基于环境保护的基坑工程设计与监测分析

阎小明 黄 烯 徐佳炜

1. 青海省果洛州工程建设监理公司 西宁 810001；2. 上海壹城建筑设计有限公司 上海 200232；3. 上海浙铁绿城房地产开发有限公司 上海 200062

1 工程概况

1.1 基坑概况

背景工程位于上海市奉贤区，占地面积40 687.50 m2，基坑开挖面积32 760 m2，挖深7.85～8.35 m（局部8.95～9.15 m），如图1所示。

图1 基坑开挖深度示意

1.2 水文地质条件

场地地层从上往下为：①1-1层杂填土、②层粉质黏土、③淤泥质粉质黏土、③夹层砂质粉土、③层淤泥质粉质黏土、④1层淤泥质黏土、④2层含黏性土粉砂、⑤层粉质黏土、⑥层粉质黏土、⑦1-1层黏质粉土、⑦2层粉砂。

本场地地层起伏较大，西北区域分布有④2层灰色砂质粉土，东侧⑦1-1层砂质粉土缺失，根据④2层及⑦1-1层的有无，可分为3个地质分区。

2 基坑施工难点

1）开挖规模较大。

2）环境保护要求高：本基坑北侧及东侧为交通干道，其下埋设有市政管线。北侧东段与待建轨交5号线延长段的车站相连，北侧西段与电力管线距离小于1倍开挖深度；西侧与富竹路下的通信管线距离小于1倍开挖深度；南侧与小区住宅距离在2～3倍开挖深度之间，东南角地下室外墙距离煤气管线8.60～9.90 m，因此这几侧均有一定的环境保护要求，基坑围护需采取合适的措施，确保施工安全。

3）地层有起伏，地质情况较复杂：

（1）本基坑开挖深度范围内存在③夹层，该层渗透系数较大，易产生流砂、管涌等不良地质现象。

（2）第③、④层为淤泥质软土层，属于饱和、流塑状态。这层土抗剪强度低，灵敏度中-高，具有触变性和流变性特点，且层厚较厚，对变形控制不利。

（3）场地西北部局部存在④2层，需考虑微承压水对基坑的影响；东部深层⑦1-1层缺失；地层起伏较大。

4）业主的要求：地下室需整体开发；围护结构造价上尽可能经济；工期要求非常高。

3 基坑围护设计方案

3.1 围护桩设计

施工首道支撑时，表层卸土1.80 m，完成混凝土挡墙，并在墙后用好土回填。结合计算结果，采用φ850～950 mm的钻孔灌注桩，考虑到对北侧、东侧道路市政管线及房屋的保护，相应位置采用950 mm的桩径，其余位置采用850 mm的桩径；靠边深坑处的桩径、桩长适当增加[1]。

3.2 止水桩设计

潜水：本基坑开挖范围内存在③夹层砂质粉土，渗透系数较高，易产生流砂、管涌等不良地质现象，因此对止水的可靠性要求较高。本方案设计搅拌桩进入坑底7 m以上，且桩端均插入渗透系数较低的④1层淤泥质黏土层中。

（微）承压水：拟建场地内分布有上海市第一承压含水层第⑦层，局部有微承压水层④2层灰色砂质粉土。计算表明，地质分区1中坑底土体不满足抗承压水头稳定性要求，因此地质分区1需考虑（微）承压水控制，本方案设置隔水帷幕将分区1承压水全部隔断，并设置备用降压井。

基坑典型剖面及支撑平面布置如图2、图3所示。

图2 第1道支撑处围护剖面示意

图3 第1道支撑布置平面示意

3.3 坑底加固

为有效控制坑内土体的深层变位，在坑内沿围护桩设置双轴水泥土搅拌桩加固暗墩，中楼板至坑底采用低掺量水泥土搅拌桩加固。加固区域主要为：基坑开挖面中部、阳角位置，电梯井、集水井区域。

3.4 支撑系统设计

结合本基坑形状，南北向、东西向中部分别采用3组对撑，可较好地控制中部变形；4个角部采用角撑的形式，可形成较大的挖土空间。在2#楼、机房落深区域以及6#、7#楼区域，开挖深度为8.95～9.15 m，局部设置第2道支撑。典型剖面及支撑平面布置如图4和图5所示。南侧的第2道支撑为开口支撑，未形成封闭围檩，且设置有多跨角撑，围檩和围护桩之间剪力较大，因此对围檩和围护桩的连接节点进行了加强处理；另外第1道和第2道支撑不完全对齐，2道支撑局部增设了立柱[2,3]。

4 土方开挖部署及实施

本项目属于深大基坑，土方量达2.79×105m3，如大面积同步开挖，将造成显著的坑底回弹、周边地表沉降。为保护周边环境，本基坑首道支撑下的土方采用分区开挖的形式，以控制基坑单次暴露的面积。结合基坑的特点，总共分为3个区域（图6），开挖顺序为①→②→③，具体为：

