软土深基坑微变形控制技术在复杂环境条件下的应用

钟 铮

上海建工集团股份有限公司 上海 200080

随着我国经济的发展，对城市地下空间的开发利用已成为解决城市人口、资源、环境三大危机，实施城市可持续发展的一条重要途径。城市纵深的发展和地下空间的扩展带来了大量的深基坑工程。近年来，基坑的规模越来越大、开挖深度越来越深，越来越多的基坑工程邻近敏感的建（构）筑物，由基坑工程施工引起的环境保护问题变得日益突出，按变形控制替代传统按强度控制已经成为深基坑工程设计施工的主流观点。在我国经济最发达、基础设施建设最密集的沿海、沿江地区，其工程建设影响深度范围内普遍存在一定厚度的软土。软土具有含水量高、抗剪强度低、压缩性高、流变性能显著等特点，这给沿海、沿江地区的城市建设技术提出了更高的要求。因此开展软土城市基坑工程对环境影响微变形控制技术的专项研究具有重要的实际意义。

本文结合上海某紧邻在建轨交车站的深基坑工程，对其建设过程中采用的微变形控制技术及环境保护措施进行详细阐述，希望为类似工程提供借鉴与参考。

1 工程概况

上海某办公大楼新建工程位于普陀区金沙江路以北、大渡河路以西，北至虬江、西至华大科技园（图1），工程用地面积为3 006 m2。大楼主体结构设计为地下3层，地上12层，地下室为框架-剪力墙结构，基础设计采用钻孔灌注桩＋大底板的形式。基坑平面呈不规则梯形，尺寸约为55 m×50 m，面积2 500 m2，周长210 m，普遍开挖深度约为17 m。

图1 基坑鸟瞰

1.1 环境情况

基地位于上海市区中心地段，东侧邻近大渡河路，路面下是在建轨交15号线大渡河路站，该站与本工程基坑局部共用围护结构；南侧约70 m外为金沙江路，路面下是刚建成运营的轨交13号线大渡河路站，在基坑南侧约30 m处设地下通道与轨交15号线车站连通；西侧约12 m处为华大科技园高层建筑，地上20层、地下2层，埋深约9.4 m，采用钻孔灌注桩基；北侧约38 m外为虬江河道及防汛墙。

基地东、南侧城市主干道路下方均分布有大量市政管线：东侧轨交15号线车站施工前将对大渡河路现状管线进行搬迁处理，其中给水管线、通信管线、电力电缆及新增的1条110 kV电缆箱涵临时改迁至本基坑东侧场地内，并在车站主体结构封顶覆土后迁回；南侧金沙江路下的市政管线距离本基坑较远，均在80 m开外。此外，基地北侧分布有一条30 m高压走廊，距离本工程基坑最近18 m。

总体而言，基地周边环境复杂，敏感建（构）筑物密集，保护要求较高。

1.2 地质条件

本工程场地地基土属第四纪晚更新世至全新世沉积物，主要由饱和黏性土、粉性土和砂土组成，呈水平层理分布，为上海地区典型的滨海平原软土地层。基坑开挖范围内土层主要包括第①1层填土、第②3-1层砂质粉土、第④1层淤泥质黏土及第⑤1-1层粉质黏土。

场地浅部的②3-1层粉性土在一定水头的动水压力作用下易产生流砂现象，同时也是邻近虬江补给地下水的良好通道，必须确保基坑围护结构在该土层中的止水封闭。场地深部约30 m以下的第⑦层粉砂层为承压含水层，基坑开挖时存在承压水突涌的可能性，工程建设时需采取相应预防措施。

2 基坑总体设计方案

本工程基坑地处城市中心繁华地段，基坑深度大，周边环境保护要求高，需要选择一种安全可靠且有成熟施工经验的基坑支护方案。

根据软土地区已实施的大量基坑工程的成功实践经验，类似基坑工程一般采用板撑支护体系。考虑到本工程基坑开挖深度普遍超过15 m的实际情况，因此采用刚度大、整体性好的地下连续墙作为周边围护体，受力段插入基底以下16 m。为最大限度减小降承压水对周边敏感环境的影响，在地下连续墙受力段下方再增加长约13 m的素混凝土构造段，顶部嵌入第⑧不透水黏土层不少于1.5 m（图2）。

图2 基坑围护结构剖面示意

根据本工程变形控制要求严格的特点，结合基坑平面形状及分区特点（图3），在A区采用了钢筋混凝土十字对撑的平面布置形式，具有支撑刚度大、传力直接、受力清楚等优点；在B区选用钢管对撑的布置形式，有利于土方开挖，配合带轴压伺服系统钢支撑能很好地控制基坑变形。

