大型深基坑工程全过程施工优化与危机处理

上海外高桥保税区开发股份有限公司 上海 200137

0 引言

随着城市建设的发展，基坑工程已向超深、超宽和信息化安全监控技术的方向发展。然而基坑工程大规模的飞跃发展，不可避免地带来了诸多的基坑安全和环境安全问题。由于地下土层性质十分复杂，具有存在不稳定、不确定性的特点，目前基坑围护设计还是处于半理论半经验的状态，且影响因素众多。一般而言，高层建筑基础工程建设的造价约占整个工程造价的三分之一，工期约占总工期的四分之一，因此，深基坑工程的优化可以为整体工程节省大量造价及工期，对取得良好的社会效益及经济效益起到关键作用。

本文主要依托某工程施工实际，针对基坑施工过程中的优化状况以及施工中所出现的危机和应对方法展开了讨论，其宗旨是如何在安全与经济的平衡中寻求更好的基坑优化方式，这或许对其他地下工程项目亦能起到一定的参考与启发作用。

1 深基坑全过程优化的范围及方式

1.1 优化的范围

深基坑的优化范围主要包括结构形式的调整及围护设计计算调整，其中围护设计计算又包括整体方案设计比选及施工图纸优化[1,2]。

1.1.1 结构形式调整的主要内容

1）地下室轮廓形状；

2）深坑、承台距离坑边的距离；

3）基础厚度及分布范围。

1.1.2 围护设计计算主要内容

1）计算的方法是否合理；

2）计算剖面参数选择；

3）土压力、水压力作用形式及其周边荷载；

4）围护桩插入深度、桩径、配筋是否合理；

5）支撑系统配筋是否合理；

6） 立柱的利用率。

1.2 优化的方式

1） 地下室轮廓优化。地下室结构轮廓优化要考虑到支撑布置形式，尽量减少基坑阳角的产生，结构外墙应避免过多的弯角、曲线产生，这对基坑整体受力及经济性、安全性影响起到重要作用。

2） 结构深坑优化。对于结构深坑的优化，要尽量避免深坑、承台布置在基坑周边范围内，这样对围护桩桩长、桩径及配筋等减少起到良好的作用。

3） 基础厚度及分布范围优化。对于基础厚度及分布范围的优化，可在保证基础承载力的前提下，对部分底板厚度进行优化，达到减少基坑挖深的目的。

1.3 通过围护优化

1.3.1 整体方案设计优化

整体优化主要包括围护类型及支撑形式的比选，必须在前期方案比选设计阶段对基坑整体进行对比分析，根据不同工程不同的水文地质状况以及周边环境确定计算模型的选择、土压力的作用模式、地下水的作用模式、水土是否合算及分算等。选择适合本工程的支护形式及支撑形式，从而最大幅度地减少工程造价和缩短工期。

1.3.2 设计方案细部优化

设计方案的细部优化，主要在支护结构参数的选择上，相当于参数优化，其中包括桩插入深度、桩径、支撑的类型、预加应力、支撑布置形式等，均是影响工程的关键因素。找到保证安全情况下使用成本最低的设计参数是设计方案优化的关键点。

2 深基坑施工中出现的危机及一般处理方式

深基坑工程安全事故类型很多，如在水土压力作用下，支护结构可能被破坏，支护结构形式不同，破坏形式也有差异。渗流可能引起流土、流砂、突涌，造成结构被破坏。围护结构变形过大及地下水流失，引起周围建筑物及地下管线被破坏也属基坑工程事故。下文针对本工程可能会碰到的几点问题及处理方式展开讨论。

2.1 围护漏水

如果施工过程中因施工质量或地下障碍物而出现围护桩渗漏、涌水等情况，施工单位技术人员应仔细分析观察现场渗漏情况，仔细查看水中是否带砂，水量是否较大等情况。如出现上述情况，则可对上层滞水进行疏导、引流等措施，或在渗漏的地方注浆进行封堵。

2.2 立柱偏差

当钢立柱偏差过大，局部距离支撑中心线交点较远时，可对该节点进行加腋处理，即对箍筋进行加密设置。如果钢立柱偏差距离超过设计值，影响此节点安全稳定时，应重新增打1根钢立柱作为补救措施。

2.3 管线报警

基坑开挖后，由于将基坑周边道路作为施工出入道路，重车荷载较大，会导致其道路下方管线沉降过大，超过设计报警值。当超过设计报警值时应对管线进行加密为2次/d的跟踪测量，加强巡视和跟踪等监测工作，并在施工过程中，合理控制土方开挖与无支撑暴露距离，协调与垫层浇筑的工序问题。且必须严格按照设计要求每开挖200 m2后及时浇筑垫层，并及时跟进底板施工。底板环边区域应先行进行钢筋绑扎，尽早形成环边底板支撑，并在出入口位置设置钢板进行压力扩散，保证地下管线最终不受任何实质性影响[3,4]。

