超大面积深基坑工程设计与施工优化

上海外高桥保税区开发股份有限公司 上海 200137

1 建筑概况

某商场位于上海市浦东新区，总用地面积28 150 m2，总建筑面积83 546.8 m2；建筑高度为23.95 m，其中地上4层，建筑面积36 747.8 m2；地下2层，建筑面积46 799 m2。本工程基础形式为桩筏基础。工程桩采用PHC400管桩，桩长24 m。基坑面积约为22 700 m2，基坑总延长为630 m。本工程±0.00 m相当于绝对高程+5.50 m，自然地面设计相对标高约-1.80 m，北侧底板面标高-9.80 m，底板厚700 mm；承台厚1 000 mm；混凝土垫层厚150 mm；基坑开挖深度为9.15 m。南侧底板面标高为-10.80 m，基坑开挖深度为9.85 m。基坑安全等级为二级，环境保护等级为三级[1,2]。

2 环境概况

基地北侧为规划中的纬二路，现为苗圃，该范围为规划中的D1-4商办综合地块，该侧基坑距离红线最近距离为4.4 m。基地东侧为规划中的河道，现为苗圃，该范围为规划中的D5-3滨湖商业金融地块，该侧基坑距离红线最近距离为5.5 m。基坑南侧为橄榄球俱乐部，今后将在两地块之间修建椿树浦河，球场距离基坑边线最近处为46.3 m。基坑西侧为张杨北路及运行中的轨道交通6号线洲海路站，该侧距离红线最近距离为95 m，距离基坑边线100 m，在该侧的2座高压电线站将搬迁至张杨北路边，距离约为74 m。西侧张杨北路有4根管线，最近的天然气管距离基坑边线为82.5 m。

目前该地块为苗圃，基坑内部及周边有部分架空线，在正式施工前将对内部架空线进行搬迁，使之处于基坑影响范围之外。场地总体环境如图1所示。

图1 基地周边环境示意

3 工程地质条件

勘察场地属长江三角洲入海口东南前缘滨海平原地貌类型，地形平坦。场地地面绝对高程在3.4～3.9 m，平均场地绝对高程为3.7 m。场地表层分布的①1层素填土及①2层浜填土，结构松散，工程力学性质较差，不能作为各类拟建物的基础持力层。本工程涉及的土层从上至下分别为：①1层素填土、①2层浜填土、②层褐黄-灰黄色粉质黏土、③1层灰色淤泥质粉质黏土、③2层灰色黏质粉土、③3层灰色淤泥质粉质黏土夹粉土、④层灰色淤泥质黏土、⑤层灰色黏土。

4 深基坑支护设计

4.1 基坑特点

1）本工程基坑面积约为22 700 m2，开挖深度约为9.85 m，属超大深基坑工程。

2）场地内分布有浜填土及③2层灰色砂质粉土，浜填土需进行清淤回填处理以保证成桩可靠性。③2层灰色砂质粉土层的砂性较重，渗透性较大，在开挖过程中易造成流砂等事故。

3）基坑四周的苗圃等均需搬迁，场地内部的架空线将搬迁至基坑影响范围之外并入地。基坑西侧的轨道交通6号线距离基坑100 m，张杨北路上的天然气管道距离基坑83.6 m，场地南侧的球场距离基坑约47.5 m。基坑周边需保护的对象与基坑的距离均在3倍基坑开挖深度以上，故基坑周边环境保护要求较低[3-5]。

4.2 围护结构

4.2.1 钻孔灌注桩

1）基坑普遍侧。基坑普遍侧围护结构采用φ800 mm@1 000 mm钻孔灌注桩加φ850 mm@600 mm三轴水泥土搅拌桩止水帷幕。钻孔灌注桩有效长度18.55 m，插入基底以下11.2 m。

2）在基坑普遍侧邻近集水井处的围护结构采用φ850 mm@1 050 mm钻孔灌注桩加φ850 mm@600 mm三轴水泥土搅拌桩止水帷幕。钻孔灌注桩有效长度21.05 m，插入基底以下12.5 m。

3）基坑南侧底板落深处围护结构采用φ850 mm@1 050 mm钻孔灌注桩加φ850 mm@600 mm三轴水泥土搅拌桩止水帷幕。钻孔灌注桩有效长度20.05 m，插入基底以下12 m。