图3 基坑开挖分区示意

3 基坑微变形控制技术

3.1 分区开挖支护技术

本工程基坑东侧紧邻在建轨交15号线大渡河路车站，二者局部区段需共用围护地下连续墙，并存在交叉施工工况，但场地周边敏感建（构）物较多，施工及保护要求均较高，因此必须遵循“时空效应”原理[1]，合理制订基坑分区分坑方案，整体筹划与地铁车站开挖搭接的施工工序及实施节点，严格控制卸载过程中所产生的地层变形，方能达到基坑本体和周边环境双安全的目的。

3.1.1 分区方案

将整个基坑分为2个大、小分区A、B，分别独立支护、先后开挖：西侧的A区为结构主楼区域，开挖面积约1 950 m2；东侧的B区为邻近地铁所划分的宽14 m隔离保护带，开挖面积约500 m2。方案通过加大与保护对象的距离、减小深层滑移带宽度，来有效控制A区大基坑卸荷对环境的影响；通过B区窄基坑卸荷深层滑移带无法产生的原理，达到保护对象严苛的微变形控制目标[2]。

3.1.2 实施步序

基坑开挖应按照环境敏感程度由低到高进行，按限时、跳仓的方式确定施工节点：在轨交15号线车站北端井结构回筑至B2层梁板后先行开挖A区基坑，待A区结构底板浇筑完成后方可进行地铁车站标准段的开挖施工；在轨交15号线车站主体及周边附属设施地下结构施工完成并回搬管线后，方可进行B区基坑的开挖施工。这种安排降低了基坑开挖叠加变形的影响，充分调动和利用了土体自身的强度，能有效控制基坑墙体和坑周地层的总体变形。

3.1.3 开挖要求

考虑到软土的流变特性，基坑按照“分区、分块、对称、平衡、限时”原则[1]指导微变形控制开挖。A区基坑采用盆式开挖的方式；围护墙一次暴露长度不超过20 m且不超过2个支撑间距，分层开挖的分层厚度不应大于4 m；沿地铁侧留土宽度不少于4倍的单层挖深，且最后挖除；单块土体的开挖支撑施工时间控制在24 h内。B区基坑采用分层分段连续开挖的方式；首层土方可采用大开挖，其余各层土方分段开挖长度不宜超过6 m；单根钢支撑的开挖支撑时间严格控制在12 h以内。开挖至基底时，要求各区域边挖边形成垫层，快速形成底板，以控制围护结构的位移和坑底回弹。

3.2 钢支撑轴力补偿技术

近年来，在许多紧邻轨交等生命线工程的深基坑开挖施工中均成功运用了轴力伺服系统（图4）进行钢支撑的轴力补偿，该系统主要由液压系统模块和自动控制系统模块组成，能够将深基坑钢支撑的轴力由被动受压和松弛变形转变为主动加压调控变形，并根据紧邻深基坑保护对象的变形控制要求主动进行基坑围护结构的变形调控，保证紧邻深基坑保护对象的安全使用[2]。

图4 钢支撑轴力伺服系统

本工程B区基坑开挖阶段四周均紧贴重点保护对象，对围护结构侧向变形有严苛的要求，故采用了钢支撑体系结合轴力自动伺服系统进行微变形控制。在施工操作中有以下要点：

1）钢支撑轴力伺服系统应对基坑的每个支撑轴力24 h不间断实时监控，轴力值允许在合理的设定范围内波动。

2）要求油缸为双作用油缸，系统能满足双向自动补偿的功能。

3）轴力实时补偿用的液压油缸置于支座套箱中，支座套箱与钢支撑可靠连接，实现支撑轴力增减的高效传递。

4）钢支撑油缸安装加载应遵循时空分步加载的原则，每幅墙体2根支撑建议以设计轴力的30%交替平衡加载，当加载到设计轴力的100%时，应及时将机械锁锁紧。

3.3 适应性土体加固技术

本工程基坑开挖深度范围内分布有第④1层淤泥质黏土、第⑤1-1粉质黏土等土层，孔隙比大、力学强度低、压缩性高，不利于围护结构变形控制。为避免开挖卸荷引起邻近众多保护建（构）筑物过大的沉降变形、开裂甚至破坏，采用土体加固技术是一个直接有效的手段。通过对被动区土体针对性的改良处理，能够有效提高土体承载力和基坑抗变形能力，达到保证基坑开挖面稳定和环境微变形控制的目的。为体现方案的经济性，根据保护对象和控制要求的不同，基坑在各区域综合采用了多种加固方式（图5）：

图5 基坑被动区加固平面示意

1）A区基坑东侧邻近地铁区域变形控制要求较高，故在该侧坑底以下5 m范围内采用φ650 mm@450 mm三轴水泥土搅拌桩进行了裙边加固，为控制每步开挖期间的围护结构变形，还对第2道支撑底至坑底范围内的土体采取了抽条加固措施。

