本工程基坑面積較大，周邊環(huán)境保護要求較高，塔樓工期緊張，但場地內部分建筑尚未完成拆遷。為加快塔樓施工速度，將塔樓區(qū)域單獨圍護，采用順作法開挖基坑和進行地下結構施工。臨時圍護位于用地范圍以內，且與需要保護的周邊建筑拉開了距離，因此順作基坑的環(huán)境保護要求可適當放松；塔樓基坑實施期間，周邊區(qū)域可提供充分的施工場地。周邊地下室區(qū)域分區(qū)進行逆作施工，利用逆作結構樓板替代臨時支撐與已經(jīng)形成的塔樓地下樓板連接，支撐剛度大，更有利于控制圍護結構的變形。

通過合理分析工程特點、充分利用順作法和逆作法方案的優(yōu)勢，相互結合，可以協(xié)調工程工期控制、工程量控制以及環(huán)境影響控制等幾方面的不同要求，為城市地下空間的開發(fā)創(chuàng)造更為有利的條件。