4）基坑南侧底板落深处邻近集水井侧围护结构采用φ950 mm@1 150 mm钻孔灌注桩加φ850 mm@600 mm三轴水泥土搅拌桩止水帷幕。钻孔灌注桩有效长度23.55 m，插入基底以下14 m。

4.2.2 止水帷幕

本方案中钻孔灌注桩外侧采用φ850 mm@600 mm的单排三轴水泥土搅拌桩作为止水帷幕，水泥土搅拌桩有效长度为16.15 m，桩底进入④层淤泥质黏土层2 m进行控制，在南侧底板落深处止水帷幕加长1 m。三轴搅拌桩止水帷幕水泥掺量为20%，邻近暗浜处水泥掺量增加至24%。止水帷幕内侧与灌注桩外边线相距200 mm。止水帷幕用三轴水泥土搅拌桩采用套接一孔法施工，单孔φ850 mm，孔间搭接250 mm，相邻的三轴水泥土搅拌桩相互套打一个孔，以保证搭接长度，满足止水要求[6,7]。基坑剖面如图2所示。

4.2.3 地基处理

坑内局部存在的暗浜处应进行清淤回填，同时搅拌桩应增加水泥土搅拌桩掺量至24%。底板深坑超过1.5 m处进行地基土加固，采用φ700 mm@500 mm双轴搅拌桩，水泥掺量13%，坑底进行压密注浆封底加固。

图2 基坑剖面示意

4.3 支撑系统

4.3.1 支撑体系

基坑竖向设置2道水平支撑系统，围护桩顶部设置压顶圈梁兼作第1道支撑的围檩，支撑平面布置见图3。

图3 第1道支撑布置示意

4.3.2 立柱和立柱桩

土方开挖期间需要设置竖向构件来承受水平支撑的竖向力，本工程中采用临时钢立柱及柱下钻孔灌注桩作为水平支撑系统的竖向支承构件。临时钢立柱非栈桥下采用4根140 mm×14 mm角钢，栈桥下采用4根160 mm×16 mm角钢，钢立柱截面均为460 mm×460 mm，型钢材质为Q235B，钢立柱插入作为立柱桩的钻孔灌注桩中不少于3 m。由于结构工程桩均为预制桩，故本工程立柱桩均采用新增钻孔灌注桩，立柱桩将结合主体工程设计桩位。钢格构立柱在穿越底板的范围内需设置止水片。

4.4 基坑工程挖土与地下室施工顺序

1）场地平整，施工PHC工程桩，再进行围护体、钻孔灌注桩、钢立柱桩及坑内加固的施工。

2）基坑内土方开挖至第1道支撑系统底标高，浇筑第 1道混凝土围檩和混凝土内支撑。

3）第1道支撑全部形成并达到设计强度后，基坑内土方向下分区、分块、分层开挖至第2道围檩底标高，施工第2道支撑系统。

4）第2道支撑全部形成后，向下分区、分块、分层开挖至基底，浇筑垫层、基础底板及周边换撑板带。

5）待底板达到设计强度后，拆除第2道支撑。

6）向上施工至地下1层楼板结构，设置周边换撑板带。

7）待地下1层楼板结构达到设计强度后，拆除第1道支撑。

8）施工地下室顶板。

4.5 高压铁塔保护

本项目西侧存在2座110 kV高压铁塔（距离基坑分别为17.5 m和66.3 m），铁塔高度24.5 m，采用钢结构，基础为素混凝土浅基础，埋深约2 m。原计划2座铁塔在基坑开挖前进行搬迁并入地。但由于铁塔搬迁进度滞后，在基坑土方开挖至坑底前，2座铁塔依旧存在，其中一座铁塔距离基坑较近，处于基坑影响范围内，需对铁塔采取保护措施。经过对比分析，本工程采用隔离桩对高压铁塔进行保护，并辅以预埋跟踪注浆管的形式（图4）。隔离桩和高压铁塔之间范围内禁止重型机械设备行走，并不得堆放大量材料，控制地面超载。