2）A区基坑其余3侧保护要求相对较低，故仅在各边中部坑底以下5 m的被动区范围内采用了搅拌桩墩式加固。

3）B区基坑周边紧贴地铁车站，且在车站设施施工完成后开挖，变形控制要求严苛，故在其坑底以下5 m采用了搅拌桩满堂加固形成有效封底，还对第2道支撑底至坑底范围内的土体采取了抽条加固措施，加固平面与钢支撑掏槽抽条开挖相对应，控制每道支撑架设期间的围护结构变形。

3.4 地下水控制技术

本工程场地范围内普遍分布第⑦承压含水层，层面埋深约23.2 m，层底埋深约35.7 m。勘察期间设观测孔对第⑦层承压水头进行了测量，其水位埋深约为4.6 m。经计算表明，开挖至基坑普遍基底时抗承压水突涌稳定性不满足要求，需采取合理的地下水处理对策。

满足基坑工程设计安全稳定要求所需的地下连续墙受力段端部已进入第⑦层一定深度，考虑到基坑周边敏感建（构）筑物较多、环境保护要求较高的情况，拟采用在地下连续墙底部设置加长构造段“隔水”＋坑内布置降水井“疏干”的方式进行承压水抗突涌处理。这种方法隔断了坑内外承压含水层之间的水力联系，将降水、降压区控制于基坑内部范围，坑内的水位升降不会对坑外的水位产生影响，在技术上安全、可靠，对周边环境的影响也较小。在基坑开挖过程中还需采用信息化施工手段，密切观测坑内外水位变化及周边环境的变形等，对监测数据及时分析判断，注意是否为承压水问题所造成，并采取针对性技术措施。

3.5 信息化监测监控技术

在本基坑开挖施工全过程中必须采用自动化监测监控技术，随时掌握工程施工对基坑支护结构及邻近保护对象的影响，实现信息化施工和动态控制，通过对监测数据的分析，及时调整、优化设计及施工措施，做到提前预警、过程控制、安全施工。

根据基坑工程的特点及保护对象的微变形控制要求，拟选择以下监测项目，并对关键部位实施重点监测。

1）基坑本体：墙顶变形、支撑轴力、墙体深层水平位移、立柱竖向位移、地下水位等。

2）周边环境：地表竖向位移、地下管线位移、建（构）筑物竖向位移、建（构）筑物倾斜等。

3）地铁结构：水平位移、沉降或隆起、水平直径收敛变化量。

在工程实施前尚需根据基坑工程的支护结构、周边环境、重点被保护对象要求、施工方案、场地条件等情况，预先制订应急抢险方案，备妥各类应急物资及抢险材料，一旦发现土体位移过大、地表开裂、围护渗漏等危险情况及时启动现场应急预案，积极组织抢险。

3.6 有限元数值分析技术

基坑微变形控制以环境保护为核心，在正式开挖前为明确基坑方案对周边土工环境的影响，通常采用有限元数值模拟分析基坑开挖卸荷产生的微变形情况，对围护结构变形、坑内土体回弹及坑周建（构）筑物变形进行预估，并根据分析结果，调整设计施工方案以使其最大限度地满足坑周敏感对象的微变形控制要求。

在本工程基坑有限元分析中，土体采用适用于基坑开挖的Hardening-Soil（硬化土）模型[3]，围护结构采用线弹性模型，在参数方面考虑了主偏量加载引起的塑性应变、主压缩引起的塑性应变以及弹性卸载/重加载的卸荷模量。就A区基坑开挖阶段对西侧华大科技园高层建筑及东侧轨交15号线车站北端井结构的变形影响，与B区基坑开挖阶段对周边地铁车站结构及附属设施的变形影响进行了数值分析（图6）。

变形分析结果如表1所示，表中变形值对照规范及相关管理部门允许的控制值均有一定余量[4-5]，表明采用的微变形控制措施能有力保证基坑本体及坑边敏感对象的安全。

图6 基坑结构及保护对象变形矢量图

表1 数值分析主要结果汇总

4 结语

针对软土地区密集城市环境中深大基坑开挖施工过程中面临的微变形控制难题，以上海中心城区某办公大楼新建工程为背景，结合笔者多年来承担的软土地区深大基坑工程实践，总结了包括分区开挖支护技术、钢支撑轴力补偿技术、适应性土体加固技术、地下水控制技术、信息化监测监控技术以及有限元数值分析技术在内的一系列微变形控制设计施工措施[6]，以满足施工期间周边敏感环境和设施的严格保护要求。本研究有助于软土地区基坑工程微变形控制成套技术的成熟与形成，具有较好的工程意义和社会效益。