软土地区异形深基坑围护设计及施工技术研究

戴 伟

1. 上海外高桥集团股份有限公司 上海 200137；2. 上海城市非开挖建造工程技术研究中心 上海 200002

1 工程概况

1.1 基坑概况

上海外高桥某工程基坑面积约为44 232 m2，总长约为1 064 m，呈倒L形扇形。主楼区（12～17层）开挖深度13.15 m，裙楼区（4层）开挖深度11.65～11.85 m。

1.2 环境概况

基坑南侧为已建商业建筑，东侧为保护建筑杨氏民宅。基坑西侧、北侧为上海轨道交通6号线高架，最近距离为45.5 m，处于轨道交通保护区外，但仍需严格控制基坑变形（图1）。

1.3 地质概况

基坑开挖范围内地层从上到下依次为①杂填土、②黏土、③淤泥质粉质黏土夹黏质粉土、④淤泥质黏土、⑤1粉土、⑤2-1灰色粉质黏土夹黏质粉土，以淤泥质黏土为主，坑底位于③层土中，土层物理力学性质较差。

2 基坑分坑及围护设计

2.1 基坑分坑原则

由于本工程基坑面积较大，呈倒L形扇形，基坑形状较不规则，基坑单边较长，且基坑西、北侧邻近轨交6号线高架桥，尤其是北侧高架距离基坑较近，故本工程考虑采用分区开挖的顺作法施工方式。本基坑从面积上而言，可分为2个基坑，但若采用2个基坑的方式，基坑受相邻基坑的影响不能同时开挖，无法满足工期要求。故以本工程关键节点的2栋高层A、B为切入点，本工程必须划分为3个基坑：即以2座塔楼与中间4层裙楼的界线为分区线，将基坑由北向南依次划分为A区、B区、C区（图2）。其中A区基坑面积为21 000 m2，C区为18 000 m2，中间B区基坑作为分隔的缓冲带，基坑面积4 100 m2，应先施工A、B这2栋高层所在区域的基坑（即A区与C区），后施工B区，从而保证总体工期[1-3]。

图2 分坑示意

2.2 围护形式及支撑布置

2.2.1 围护形式

本工程采用钻孔排桩结合三轴搅拌桩止水帷幕作为围护体系，采用分区开挖的顺作法施工方式，分区桩采用φ900 mm@1 100 mm钻孔灌注桩，两侧均设置止水帷幕。A、B区西北侧邻近地铁高架区域采用φ1 000 mm@1 200 mm钻孔灌注桩结合φ850 mm@600 mm三轴水泥土搅拌桩止水帷幕进行围护；其他侧采用φ950 mm@1 150 mm钻孔灌注桩结合φ850 mm@600 mm三轴水泥土搅拌桩止水帷幕进行围护。基坑竖向设置2道混凝土支撑。

2.2.2 支撑布置

本工程基坑呈倒L形扇形，在分坑后，C区基坑较为规则（呈梯形），其东西向边线互相平行，南北向边线与东西向边线形成夹角适中，适宜采用传统对撑＋角撑＋边桁架的形式。该类型支撑体系具有较好的变形控制能力及大面积无支撑的出土作业面。

B区基坑面积较小，且在两侧完成后进行开挖，故其土压力仅存在于东西两侧，仅需布置部分角撑杆件支护东西侧土压力即可。但出于施工考虑，由于两侧完成后无太大施工空间，故需要考虑设置一部分挖土平台。

A区基坑呈不规则扇形，若要布置对撑，则会成为发散状，若要形成较好的传力路径，则对撑布置需较为密集，无法很好地形成土方开挖作业面，对工期有较大影响。但由于基坑呈扇形，且为轴对称分布，A区基坑外圆弧边线与内圆弧边线的距离大致等距。故而采用双圆支撑的布置形式，圆环直径相等。具体思路如下：将扇形按对称轴分为大致相等的2个小扇形，各取一距离小扇形四边大致相等的点作为圆环撑的圆心，以距离四边一跨支撑的长度（一般为10～12 m）为半径作圆，以圆心为起点，等分圆周长，确保圆心放射线分隔的围檩长度在6～10 m之间，能够较好地控制基坑位移。

按此思路，整个圆环的直径达到86 m，能够提供最大的挖土作业面，便于挖土及施工地下室结构。

3 分坑施工

3.1 相邻基坑工况设计

A区及C区间间隔距离为24～50 m，根据相邻基坑的相关研究，基坑间间距在2倍开挖深度以外基本无太大影响。

按照普遍挖深分析，本基坑A、C分区间基本已处于影响范围外，但仍需协调两分区之间的相互工况，尽量做到两区工况的统一（对称挖土及施工结构），使两区均匀受力，避免产生附加变形及内力。故对本基坑进行了工况设计。

