浅谈超大型深基坑围护设计及施工

周向明

【摘要】本文笔者结合自己实际工作经验对大型深基坑围护设计及施工进行了概述，阐述了超大型深基坑围护设计及施工中的应用，并指出在大型深基坑围护设计及施工中经常出现的问题，针对这些问题提出相关建议及解决措施。

【关键词】超大型整体地下室 中心岛顺作 周边逆作 环板 钢立柱 降水 边坡

一 某工程概况

某工程总建筑面积为330 000 m2，由两层共90 000 m2的整体地下室及其上独立的多个建筑单体构成，是集办公、休闲娱乐、餐饮、购物于一体的现代化特大型商业建筑群。其地下室东侧距规划红线约11 m：南侧距规划红线约16 m：西侧距规划红线最近处为9 m；北侧距规划红线约13 m。地下一层层高6．0 m，地下二层层高4 m，基坑开挖范围约为286m X 160 m；基础埋深11 m，局部深坑约12．9 m。

本工程裙房为框架结构．主楼为框剪结构；框架柱距为8 400 mmX8 100 mm；地下室逆作区顶板300 mm厚，其余顶板250 mm厚；地下室中板为无梁楼盖，300 mm厚：裙房地下室底板800 mm厚，主楼地下室底板1 500 mm厚。

本工程基坑土层分布情况自上而下为①层填土1．5 m厚；②1层粉质粘土夹粘质粉土1．3 m厚；②3-1层砂质粉土夹淤泥质粘土8．05 m厚；②3-2层粉砂夹砂质粉土3 m厚：④层淤泥质粘土5．75 m厚；⑤层粉质粘土6．35 m厚；⑥1层粉质粘土3．3 m厚；⑥2层粉质粘土夹粘质粉土2．15 m厚。

二 围护设计方案选型

本工程基坑设计的重点和难点是：

(1)基坑面积大，周围环境复杂，地下室距红线距离较近：

(2)施工工期紧，从桩基工程开工至地下室施工完毕仅为12个月：

(3)地下一层层高达6．0m,对设置支撑和控制围护结构的变形不利。

针对本工程的实际情况，结合大型基坑工程常用的形式，在方案阶段，本着安全可靠、经济合理、施工便利和确保工期的原则，对可能的几种方案进行了比较(表1)。

综合考虑出土效率、工期以及成本等因素，本工程采用方案三：中心岛顺作+四周(全)逆作方案。

三 围护方案的细化及基坑开挖

3．1地下连续墙深度、厚度及接头的确定

通过对墙底地基承载力验算、坑底土体抗隆起稳定验算及抗渗流验算，最终确定对应不同土方开挖深度(11．9 m、12．8 m、12．9 m)的地下连续墙深度分别为25 m、26 m、28 m。

通过对600 mm、800 mm厚的地下连续墙进行内力和变形计算，发现前者不能满足构造及耐久性要求，而后者能满足。最终确定地下连续墙厚为800mm。

综合考虑成本和施工便利，地下连续墙接头采用柔性接头，不设扶壁柱，增加相应防排水措施。

为防止地下连续墙可能的渗漏影响结构使用功能，在距地下连续墙800 mm处设置一道砖砌隔墙，隔墙与地下连续墙之间的空隙用作设备管道和排水通道。

3．2水平传力体系的复核

本工程的围护水平支撑利用主体结构梁板体系，设计中主要对顶板主梁截面、中楼板截面进行复核。经设计复核，上述结构截面满足要求，顶、中楼板因局部开洞刚度减小进行了加强。

