中心城区软土深基坑分区设计关键技术与对策

张竹庭

上海建工集团工程研究总院 上海 201114

上海某办公大楼工程，不仅地处沿海软土地基中心区域，周边建筑、管线、轨道交通结构众多，且基坑需与紧邻的在建轨交15号线车站进行同步交错施工。复杂的周边环境、不利的土质条件、较深的开挖深度、紧张的施工工期，这些都给基坑设计及施工带来难度。本文结合该基坑工程，分析总结与地铁交错施工的软土深基坑分区设计关键技术与对策，可为类似工程提供借鉴。

1 工程概况及特点

1.1 基坑规模

项目拟建建筑为1幢12层办公楼，设置整体3层地下室，其中南侧为办公楼主楼地下室，北侧为纯地下车库。基坑总面积4 058 m2，平面形状呈不规则梯形，普遍开挖深度约17 m。

1.2 水文地质条件

本工程地基土为滨海平原软土地层，基坑开挖范围内土层包括①1填土、②3-1砂质粉土、④1淤泥质黏土、⑤1-1粉质黏土。其中，②3-1层是北侧虬江补给地下水的通道，在动水压力作用下易产生流砂，对施工降水及围护成槽影响较大，围护结构须确保该层土区域的止水有效性；此外，第⑦1-2、⑦2层为承压含水层，第⑦1-2层面埋深最浅30 m，勘查期间水位埋深4.6 m，承压含水层厚约12 m。经验算，开挖至普遍基底时，抗承压水突涌稳定性不满足要求，故需采取合理的地下水处理对策，确保基坑安全。

1.3 周边环境条件

项目东侧有城市主干道大渡河路和路面下众多市政管线，以及在建的轨交15号线车站，该轨交车站标准段及附属结构的基坑边线与本工程东侧基坑边线重合，并拟与本工程局部共用围护结构；南侧贴近轨交15号线附属结构，南侧74 m处为金沙江路及路面下的已建轨交13号线；基坑西侧为华大科技园及园内市政管线，华大科技园采用桩筏基础，距本基坑14 m；基坑西侧5.5 m为虬江，设有防汛墙（图1）。本项目周边环境复杂，保护要求非常高，且基坑位于轨交安全保护区范围内，基坑除了满足各项常规要求外，还需满足轨交严格的位移控制要求。

图1 基坑总平面及周边环境

1.4 场地内部条件

本项目内部场地局促，基坑几乎占满了整个基地，且项目与东侧轨交15号线交错施工，基坑施工时存在变形叠加及多作业交叉。故在设计时需充分考虑与轨交的相互影响，同时合理利用有限的场地资源。

此外，本项目基地北部的纯地下车库区域上空有220 kV高压走廊，其高压线东西向横跨本项目，使基坑有近一半的区域位于高压线控制带内。故基坑设计时，需考虑施工机械高度对围护选型的限制，确保施工可行性。

2 关键技术与对策

2.1 基于微变形控制的分区筹划

软土深基坑实践数据及理论分析证明，小型窄条形深基坑的坑周地表沉降量为围护结构最大侧向变形量的0.7～1.0倍，沉降影响范围为3.0H～4.0H（H为基坑挖深）；而大面积深基坑坑周地表沉降量为围护结构最大侧向变形量的1.0～2.0倍，沉降影响范围为1.5H～2.0H。基于此变形特性形成的基坑工程微变形控制分区支护设计技术[1]，在上海等软土地区工程实践中收到了良好效果。

本工程东侧紧邻变形敏感的轨交15号线大渡河路车站。为确保轨交结构安全，对本工程进行分区筹划，即将本工程基坑分为大、小2个分坑（图2），并采用明挖顺作法施工。A区为远离轨交的大坑，基坑面积约3 500 m2；B区为紧邻轨交的窄条形小坑，基坑面积500 m2，基坑宽度14 m。基坑开挖时，先开挖远离轨交的A区大基坑，再施工紧邻轨交的B区窄条基坑，使窄条基坑卸荷的深层滑移带无法生成；在A区开挖时，B区亦可作为A区基坑与轨交之间的隔离保护带，加大了大坑与轨交之间的距离，从而有效控制基坑开挖卸载对轨交的不利影响。