图4 局部2道支撑处围护剖面示意

图5 局部第2道支撑布置平面示意

图6 分区开挖平面示意

1）卸土2.50 m，至首道支撑底标高，浇筑支撑系统；

2）待支撑达到设计强度后，分层、分块开挖①区土方至第2道支撑底标高，浇筑第2道支撑；

3）待第2道支撑达到设计强度后，分层、分块开挖①区土方至坑底标高，浇筑垫层及底板；

4）分层、分块开挖②区土方至坑底标高，浇筑垫层及底板；

5）分层、分块开挖③区至第2道支撑底标高，浇筑第2道支撑；

6）待第2道支撑达到设计强度后，分层、分块开挖③区土方至坑底标高，浇筑垫层及底板；

7）待底板及传力带达到设计强度后，拆除局部第2道支撑；

8）向上施工B2层地下室及中楼板传力带，待中楼板及传力带达到设计强度后，拆除第1道支撑。

坑中临时边坡留设时，坡比小于1∶1.5，中间平台宽度不小于3 m，并采用钢丝网细石混凝土护坡。立柱桩应避开斜坡面，但在开挖过程中，坡顶作为施工道路承受较大的车辆荷载，而坡面未经固化处理，暴雨浸水后，出现了小范围的滑坡，后采用钢板桩在坡脚位置进行了加固，但开挖至坑底后，仍有部分工程桩桩顶出现了偏位。

5 监测结果分析

5.1 测斜数据分析

图7为北侧03地块1道支撑区（CX2）和南侧05地块2道支撑区（CX13）开挖至坑底标高时，2个测斜点的监测数据。这2个点的数据可作为本基坑围护桩变形的代表值。首道支撑落低2.50 m，由于大面积卸土后，未及时浇筑支撑，且期间经历了台风暴雨，导致桩顶位移较大。部分区域开挖至坑底时，未及时浇筑垫层，坑底土暴露时间较长，也导致坑外地表有较明显的沉降。垫层及底板完成后，变形得到有效控制。直至拆除首道支撑时，南侧小区住宅楼的沉降监测点大部分小于15 mm，距离基坑1～1.5倍开挖深度范围的小区附属建筑沉降略大，在30 mm左右。

图7 测斜孔监测数据

5.2 支撑轴力分析

图8中2个监测点ZL05和ZL18位于南侧1道支撑区域南北向对撑上。2013年12月10日，该区域开挖至基础底标高；2013年12月下旬至2014年1月上旬，陆续完成底板浇筑。由图可见，随着开挖深度的增加，支撑轴力不断增大，且开挖至坑底后，仍在持续发展。底板完成后，支撑轴力逐渐稳定。与计算值相比，支撑轴力普遍偏小，最大值为1 500 kN。综合分析原因为：由于无支撑暴露时间长，围护桩桩顶发生了一定的变形，围护桩吸收了原本主要由支撑体系承担的应变能，故支撑完成后，其轴力会有所下降。

图8 支撑轴力监测数据

5.3 立柱竖向位移监测分析

图9为立柱竖向位移监测数据，LZ06和 LZ19均位于南侧1道支撑区域，其中LZ06位于边桁架位置，LZ19接近基坑中心。由图可知，立柱均表现为向上隆起，累计位移约10 mm，靠近基坑中心的LZ19累计位移量较LZ06略大。开挖至坑底标高后，位移量逐日增加，即使底板完成后，仍有所发展，可以推断，坑底隆起已进入塑性状态。

图9 立柱竖向位移监测数据

6 结语

就基坑自身安全和周边环境而言，本项目实施过程较为顺利，有几点经验可供类似项目参考[4,5]：

1）基坑开挖过程中，应严格按照分层、分块的原则，坑内临时边坡应满足稳定性要求，如作为临时车道，必须进行加固处理，避免边坡失稳造成工程桩倾斜。工程桩纠偏不仅延长工期、增加投资，且使得基础底板无法及时封闭，对基坑安全非常不利；

2）立柱作为水平支撑体系的竖向承载系统，是整个支护体系的核心构件。基坑开挖时，应特别注意对立柱的保护，立柱周边的土方应对称、均匀开挖，避免立柱承受水平附加荷载；立柱周边如出现临时超挖的落深区，应有加固措施；

3）深大基坑存在明显的时空效应，土体应力松弛，徐变变形显著，且风险源较多，因此，开挖至支撑、基础设计底标高后，应立即浇筑支撑、垫层及底板，缩短无支撑、无底板暴露的时间，降低基坑风险；

4）深基坑大体量卸土后，坑底土体将不可避免地发生回弹，同时带动立柱体系向上隆起。支护体系设计中应适当考虑立柱隆起对支撑体系承载力的影响。