局部挖深处(12．9 m)经计算在挖土工况下弯矩和变形较大，按裂缝控制配筋不经济，因而设置一道书ф609 mm，壁厚12 mm的钢管临时支撑。

3．3抵抗侧压力的构造措施

为了减小地下连续墙在施工阶段的变形，在被动区以搅拌桩进行加固，深度为开挖面下4 m，在地下连续墙与内侧搅拌桩之间10 cm的空隙进行压密注浆。

3．4竖向支撑体系的设计

竖向支撑体系由钢立柱与其下的钻孔灌注桩组成。钢立柱有钢管及格构柱两种材料可供选择，格构柱的优点是造价相对较低，立柱施工时特别是混凝土浇灌比较方便，而且格构柱与梁板节点处钢筋施工比较容易，施工速度快，缺点是格构柱满足同样受力要求截面较大，因而要求柱下桩径及地下结构柱截面较大，总体上比较不经济，钢管立柱的缺点是造价较格构柱高，立柱施工时钢管内混凝土与柱下钻孔桩混凝土一次浇灌比较困难，特别是钢管与梁板节点处钢筋施工困难，必须在钢管上焊接节点板，优点是钢管及其内芯混凝土强度较高，截面较小，受力性能较好，总体上较经济。因而最终选择了ф500 mm壁厚分别为12 mm(用于裙房)、14mm(用于高层)的钢管。设计时考虑钢立柱施工时垂直度的偏差，满足偏心受压的要求。同时，由于逆作底板施工之前受柱下单桩承载力的限制，本工程逆作区底板完成之前，其地上结构不能施工。立柱桩下ф900 mm的钻孔灌注桩，经复核满足承载力及钢立柱施工的要求。

3．5逆作区与中心岛范围的确定

中心岛范围的确定取决于反压土边坡的稳定，既要考虑平衡地下连续墙的土压力，以保证地下连续墙的稳定，又要使反压土土体本身的边坡稳定。逆作区与中心岛范围的大小，对工程进度及成本影响较大，如果逆作区范围过小，则对边坡稳定不利，反之则增加逆作挖土工程量，影响进度，增加成本。因此，综合考虑逆作区的范围由原来4跨改为3跨，结合后浇带的位置，基坑北侧局部逆作范围仍为4跨。

3．6降水

根据理论计算，本工程需布置175口真空深井且土方开挖前20 d进行预降水，才能满足地下水位低于基坑底标高'1 m以下的要求，综合考虑工期、降水效果、成本、地质水文条件较复杂等因素，本工程真空深井数量增加到215口，并辅以轻型井点快速疏干浅层水及局部真空深井降水效果不够理想的区域的地下水。

3．7逆作区顶、中板与出土口的设计

逆作区土方的挖运、材料的运输均由顶、中板上预留的洞口作为运输通道，因此出土口的数量、位置对逆作工期影响很大，但洞口数量过多对楼板截面削弱较大对结构及传力均不利。本工程充分利用原有结构的楼梯口、电梯井、自行车汽车坡道、设备安装口等洞口，并适当增加了一定的出土口，供计30个出土口，以满足逆作施工的需要。

3．8避免地下连续墙与主体结构不均匀沉降的措施

逆作法施工时，由于地下连续墙与主体结构不是整体施工成型，两者之间存在不均匀沉降，经理论计算，不均匀沉降达3．46 cm，为避免不均匀沉降对结构造成损害，本工程采取了以下措施减弱不利影响：

(1)在每幅地下连续墙墙底注浆，避免因墙底沉渣太厚使地下连续墙沉降增大：

(2)结合地下连续墙突出上部结构2 m的特点，在近地下连续墙侧增加结构柱，使上部结构荷载由柱传递给柱下桩基承受，避免地下连续墙因承受上部结构荷载而产生沉降。

3．9边坡稳定措施

逆作区的顶、中板在与中心岛结构对接之前，梁板抗侧力体系处于单向承受地下连续墙侧压力的不利状态，因而地下连续墙的侧压力主要由逆作区的边坡抵抗，同时边坡本身也需处于稳定状态。为此本工程采取了以下措施：

(1)在地下连续墙内侧6．2 m宽度范围内进行搅拌桩加固，开挖面以下水泥掺量为13％，开挖面以上为8％。

(2)逆作区顶板施工之前，在逆作区范围内先进行一2．8 m以上土方开挖，以降低边坡的总高度。

(3)用多级边坡并依据“上小下大，上陡下缓”的原则控制大、小边坡的坡率。

(4)在边坡顶部、边坡中部平台中部、坡脚设置排水沟，用钢丝网喷射混凝土面板护坡等(图1)。

3．10保证工程桩和立柱稳定的措施

在中心岛土方开挖之前，做好连续墙周圈顶板作为顶部环板，使立柱桩和地下连续墙连成一个整体，增加围护体刚度，以减少围护体变形。另外还有保证边坡稳定、做好井点降水等综合措施。