1）在距离基坑较近的铁塔处，设置一排φ600 mm钻孔灌注桩隔离桩，桩长20 m，间距1 500 mm。布置范围为铁塔两侧各9 m，共布置15根。

2）在钻孔桩间隙间采用2根φ800 mm高压旋喷桩进行填充，桩长15.5 m，桩间搭接300 mm。

3）在铁塔周围预埋跟踪注浆管，间距1 500 mm，第1排钢管斜向设置，注浆管深度5.3 m。当铁塔变形超过报警值后，对变形处进行跟踪注浆。

图4 高压铁塔保护示意

5 土方开挖

5.1 基坑开挖方案

本工程基坑面积约22 700 m2，基坑开挖深度北侧为9.15 m，南侧为9.85 m，总挖土方量约20.7万 m3。

1）第1层土方开挖：本层土方开挖从-1.80 m到第1道支撑底-2.60 m，挖土深度为0.80 m，土方量约为18 664 m3。此时土的侧压力较小，考虑到施工进度的要求，当地下水位降至-3.70 m以下进行土方开挖。挖土采用3台1.6 m3液压反铲式挖掘机由东向西挖土，挖土后直接装上运土自卸车，挖出的土方全部外运。待挖出一定工作面后施工第1道支撑钢筋混凝土。

2）第2层土方开挖：采用分层、分块开挖方式。本层土方开挖从第1道支撑底-2.60 m到第2道支撑底-8.05 m，挖土深度为5.45 m，土方量约为127 148 m3。由于土方挖除后土体的应力释放危及围护墙，为减慢土体应力的释放速度，提高围护结构的安全使用，本层土方开挖时分2层，每层土体厚度控制在2.8 m左右，开挖时形成踏步式阶梯并成一字型后退。本层开挖主要是采用1.6 m3液压反铲式挖掘机挖土。把挖出的土方翻传到停在基坑栈桥上的长臂挖机挖土回转半径内，由该挖机装车。第2层土方开挖必须待第1道支撑强度达到设计强度100%方可进行，同时地下水位必须降至-9.00 m以下。重复上述步骤，直至土方全部挖完。

3）第3层土方开挖：第3层土方开挖从第2道支撑底-8.05 m到基坑底-10.65 m，挖土深度为2.60 m，土方量约为60 658 m3。本层开挖主要是采用EX-100液压挖土机挖土。把挖出的土方翻传到停在基坑栈桥上的长臂挖机挖土回转半径内，由该挖机装车。以后重复上述步骤，直至土方全部挖完。收底完成后及时进行混凝土垫层的浇筑工作。

5.2 土方开挖要点

1）土方开挖的顺序、方法必须与设计工况一致。施工顺序应遵循先撑后挖的原则，土方开挖要求采用盆式挖土。土方开挖、支撑施工应严格实行“分层分段、留土护壁、限时开挖支撑”，将基坑开挖造成的周围设施的变形控制在允许的范围内。

2）为缩短基坑周边围护体的无支撑暴露时间，应结合支撑体系的布置，在各分区每层土方开挖过程中，首先盆式开挖基坑中部土方、然后在基坑周边分块对称挖土、架撑。

3）土方开挖应在降水及坑内加固达到要求后进行。挖土操作分层分段的分层厚度不大于3 m，严禁超设计标高开挖。坑底应保留厚0.3 m基土，采用人工挖除整平，并防止坑底土扰动。混凝土垫层应随挖随浇筑，即垫层必须在见底后24 h内完成浇筑。待混凝土达到一定强度后再进行桩头凿除和钢筋绑扎工作，以减少基坑暴露时间和墙体变位。

4）挖土、运土机械严禁直接压过支撑杆件，必须跨越支撑时应覆土300 mm并用走道板架空。严禁机械碰撞围护墙、工程桩、支撑、立柱和井点。挖土时宜先掏空立柱四周，避免立柱承受不均匀的侧向土压力。