2.2 交错工况及围护体系施工顺序

基坑东侧的轨交15号线车站设施包括标准段、风亭和出入口等附属结构，这些设施对基坑变形要求严苛；此外，轨交车站工期紧张，且由于场地限制及共墙等，其工期与本工程工期有相互制约的关系，故基坑设计时除须考虑环境保护外，还需满足轨交15号线车站的工程进度，确保不影响轨交线路如期运营。

因此，经与轨交管理部门及相关参建方沟通后，施工顺序为：开挖轨交15号线车站端头井及标准段→开挖轨交1号及2号风亭→开挖轨交7号出入口及换乘通道→待轨交所有附属结构顶板回筑达到设计要求强度后，方可进行本工程A区基坑的土方开挖→待本工程A区基坑的顶板回筑达到设计要求后，方可进行本工程B区基坑的开挖。此外，本基坑东侧区域与轨交互相共用围护结构，即B区基坑东侧及南侧利用轨交地下连续墙作为围护结构，轨交利用B区北侧及A区东侧全线的围护结构作为其围护结构，因此虽然本工程基坑开挖须在轨交结构完成后进行，但基坑东侧区域围护结构须在轨交计划开挖日期前施工完成。

图2 基坑分区筹划平面布置

为控制施工扰动对周边环境的影响，对围护体系的施工顺序也提出要求：槽壁加固→地下连续墙成槽及墙体施工→坑内被动区土体加固→主体结构工程桩。其中，主体结构工程桩在坑内加固完成后及时套打。通过这样“由外向内”的施工顺序，使先施工的围护结构在后续施工中起到保护作用，从而减少加固体及工程桩等施工对周边敏感环境的扰动影响。

2.3 围护结构设计及承压水处理对策

根据基坑开挖深度及周边环境，本工程选用地下连续墙作为围护受力结构，墙体厚度除西侧为800 mm外，其余均为1 000 mm。由于第⑦层承压含水层具有突发性、高压性、易发性这“三性”特点，在高水头压力下，若围护结构存在缝隙通道或薄弱处，砂和粉土就易随水土一起流入，并在短时间内形成突涌。因此，本工程采用基坑外围护结构“隔断承压水”的方案，以隔断坑内外承压水联系，并通过一些加强止水措施，确保形成止水封闭系统。

A区基坑南部主楼区域及B区基坑采用地下连续墙“受力段＋构造段”的形式，以隔断承压水。地下连续墙两侧采用三轴水泥土搅拌桩进行槽壁加固，加固深度与坑内加固底平；地下连续墙外侧槽段接缝处增加品字形高压旋喷桩对承压水加强止水。

A区北部纯地库区域上空有高压线，对大型机械施工及吊装造成限制，故采用“地下连续墙受力＋外侧TRD（等厚度水泥土搅拌墙）隔断承压水”的形式。地下连续墙插入基底以下16 m，满足受力要求；TRD嵌入第⑧层黏土不少于1.5 m，满足隔水要求；地下连续墙槽壁加固亦采用TRD。TRD设备高度较小，可满足高压线净空要求；同时，在查清高压线的弧垂高度的基础上，对北部受高压线影响区域的地下连续墙钢筋笼采用分节吊装，每幅墙分4节，每节钢筋笼高度不大于9 m，墙幅间分节节点错开布置并避开受力集中处，确保施工安全及可行性。

本工程设计时对拟利用的轨交地下连续墙进行了资料调查及现场探查，发现B区南侧一幅拟利用的既有地下连续墙长度仅35 m，未隔断承压水，故在该幅地下连续墙侧增设5根直径2.4 m、定角度180°的MJS（全方位高压旋喷）桩，与既有地下连续墙的槽壁加固搭接形成止水封闭，确保隔断⑦层承压水（图3）。同时，在其余地下连续墙冷缝处增加MJS桩，确保形成无缝隙止水封闭系统。