3．11后浇带的划分及处理

由于本工程为整体式特大型地下室，综合结构施工和中心岛与逆作区划分需要等因素，本工程将地下室底板及地下各层梁板统一划分成若干区域 (见图2)。

由于本工程柱距较大，考虑后浇带传递水平力的需要及解决后浇带板跨悬臂问题，在结构施工时在后浇带处预埋H型钢。

3．12结构施工及土方开挖流程

本工程基坑开挖范围大，采用周边逆作及中心岛顺作法(逆作及顺作分区见图3．4)施工，工艺非常复杂。

为尽量避免挖土作业及结构施工的不连续性，减少劳动力分布的不均衡性，经多次优化论证，确定具体的施工流程为：

东西两侧逆作区域各从中部C1、C2区向南北两侧对称开挖(一2．8 m以上)。流水对称施工C1、C2、D1-D4、E1~E4区顶板一C1、C2及Dla、D3a环板结构达到设计强度后，进行中心岛A1、A2区放坡开挖并进行结构施工一A1、A2区顶板分别与C1、C2环板连接并达到设计强度后，进行C1、C2区一6．0 m以上土方开挖并进行中板施工(中板指地下二层顶板，以下同)-+A1、A2区底板混凝土达到设计强度70％g／．前，Bla、B2a区土方开挖深度不超过一8．0 m一中心岛土方开挖时B区坡顶线距离南北侧地下连续墙50 m前完成D5、D6区环板结构施工(南北两侧各留出一条汽车出土坡道)川1a、B2a区底板混凝土达到设计强度70％以前。Blb、B2b区土方开挖标高不超过-8．0 m—B1、B2区顶板分别与对应环板连接并达到设计强度后。进行DI～D4区一6．0 m以上土方开挖并进行中板施工一D5、D6区-6．0 m以上土方开挖并进行中板施工一E1~E4区一6．0 m以上土方开挖并进行中板施工一上述中板混凝土强度达到设计要求后，分别进行一6．0 m以下各区土方开挖并进行底板施工一逆作区柱、墙、坡道等结构扫尾—+地下室结构施工结束。

在逆作区Cl、C2中板施工完成后，逐次进行其他逆作区土方开挖。根据监测结果，围护结构变形在1 mm／d左右，因而一6．0 m以上其他区域土方开挖基本实现对称连续作业，结构施工充分利用挖土作业留出的大量工作面流水施工，大大提高了施工效率。

在地下二层(一6．0 m以下)土方开挖过程中，同样根据监测结果，挖土作业实现对称、连续，底板施工紧随其后，流水作业。．

中心岛A、B区地下室顶板施工完成后，流水施工地上结构。至逆作区最后一块底板完成时，中心岛顺作区完成了约80 000 m2的地上结构施工。

四 施工体会

4．1逆作区钢立柱施工的难度大

(1)首先是1／300H(H为立柱长度)的垂直度要求施工难度较大。由钢立柱的垂直度要求相应的对钻孔灌注桩也应达到1／300H(H为灌注桩深度)的垂直度要求，而规范对钻孔灌注桩的垂直度要求较低(1／IOOH)，因此按常规工艺难度较大。

(2)钢管与其下的钻孔灌注桩须一次性浇注混凝土，钢管内混凝土达到顶标高时，由于压力平衡关系，钢管外混凝__土上升较高(此部分混凝土在土方开挖后还需人工凿除)，因而钢管立柱桩混凝土充盈系数较大。

(3)梁柱节点构造措施复杂，施工速度慢。

因此，在柱截面尺寸允许较大的工程中，建议逆作区立柱采用格构柱，以避免上述B、C两点之弊端。

4．2地下连续墙的接缝处理

相邻地下连续墙在接缝处出现咬合不严密、多处有渗漏现象。本工程中采取局部堵漏或增加扶壁柱的措施。

建议在地下连续墙接缝施工质量不易保证的情况下，设置扶壁柱效果较好。

4．3围护墙变形的控制

围护墙变形稍大，平均变形为5 cm，主要原因：

(1)降水效果不理想，有边挖土边应急加轻型井点降水现象，造成土体不能提前固结；

(2)中心岛A区挖土至坑底时，遭遇台风“麦莎”，大量雨水浸泡基坑，造成边坡变形较大；

(3)由于地下连续墙与搅拌桩之间槽壁塌方，无法压密注浆：

(4)在中心岛与环板形成对接之前，环板跨度三跨处侧向刚度还显不足(环板跨度为四跨处变形较小)。

建议在挖土前，预降水的时间必须充足，以保证降水效果，减小边坡变形；特别是对变形较敏感的工程，环板跨度应严格控制，以保证足够的侧向刚度，或者是待基坑长边中部适当跨度的结构体系形成横向对撑后再进行中心区土方开挖，以严格控制基坑变形。

结束语

总之，本工程的实践证明，对于工期紧，施工场地狭小，基坑面积大、开挖较深的整体式地下室，采用地下连续墙作围护墙兼地下室外墙，结构梁板结构作水平支撑体系，结合中心岛顺作周边逆作的施工方法是较安全、经济、高效的。

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