软土地区超大深基坑工程围护及支撑体系选型分析

2018-05-04孔维耀

城市道桥与防洪 2018年4期

孔维耀

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

随着城市用地日益紧张，人们开始大规模开发利用地下空间，涉及基坑的工程日益增多，且基坑的规模、深度、主体结构的复杂程度均日趋增大，为此基坑工程的设计就愈加重要[1]。基坑工程设计中的首要任务就是确定围护结构和支撑体系，这不仅关系到施工难易和工程造价，更关系到工程安全和支护效果[2]。

为此，本文以某污水处理厂地下一体化箱体基坑工程为例，分析阐述了软土地区超大深基坑工程围护及支撑体系的选型设计，为类似基坑工程提供参考和借鉴。

1 工程概况

1.1 场地概况

上海市区内某全地下污水处理厂采用一体化箱体结构，基坑长和宽分别为350.0m和349.0m，基坑面积为122 150 m2，周长为1 398.0m。根据水处理工艺流程不同和基坑深度不同，从西往东大致可分为两个深度区域：污泥处理区域A和生反池区域C，深度为17.5 m；进水区域B和二沉池及深度处理区域D，深度为14.3 m（见图1）。

图1 基坑深度及分区示意图

该基坑不仅面积超大、深度深，而且周边环境较为复杂。如图2所示，基坑北侧紧邻规划路，现状为单层厂房和简易棚，距离基坑约24.8～26.8 m；基坑西侧为现状道路，路边线距离基坑约17 m，路对面为单层厂房和低层砖混结构建筑；基坑南靠联谊路，距离基坑边线约22 m；基坑东侧为30 m宽高压走廊带，高压电塔距离基坑约25 m。上述已有道路下面均有给水、通信、雨水、电力管道。

图2 基坑周边环境示意图

综上所述，考虑周边环境、开挖深度、场地工程地质条件以及方便施工等因素，按照上海市工程建设规范《基坑工程技术规范》（D G/T J08-61—2010）[3]中规定，该工程基坑安全等级为一级，环境保护等级为二级。

1.2 工程地质概况

该工程所在场地属滨海平原地貌类型，场地基本平坦，根据地勘报告，基坑开挖深度及基坑围护影响深度范围内土层的有关参数见表1。

表1 土层物理力学指标

1.3 水文条件

拟建场地浅部地下水属潜水类型，补给来源主要有大气降水入渗及地表水迳流侧向补给，年平均地下水水位埋深离地表面0.5～0.7 m。潜水水位呈季节性波动，地下水静止水位埋深一般为0.25～2.90 m。根据水文地质勘察资料及勘察报告，⑦层、⑧1-1层、⑧2层、⑨层为（微）承压含水层。

2 基坑工程特点及主要风险源分析

（1）超大面积基坑支撑布置。该工程一体化构筑物基坑面积达12.2万m2，基坑支撑工程量大，合理的支撑布置和设计一方面要保证基坑安全和稳定，另一方面要便于基坑开挖和结构施工。这是该基坑工程设计的核心问题。

（2）水处理构筑物的水平楼板层高较大，基坑换撑困难。构筑物地下一层的层高为6.5 m左右，地下二层最大层高达10.3 m左右，底板标高变化多，内部结构复杂，拆撑后围护墙内力和变形均比较大。这是该基坑工程设计的重点问题。

（3）合理处理地下水及软弱土层。基坑开挖深度深，其中生物反应池区域基坑深度达到17.5 m，该区域抗承压水不满足设计要求，需采用切实有效的降承压水处理措施。这是该本基坑工程设计的关键问题。

（4）基坑围护方案在确保基坑工程安全、达到周边环境保护要求的同时，如何提高经济性以及施工的方便性、缩短基坑工程工期也是该基坑工程业主所关心的主要问题。

为此，本文将结合上述几大问题，详述该基坑工程围护及支撑体系的选型。

3 基坑围护及支撑体系选型

3.1 基坑总体设计方案比选

根据类似基坑工程的经验，结合该工程特点，可选择的总体设计方案有“整体顺作”“分区顺作”和“盖挖逆作”等。

3.1.1 整体顺作

该工程基坑开挖面积大，基坑开挖深度深，基坑单边长度达到350 m，如采用整体顺作，支撑长度长，一次性卸荷量大且工期长，基坑变形、基坑隆起量大，基坑开挖的影响范围也大，无法保证对周边环境的保护。因此该基坑工程不适合采用“整体顺作”。