图3 既有地下连续墙侧增加MJS止水示意

2.4 支撑及栈桥设计

本工程支撑根据A、B区的分坑进行设置。A区基坑设3道钢筋混凝土水平支撑，平面布置形式为十字对撑，具有刚度较大、传力直接的特点。由于场地局促，基坑占满了整个基地，因此结合第1道支撑布置施工栈桥（图4），解决了挖土平台及材料堆场缺失的问题，并在栈桥转角处根据预设的车辆作业行驶路线设置倒角，方便施工车辆转弯。B区基坑设4道水平支撑，支撑形式为对撑，除首道采用钢筋混凝土支撑外，其余均采用钢管支撑。每根钢管支撑带有轴压自动补偿系统及1个带回锁功能且压力量程达3 000 kN的油压泵。对油压泵压力进行预设，当工作压力变化幅度大于100 kN，或压力大于设计值时，系统控制油压泵自动加压或卸压，使钢管支撑在基坑开挖过程中始终保持轴力恒定，从而确保邻近轨交设施及管线变形的可控[2]。B区钢支撑作为无围檩支撑体系，平面布置时须确保“一墙两撑”，即每幅地下连续墙在平面上设置2个支撑点，以平衡围护墙上水平作用力，确保围护体系的整体稳定。

图4 第1道支撑及栈桥平面布置

2.5 中隔墙换撑及拆除技术

A区基坑及B区基坑之间设有中隔墙，由于基坑外围已形成止水封闭，中隔墙无需再隔断承压水，墙体深度仅需满足受力要求即可。A区及B区地下室回筑时，中隔墙两侧须设置底板及楼板换撑结构，主体结构完成后，需进行中隔墙拆除，实现两侧地下室的连通。中隔墙的换撑及拆除过程是结构体系与支护体系之间的力系转换过程，本基坑中隔墙换撑结构从基础底板开始，随地下结构一起“由下而上”逐层浇筑，待中隔墙两侧地下室顶板浇筑并连通后，“由上而下”逐层拆除中隔墙，并逐层对楼板、底板进行连接。此外，在分隔墙凿除过程中，由于B区楼板存在悬挑工况，故对B区分隔墙一侧的楼板设置临时换撑钢柱，为悬挑楼板提供竖向支承，临时换撑钢柱随着中隔墙的拆除而逐层拆除。

2.6 挖土及降水要求

本工程土质具有明显的软土流变特性，挖土时须遵循时空效应原理，按照“分区、分块、对称、平衡、限时”原则并尽早浇筑垫层、形成底板，缩短变形稳定时间，挖土顺序按照离轨交“先远后近”进行。A区基坑由于东西向宽度仅50 m，且基坑中间设有栈桥，无法满足盆式开挖条件，故采用分块开挖，每个分块面积约1 000 m2，各分块之间跳仓开挖；分层开挖时分层厚度不大于4 m，每层边坡的坡比不大于1∶1.5。

基坑开挖前，须进行不少于三周的预降水，以验证围护结构的止水封闭性。若发现围护体有渗漏，先找到渗漏位置，采用高压旋喷桩加固或双液注浆等措施进行处理。基坑实施期间，须对承压水水头进行监测，在围护形成隔断封闭后，在坑内配合进行疏干降水及残余降压。坑内降水严格按照“适时、适量、有控制”的要求。

3 结语

对于中心城区紧邻轨交等敏感设施的软土深基坑，设计及施工过程中除应考虑基坑本体的安全稳定外，还需采取针对性措施加强对周边环境的保护[3]。本工程基坑紧邻在建轨交并与轨交交错施工，施工工况复杂，保护要求严苛。笔者结合工程经验，对设计过程中的关键技术与对策进行分析，总结了一系列针对性控制设计技术，包括基于微变形控制的分区支护设计、交错工况及围护体系施工顺序、围护结构设计及承压水处理对策、支撑及栈桥设计、中隔墙换撑及拆除技术、挖土及降水要求。本文所述多项技术措施可确保基坑工程的顺利实施及对周边环境的有效保护，对类似工程具有很好的借鉴及参考意义。