3 工程概况

3.1 建筑、结构概况

工程实例位于上海市浦东新区，由3栋办公楼及商业裙房组成，设置2层地下室，裙房基础采用承台加预制方桩，主楼区采用筏板加钻孔桩。整个基坑呈矩形。

基坑规模及开挖深度：本工程±0.00 m相当于绝对高程+5.10 m。本工程基坑面积23 500 m2，总延长约为604 m。裙楼区底板面标高为-9.40 m，底板厚600 mm，承台厚1 000 mm，垫层厚150 mm，裙楼区开挖深度9.65 m。主楼区底板面标高亦为-9.40 m，底板厚800～1 000 mm，承台厚1 600 mm，垫层厚150 mm，主楼区开挖深度10.25 m。

本基坑安全等级、环境保护等级、基坑监测等级均为二级。

3.2 周边环境概况

项目周边均为道路或建（构）筑物，其中除东侧为待建道路外，其余三侧均为已建道路，道路下已敷设市政管线 。西侧及东侧均有建（构）筑物，南侧有轨道交通高架桥（图1）。

图1 基地平面示意

3.3 工程地质概况

拟建场地土层处于“古河道”分界处，地下局部⑥层、⑦层缺失，形成较厚的⑤3层土。主要由黏性土、粉性土、砂土组成。场地的第③夹层黏质粉土，局部粉性较集中，对基坑开挖不利。基地内土层分布如表1所示。

本工程浅层地下水属潜水，主要补给来源为大气降水及地表径流，平均水位埋深一般为0.50～0.70 m。根据勘察报告，本场地内部分填土较厚区域最厚处达2.90 m。

3.4 基坑支护设计

本工程基坑面积约为23 500 m2，开挖深度为9.65～10.25 m，属超大深基坑工程。综合考虑周边环境以及工程地质情况，本基坑工程采用以下围护设计：钻孔灌注桩结合三轴搅拌桩止水帷幕加坑内竖向2道钢筋混凝土支撑，支撑采用对撑加角撑加边桁架形式，并利用部分支撑兼作栈桥，作为施工便道。

4 基坑工程优化的思路

4.1 通过结构调整优化

4.1.1 结构深坑优化

原地下结构深坑较多且距离基坑边较近，导致邻近深坑的基坑支护桩要采用桩径更大、嵌入深度更深的支护桩，故考虑对部分深坑进行优化处理。通过与建筑及结构设计单位的沟通，进行深坑优化：即减少临边的深坑或将部分临边深坑向内移动，使之处于不影响基坑支护的范围；对于部分无法移动的深坑，若减小深坑的深度，也可达到减少临边深坑区域基坑深度的目的。

由于基坑挖深较深，故所有深坑均需要进行深坑加固，本工程深坑较多，需要的深坑搅拌桩加固也是一项较大的工程，在保证项目完成后地下室底板可达到使用要求的情况下，我们对深坑角度进行了改变，使深坑放样的角度变陡，并将部分零散的深坑集中，从而减少深坑搅拌桩加固范围的总延长，达到优化深坑加固的目的，节约工程造价[5,6]。

4.1.2 基础厚度及分布范围优化

原基础主楼区底板均采用厚1 000 mm底板，通过与结构设计单位沟通，细化主楼荷载和基础承载力，对主楼区底板厚度进行不同优化，进而达到减少基坑主楼区挖深的目的。

4.2 通过围护设计优化

4.2.1 围护轮廓优化

基坑原轮廓在西北侧和西南侧未紧贴地下室外轮廓线，主要是便于支撑布置并使支撑均匀对称受力，但这样布置也会导致换撑距离较长。

考虑到基坑红线内场地较小，围护边线距离基坑红线较近，同时，综合考虑场地布置和换撑问题，我们亦对基坑围护的轮廓进行优化，使基坑在不产生阳角的情况下，尽量紧贴地下室轮廓，以减少支护桩数量以及换撑工程量。

4.2.2 围护桩优化

对于围护桩的优化，主要考虑以下几个因素[7,8]：

1） 邻近基坑的成功经验。基坑东侧邻近基坑的规模及挖深与本基坑相近，且围护形式类似。通过对此邻近深基坑成功经验的参考，对围护桩的桩径和桩长进行一定的优化。

2） 考虑基坑被动区加固的有利作用。由于基坑四周邻近道路及地下管线，为有效控制基坑变形及管线沉降，在基坑被动区布置了双轴水泥土搅拌桩墩式加固，考虑加固的有利作用，可适当减小围护桩的桩长，同时，被动区加固可减少围护桩所受土压力引起的弯矩，适当地优化围护桩的配筋。