5）土方开挖过程中，应尽量缩短基坑无支撑暴露时间。土体无支撑暴露时间不超过48 h。

6）开挖过程中发现围护体接缝处渗水应及时采取封堵措施。

7）基坑边严禁大量堆载，地面超载应控制在20 kN/m2以内，并严格控制不均匀堆载。机械进出口通道应铺设路基箱扩散压力，或局部加固地基。

8）土方开挖和外运过程中，应做好地下管线、道路及测点的保护措施。

9）基坑开挖应尽量减少基坑无支撑的暴露时间，严格控制基坑变形。每皮土根据支撑布置情况划分为若干块，每2～3根支撑的工作面形成后，应及时施工混凝土支撑，从该支撑涉及到的土方开挖到形成支撑，总时间应控制在16 h内。

10）实施信息化管理，在围护桩及基坑开挖过程中，对围护结构及周围环境进行监护，严密监测围护结构和土体变形，了解围护结构和周围环境的变形和受力情况，以信息化指导施工。特别要注意观测围护桩的变形，防止由于围护桩变形过大而发生渗漏现象。根据监测信息，及时调整施工方案。一旦发生险情，立即启动应急预案。

11）加强对降水设施、工程监测点、内支撑和支撑立柱的保护。

6 基坑监测

6.1 周边环境监测

1）周围管线安全影响监测：根椐相关规范要求，监测范围宜达到基坑边线以外2倍以上，管线最近处距基坑77.6 m，在3倍基坑深度之外，不需布点监测。布设影响范围内的高压线电杆及高压铁塔等监测点19个。

2）周边建筑物沉降监测：3倍基坑深度之内无建筑设施，不需布点监测。

3）基坑内外地下水位观测：坑外共布设监测孔12个，坑内共布设监测孔7个。

4）周边地面沉降监测：在基坑南侧、北侧、东侧、西侧先密后疏各布设一排地面沉降监测点，每排最远监测点距基坑边距离不小于30 m，每排布5个点，累计20个测点。轨交站附近布设5个点。

6.2 围护本体监测

1）围护墙体墙顶沉降位移监测：在围护圈梁上直接布设沉降及水平位移监测点，布点间距为15 m。共布设监测点32个。

2）围护墙侧向及土体侧向位移（测斜）监测：在围护墙（桩）体内预埋20个墙体位移测斜孔，孔深与围护桩的深度一致，在16～25 m之间。在基坑周边布设土体测斜孔4个，孔深比围护桩的深度深5～10 m，在21～30 m之间。

3）基坑支撑轴力及两端沉降观测：每道支撑基坑标准段共布设14组轴力监测点，每组4个，共埋设应力传感器112个。在支撑两端布设25个沉降观测点。

6.3 监测频率

整个监测工作视施工工况及监测对象变化情况，将采取定时与跟踪相结合的办法进行。本次监测工程周期约为12个月。在施工过程中，如遇变形量超警戒值、施工过程中遇特殊情况或应业主、监理等相关部门要求时，增加监测频率以满足工程要求。

7 施工中出现的问题及处理方法

基坑西侧110 kV高压铁塔未能按原计划入地，采用钻孔桩+旋喷桩措施进行隔离保护。高压旋喷桩于2012年2月14日开始施工，2月15日铁塔发生上抬变形，当天变化速率最大为2.59 mm/d，累计最大变形达到10.19 mm，已达到高压铁塔报警值。经建设、围护设计、监理、总包四方现场会议研究，2月16日施工单位停止施工，当天铁塔变形速率较小。后续施工采取如下措施[8,9]：

1）施工暂停，观察铁塔的变形趋势，根据17日下午上报的监测数据已基本稳定的情况，决定继续施工。

2）后期旋喷桩施工间距由原先的1.5 m调整至3 m，相邻桩应在成桩48 h后方可施工。

3）旋喷桩顶部1 m范围内不需喷浆，以减少浆液上泛压力对土体的影响。最后浇筑的钻孔桩旁旋喷桩应待钻孔桩达到设计强度80%后施工。

4）旋喷桩施工以监测数据为依据进行控制，提升速率维持在25 cm/min，注浆压力不大于20 MPa，并及时根据监测数据调整施工参数，监测数据较大时应停止施工。

5）旋喷桩施工期间每日进行3次监测，并及时上报各方，当变形速率较大或达到报警值时应通知施工方停止施工。

后续按照上述原则放缓施工速率，最终圆满完成了铁塔保护施工，铁塔后续变形控制较为理想。