弱刚度围护体系的基坑变形控制技术

刘巽全 范仙明

上海建工五建集团有限公司 上海 200063

1 工程概况

1.1 建筑概况

背景工程位于上海虹桥商务区核心区一期03地块南块，处于上海虹桥交通枢纽区域内，地块东邻申虹路，南靠苏虹路、西至申长路，北为锡虹路，总用地面积为32 176.6 m2。地上建筑面积113 035.84 m2，地下建筑面积84 100 m2，地块内建成后为虹桥万科中心。

1.2 工程周边环境

本工程基坑开挖面积约29 605 m2，形状呈近似规则的矩形，东西向长度197 m，南北向长度157 m，周长约710 m。基坑大面积开挖深度为15.76 m，局部降板区域开挖深度为16.31～18.06 m（图1）。

图1 基坑周边环境及挖深示意

基坑地下室边界紧邻四周道路，距离道路最近处仅3 m。东南侧沿申虹路80 m长度为已施工地下通道，本项目拟建地下室外墙边界进入该地下通道7.7 m左右，地下通道底板面标高高出地下2层底板面标高1.57 m。北侧设有供能管沟工程，供能管沟与本工程地下室相连通。地下室北侧、西侧、东侧三处与人行通道相连通，周边有多个在建工地，且紧邻虹桥火车站及虹桥机场，地块周边管线布置复杂。

1.3 基坑围护设计概况

本工程基坑分为东区、西区2个施工区域，分坑施工。区域之间采用“钻孔灌注桩＋三轴搅拌桩”进行分隔。整个基坑围护采用“钻孔灌注桩＋三轴搅拌桩止水帷幕”形式，如表1所示[1-2]。

表1 围护体系参数

2 难、特点分析

2.1 围护体系薄弱，基坑变形控制要求高

2.1.1 与同类工程围护对比

对虹桥商务区核心区一期10个地块的围护体系进行统计整理，除了虹桥08地块尝试“钻孔灌注桩＋三轴水泥土搅拌桩”的围护形式外，其余均采用地下连续墙作为围护体系。刚度相对薄弱的支护体系在工程进度、工程造价方面具有明显优势，但施工过程变形控制要求高。

2.1.2 围护薄弱点分析

1）薄弱点1：预留管沟通道施工。主体结构北侧完成后需与能源管沟进行连通。能源管沟与主体结构之间，除原有基坑主体结构围护形式以外，还增加了拉森钢板桩进行围护分隔，桩长21.0 m（图2）。

图2 薄弱点1局部

2）薄弱点2：预留人行通道施工。主体结构北侧、西侧、东侧将与人行通道相连。人行通道与主体结构之间，除原有基坑主体结构围护形式以外，还增加了SMW工法桩进行围护分隔，桩长26.0 m（图3）。

图3 薄弱点2局部

2.2 基坑与虹桥火车站下沉广场部分重叠，施工工况复杂

基坑挡土墙东侧为虹桥火车站敞开式地下车库，车库上部结构形式为现浇钢筋混凝土框架结构，基础结构形式采用桩筏基础，主体结构桩基为长42 m灌注桩。该挡土墙基坑内侧采用重力坝围护，项目实施需先凿除现有挡土墙，后施工本项目地下室结构，施工工况复杂。

2.3 地理环境特殊，政治影响大，社会关注度高

基坑位于虹桥商务区核心区地块，虹桥商务区是上海“十二五”期间重点发展区域，是带动上海经济发展方式转型、促进城市空间布局调整的重大战略决策，工程的社会关注度高。

3 施工总体技术路线

3.1 基坑变形控制

1）按照“时空效应”，做到“分层、分块、对称、平衡、限时”开挖土方。

2）土方开挖与基坑支撑实行交叉搭接流水施工，加快出土，缩短基坑无支撑暴露时间。

3）坚持“按需降水”原则，采用信息化监测措施，确保施工安全。

4）制订完备的基坑变形控制应急预案。

3.2 下沉式广场工序搭接

1）下沉式广场围护施工采用“咬合桩＋旋喷桩”的形式。

2）基坑东南侧高底落差处的咬合桩施工需搭设钢平台施工，消除标高差异。

4 弱刚度围护条件的基坑变形控制

4.1 土方分区施工

4.1.1 施工栈桥优化

考虑到流水施工时将遇到混凝土浇捣与土方开挖同时作业，栈桥的宽度将大大制约出土的效率。原设计第1道混凝土支撑角撑仅基坑西北角设置栈桥，其他角撑均未设置栈桥，造成基坑未设置栈桥角的土方全部要靠小挖机多次翻转，很大程度上降低了挖机挖土的效率，为此，我们对栈桥布置进行了优化（图4）。

图4 栈桥优化后平面布置

4.1.2 土方开挖施工

鉴于本工程占地面积较大的特点，设计工况为整个基坑分为西坑和东坑，为有效控制基坑及周边环境安全，西坑进一步划分为4个区域，东坑划分为3个区域。总体平面开挖方式采用盆式开挖“先中后边”，分区、分层开挖。