3.1.2 分区顺作

该基坑工程“分区顺作”可按以下原则进行：

（1）结合工艺布置，根据基坑深度划分施工区。

（2）综合考虑每块开挖面积取20 000m2左右。

（3）结合拆迁进度，具有开工条件的区域考虑分为一个区先行施工。

3.1.3 盖挖逆作

根据该工程特点，可考虑利用中间层板和顶板作为水平支撑采用盖挖法施工。一方面可以节省支撑工程量，节约造价和工期；另一方面两层楼板水平刚度大，可以控制围护墙的变形，提高基坑开挖的安全性。

综合考虑该基坑工程的安全性、经济性和工期来比选，最终选定“盖挖逆作”设计方案，具体为：先行施工中间层板，利用该层楼板作为一道支撑，然后施工该层以上部分及顶板，利用中间层板和顶板预留洞口出土并继续开挖至坑底。

3.2 围护体选型

基坑围护体选型往往带有较强的地域性，与当地工程地质及水文地质条件、施工机具、经验等有很强的相关性。根据该地区已建或在建的类似深基坑工程经验，该基坑的围护体可以选择的有钻孔桩和地下连续墙[4]。

钻孔灌注桩适于开挖深度超过10 m的基坑，并配合施工止水帷幕。该围护体造价较低、工艺成熟、质量可靠、施工周期较短[6]；缺点则是墙体总厚度较大[5]。

地下连续墙具有刚度大，、可有效控制基坑变形、止水效果好以及施工工艺成熟等诸多优势。近年来在周边环境保护要求高或基坑开挖深度较深的基坑工程中得到了大量的应用。地下连续墙可以仅作为临时围护结构，也可兼作地下室外墙，具有挡土、防水和承载的功能。其缺点则是单价较高、工艺相对复杂、施工要求较高、周期相对长。

根据实际工程经验，当软土地区中基坑开挖深度在超过15 m时，“两墙合一”地下连续墙是较为经济合理的围护型式。该基坑工程采用“两墙合一”型式地下连续墙作为基坑围护体，即地下连续墙作为基坑围护体挡土止水的同时，还作为地下室的结构外墙，地墙进入⑧1-2层，切断坑内外水力联系。

3.3 支撑体系选型

3.3.1 支撑材料选择

深基坑工程中水平支撑主要有钢筋混凝土支撑以及钢支撑两种型式。

钢筋混凝土内支撑具有刚度大、变形小的特点，对减少围护体水平位移并保证围护结构稳定具有重要作用。同时混凝土支撑施工适用性强，可适用于各种复杂形状和基坑面积超大的基坑工程。采用钢筋混凝土支撑体系，第一道支撑又可作为施工中挖、运土用的栈桥，方便了施工又降低了施工措施费。

钢支撑一般采取正交、对撑的型式进行布置，在条形基坑中，对支撑本身受力和控制基坑变形都比较有利。采用钢支撑施工方便，支撑形成速度快，可以大大减少围护体无支撑暴露的时间。同时拆除也较为方便，可以加快整体施工进度。采用钢支撑体系，需设置独立的施工栈桥，在一定程度上增加了工程造价。同时面积较大的基坑采用钢支撑则不利于控制基坑变形和环境保护。

综上所述，由于该工程基坑面积超大、深度较深，不宜采用钢支撑，均采用钢筋混凝土支撑体系。

3.3.2 支撑平面布置选型

钢筋混凝土支撑体系可采用对、角撑布置型式或者圆（环）形支撑的布置型式（见图3和图4），两种支撑体系从结构受力以及变形控制角度来看均可行。两种支撑体系各有特点。