3） 结合施工场地的自然条件。通过现场踏勘，发现场地内的实际地坪低于四周道路的地面标高，基坑边线四周已存在自然坡度。在不影响基坑安全性和施工的前提下，充分利用这部分自然坡度，适当落低围护桩顶，在浅层则对自然坡进行加固，从而减少围护桩的桩长。

4.2.3 支撑及栈桥优化

1）减少弯矩以优化配筋。冠梁、腰梁的最大弯矩在于对撑间没有八字撑的部分，通过在跨度较大处布置八字撑，减少计算跨度，使冠梁和腰梁的弯矩均匀，从而优化冠梁和腰梁配筋。

2）优化支撑的构造配筋。支撑的主要受力方向为左右受力，因此，可通过优化支撑体上下的构造配筋，对支撑的配筋量进行优化。

3）栈桥平面布置优化。栈桥作为深基坑施工的便道，可有效地加快土方开挖和运输的速度，且其利用已有的支撑进行布置，在施工第1道支撑时即可同时施工栈桥。原方案主要采用南北向3道对撑，东西向1道对撑的布置形式。通过比选，同时考虑东、西方向均有出口，故优化方案将东西向的对撑拆分成2道对撑，既减小了东、西冠梁的跨度，更好地承受土压力；又可将栈桥布置成一个回路，方便施工车辆的进出（图2、图3）。

图2 原栈桥平面布置

图3 优化栈桥平面布置

4）栈桥厚度优化。通过对栈桥进行限载并控制施工车辆的行驶速度，对栈桥的厚度进行优化，减少了栈桥的工程量。

4.2.4 竖向支承系统优化

本工程的竖向支承系统主要采用支撑/栈桥下钢格构柱与柱下立柱桩的形式。对此部分的优化，采用的主要措施为：通过对立柱及立柱桩所承受的荷载进行细分，从而优化竖向支承系统。对于多根支撑相交的节点，进行单独的计算并归并。

5 优化前后效益对比

本工程主要通过调整结构和围护2个方面对整个基坑工程进行全过程的优化，在基坑的经济效益性上有显著的提高，主要优化量详见表2。

表2 基坑优化量

整个基坑工程优化的工程量达到基坑原造价的14%，极大地节约了工程造价。同时，也与国家提倡的低碳环保的要求相一致。

6 工程中出现的危机及处理方式

在本基坑的施工过程中，主要出现了以下问题和危机，这些问题和危机在过程优化中均有预测，并制订了相应的处理措施。

6.1 位移过大导致管线沉降

在基坑北侧和西侧均邻近已建道路及地下管线，且北侧和西侧的道路亦是施工车辆进出的主要道路。

在实际的施工过程中，随着基坑土方的开挖，北侧和西侧的基坑土体及围护墙体位移持续增加，而重载车辆的来回进出则进一步加剧了围护体的变形，导致北侧的地下管线沉降严重，甚至产生持续报警的情况[9,10]。

在这样的危机下，通过设计、监理和施工单位的紧急磋商，采取如下的措施来控制基坑围护的位移变形和北侧管线的沉降。

6.1.1 对施工车辆限流、限速、限载

对进出场地的重载车辆采取限流、限速和限载的措施，防止高速车辆对基坑施加过大的荷载、对管线产生较大的扰动。

6.1.2 控制土方开挖速度

控制土方开挖的速度，严格按照设计及施工方案的要求，降低开挖的范围和速度，分块分层开挖，并严禁超挖。在开挖至基底后，需抓紧时间分块浇筑基坑垫层。

6.1.3 加强降水效果

在土方开挖的过程中，仍需进行基坑降水，使土体固结，从而控制基坑的位移，防止管线沉降过大。

6.2 格构柱偏差超过规范要求

在基坑开挖第2层土方时，发现有若干立柱存在较大偏差，若继续开挖，可能会导致立柱失稳的情况发生，为此，通过对每根倾斜的立柱进行验算，采取如下的措施。

6.2.1 对栈桥上施工车辆限流、限速、限载

对这些有偏差的格构柱上的栈桥区域进行限流、限速和限载的措施，偏差太大的区域利用围栏进行封闭，不得再利用这部分栈桥板作为施工作业的区域。

6.2.2 偏斜格构柱外包角钢

在偏斜的格构柱外面包一层同一型号的角钢，以增大格构柱的截面积和强度，提高这些格构柱的稳定性，防止强度破坏或立柱失稳。

6.2.3 增加剪刀撑

在偏斜的格构柱和格构柱之间加焊剪刀撑，提高这些格构柱的稳定性[11]。

7 结语

深基坑工程是一门系统工程，在实际的设计与施工过程中，既要考虑基坑工程本身与周边环境的安全性，也要兼顾工程本身的经济性。本文探讨了大型深基坑工程的优化范围和方式，并结合工程实例，通过对地下室结构以及围护结构等进行全过程的优化，在保证安全的情况下，极大地节约了工程造价，达到了可持续发展的要求[12,13]。