西区基坑首先施工中心区域（①区），最快时间形成混凝土直撑。随后进行②区、③区的土方开挖并最短时间内形成对撑。最后同步开挖4个边角区域的土方（④区），形成角撑。当西区B1层结构楼板强度达到70%后进行东区基坑第2皮土方开挖。东区基坑首先施工中心区域（⑤区），最快时间形成东西向直撑及南北向部分直撑。随后进行⑥区的土方开挖并最短时间内形成南北向对撑及基坑东北角角撑。最后同步开挖西北边角及西南边角区域的土方（⑦区），形成角撑（图5）。

4.2 深基坑降水控制

本工程原设计按照每250 m2布置1口疏干井，在进行地质条件及降水试验结果分析后，决定按照每200 m2设计1口疏干井，共设计142口（其中西区92口，东区50口）。

在施工过程中严格执行按需降水的原则，严禁超降水，本着绿色环保的原则，不仅需少降承压水而且需少降潜水，整个施工过程共降潜水4 062.71 m3。

图5 土方分区开挖流程

4.3 应急预案

以“安全第一，预防为主”为指导方针，遵循“保护人员安全优先、保护环境优先、防止和控制优先”的原则，建立了事故应急领导小组及事故应急工作小组，明确人员职责和分工，制订了专项应急预案，以应对各种险情。

5 与下沉式广场搭接部位的专有技术

5.1 总体施工思路

西广场挡墙与围护体结构相交，交点处围护体施工前挡墙不可拆除。经对比，咬合桩集清障、围护、止水于一体，是一种比较经济、合理、安全的方案。具体施工工序如下[3-4]：

1）卸除挡土墙墙后部分土体。

2）凿除挡土墙斜撑。

3）搭设钢平台施工挡土墙南北节点处咬合桩，并开槽施工西交通广场内钻孔灌注桩。

4）施工顶圈梁与西广场底板相连。

5）基坑开挖至坑底，施工主体结构地下室。

5.2 地下障碍物处理

1）预制方桩：围护桩施工时避开预制方桩。

2）西交通广场地下工程桩：西交通广场内围护桩施工空间狭小，原有工程桩桩径700 mm，桩长42 m，满足围护体计算要求，可利用已有的地下工程桩作为围护桩。

5.3 关键节点处理

挡墙内侧有大量的地下障碍物，两端挡墙节点处采用φ1 000 mm@800 mm咬合桩，挡墙内侧及挡墙处咬合桩桩顶标高－2.85 m，桩长29 m；西交通广场内咬合桩桩顶标高－10.58 m，桩长15m（图6～图8）。

图6 西交通广场平面

图7 角点1节点

图8 角点2节点

5.4 咬合桩施工

5.4.1 咬合桩设计概况

原虹桥交通枢纽西交通广场施工时的围护结构位于本地块内，在本地块内遗留有高10 m的挡土墙、斜撑、旧桩基、重力坝加固及基础底板等。而本工程的部分围护结构位于已施工完成的挡墙与西交通广场车库之间（地面以下10 m区域），主要为咬合桩。其中咬合桩共134根，采用φ1 000 mm@800 mm，桩长15 m（落深处）、22.63 m（地面处）。

5.4.2 咬合桩施工难点分析及对策

1）西交通广场底板破除难度大。西交通广场侧的基础厚度为1.25 m，与西交通广场停车库交界处的厚度达2.15 m（其中钢筋混凝土底板厚度1.10 m，斜边三角形素混凝土厚度0.90 m，素混凝土垫层厚度0.15 m），在施工前必须先进行破除，挡土墙高达10 m，且承担了与挡墙间的传力作用，因此施工时需根据设计要求及地下水的实际情况确定破除深度（图9）。

2）高低落差处咬合桩施工平台要求高。在挡墙高低落差处的咬合桩必须搭设钢平台进行施工，由于双套管全螺旋回转钻机（CD机）的自重大，加上钢平台的自重等，综合计算钢平台的承载能力必须大于130 t，因此对于钢平台的设计与施工均要求极高，钢平台的设计必须经过设计单位的核算。

图9 火车站西交通广场与基坑东侧关系剖面

3）咬合桩施工难度极大[5]。

① 为缩短施工工期，同时考虑到对周边环境的影响，破除底板时不能有较大的振动，选用引孔机引孔，在需要破除部位的底板两侧引孔，将底板分块后采用镐头机破除。

② 根据施工图纸与现场实际情况，12根咬合桩位于地面与坑内的高差交错区域，施工前必须先搭设钢平台，然后在钢平台上进行咬合桩的施工。钢平台的承载力、刚度和强度均必须经过验算，确定满足要求后才能具体实施，确保施工安全。

6 结语

刚度相对薄弱的支护体系在工程进度、工程造价方面具有明显优势，但施工过程变形控制要求高，土方工程、降水工程、结构工程均是对周边带来较大变形的影响因素。在施工过程中，采用合理的基坑变形控制技术尤为关键，本工程结合项目特点，采用“钻孔灌注桩＋三轴搅拌桩”的围护形式，局部区域采用“咬合桩＋旋喷桩”的围护形式，不仅确保了基坑围护的安全，也加快了工程进度，节约了工程造价，对今后类似工程基坑施工具有一定的借鉴意义。