3.1.1 A、C区工况

1）场地平整，打设工程桩、基坑周边围护结构、钢立柱和加固体，对A、C区进行基坑降水。

2）开挖A、C区及B区基坑土体至第1道支撑底标高，浇筑混凝土压顶梁及第1道支撑（B区仅开挖支撑部位土体）。

3）分块开挖A、C区土体至第2道支撑底标高，浇筑A、C区基坑围檩及第2道混凝土支撑。

4）分块开挖A、C区基坑土体至基底标高，及时浇筑A、C区垫层和基础底板。

5）待A、C区基础底板及换撑板带达到设计强度的80%，拆除第2道支撑，往上施工A、C区地下2层结构，并设置换撑板带。

3.1.2 B区工况

1）待A、C区地下1层结构梁板达到设计强度的80%后，密实回填周边空隙。

2）分块开挖B区至第2道支撑底标高。

3）浇筑B区基坑围檩及第2道混凝土支撑。

4）分块开挖B区基坑土体至基底标高；及时浇筑B区垫层和基础底板，并设置底板换撑板带。

5）拆除第2道支撑，往上施工B区地下2层结构，并设置换撑板带。

6）拆除第1道支撑，往上施工B区地下1层结构。

7）密实回填周边空隙，连通A、B区和B、C区地下室顶板，并凿除分区墙、连通地下室各层楼板、框架梁、底板等构件。

3.2 土方开挖

由于本工程分为3个基坑，且每个基坑的围护形状及支撑布置形式均不太相同，因此，3个小基坑的土方开挖形式有一定的区别，其中A区基坑首层土方采用大开挖，基坑采用双圆环撑的支撑形式；第2层土方采用中心岛式开挖，先开周边支撑区域下土方并快速形成支撑，再开挖中间无支撑区域的土方（图3）；第3层土方根据后浇带分块开挖，垫层随挖随浇，随后逐个挖出落深坑。各块基础底板及相关工序及时跟进施工，确保基坑稳定。

图3 A区中心岛式开挖平面示意

C区基坑与A区基坑实施同步对称开挖施工。首层土方采用大开挖；第2层土方采用盆式开挖，先开挖盆中土方，然后再开挖周边，使主要支撑及早形成（图4）；第3层土方根据后浇带分块开挖，垫层随挖随浇。

图4 C区盆式开挖平面示意

B区第2道支撑需待A、C区地下1层结构梁板达到设计强度的80%并密实回填周边空隙后，方可开挖。其第2层土方采用中心岛式开挖，先开挖周边支撑区域下土方并快速形成支撑，再开挖中间无支撑区域的土方（图5）。第3层土方由中间向两侧挖土平台方向退挖。

4 实施效果

该基坑于2015年1月开始围护施工，2015年5月进行土方开挖，2015年10月8日C区大底板完成、10月18日A区大底板完成，至2015年12月完成地下室结构。

墙体测斜方面，基本满足设计要求，主要是由于将基坑分坑施工开挖，控制住开挖边线长度，且根据各个分区的围护形式及支撑布置选择开挖方式，因而位移控制较好。

在A、C区开挖阶段，西北侧地铁高架区间段墩台监测点累计下沉变化量在0.14～0.64 mm之间，地铁墩台沉降十分稳定，周边管线处于安全范围内，验证了异形基坑分坑施工对周边环境的保护卓有成效。

图5 B区中心岛式开挖平面示意

5 结语

1）本工程根据结构形式将塔楼与裙房区域分为3个基坑施工，利用分坑技术解决塔楼工期问题，也避免了超大面积深基坑一次性开挖给基坑自身、周边环境带来的不利影响[4-5]。

2）B区基坑的设置原则借鉴了上海市相邻基坑相关经验，将A、C基坑间间距控制在2倍开挖深度以外，实践也印证了这一经验的可靠性。

3）对于呈不规则扇形的基坑，传统对撑的支撑布置方式无法较好地控制基坑变形及受力，可采用双圆支撑的布置形式，将主要受力传递至双圆上，但在设计时应加强圆环的刚度，并在施工上提出要求，避免圆环不均匀受力。

4）基坑土方的开挖应根据基坑自身特点确定，对于圆环支撑首先应保证均匀对称开挖，并配合岛式开挖，利用圆环的大空间进行出土；对于B区基坑，在基坑中部没有支撑覆盖的情况下，出土较为便捷，可采用退挖的方式出土，加快出土速度。

5）本工程的成功实施表明，在软土地区进行深大基坑施工时，有效结合工程特点及基坑自身特点进行合理规划，在提高施工进度的同时也能保证自身及环境的安全，可为今后城市地下空间的开发利用提供借鉴与参考。