坑靠坑支护设计施工技术与开挖影响研究——以上海前滩某项目深基坑为例

谷 雪

(上海地矿工程勘察有限公司 上海 200072)

1 工程概况

项目位于上海市浦东新区前滩国际商务区西部，南至翠溪路、北至前滩大道。拟建共含4个地块，均为大底盘地下室上多塔建(构)筑类型，包括地下车库、多幢住宅主楼及配套公建用房。地下设置2层地下室，地上部分主要为8～13层。主楼基础形式采用钻孔灌注桩-筏板基础，结构类型采用剪力墙结构。

4个地块基坑开挖深度较为接近，除D基坑相较面积更大，其余3个基坑面积较为近似，形状均较规则，属深大型基坑工程。环境位置示意图如图1所示，各地块基坑基本信息如表1所示。

表1 各地块基坑信息一览表

2 环境特点与工程地质概况

2.1 环境特点

(1)4个地块场地内均为空地，周边临近已建市政道路，部分道路施工时尚未通车，场地周边均存在已建围墙，围护空间较紧张。

(2)场地西侧较为空旷，但C基坑西南侧靠近法华学问寺，寺庙保护要求较高；南侧靠近在建地下二层工程(该工程施工同时南侧地块地下结构已施工完成)，D基坑南、北均为已建地块，影响较小。

(3)各地块邻近道路市政管线分布密集，距离较近，部分管线进入红线内，重点种类包括给水管线、电力管线等，需采取措施搬迁、保护。

(4)4个地块位置平面分布呈现“横T”形状，基坑间距离较近，约18m，施工时需重点考虑各基坑间相互影响。

2.2 工程地质概况

场地地貌属于滨海平原类型，地形较平坦。基坑开挖范围内土层包括②、③、④层，其中④层淤泥质粘土在场地中广泛分布，厚度可达10m，各基坑基底开挖面均位于该土层。④层为上海地区典型软弱地基土，呈流塑状、高压缩性，具有触变、流变等特性。下部⑤层、⑦层土质不均匀，起伏较大，⑦层部分亚层在A、D基坑所在区域缺失。⑤2-1为微承压水层，⑦1-1为承压水层，水头较高，场地潜水降水之外需评估承压水突涌风险，确定是否需要减压。

参照上海市工程建设规范《基坑工程技术标准》(DG/TJ08-61-2018)，该工程4个地块基坑安全等级均属二级，环境保护等级均为二级[1]。土层物理力学参数信息如表2所示。

3 围护方案设计

3.1 围护体系设计

3.1.1围护选型对比

4个基坑的规模及深度、工程地质、环境条件差异不大，围护体系选型可统一。基坑边线距离红线不到3m，仅能考虑单排桩的围护形式。可选择的围护体系类型包括SMW工法、钻孔灌注桩排桩结合内支撑的形式。SMW工法桩占用施工空间小，施工快捷，且型钢可回收利用，工期短于半年情况下造价更为经济。该工程4个基坑均为地下二层，深度较深，体量较大，从围护开始施工至地下室施工完成，型钢租赁期预计大于8个月，工期较长则不具备造价优势；且该围护形式侧向刚度几乎完全取决于型钢，对于软土地区开挖深度近于10m的深基坑工程，目前常规SMW工法的侧向变形控制能力已较接近极限[2]。并且，该工程周边市政管线分布密集，型钢回收易产生基坑二次变形，且与地面振动造成环境影响较大。

表2 土层物理力学性质参数表

钻孔灌注桩也是一种成熟的工艺，在软土地区基坑支护工程中已有大量成功案例，具有施工工艺简单、缩短工期优点，并且施工时基本无噪音、无振动、无地面隆起或侧移，对周边环境影响小[3]。对于该工程可根据局部深度、周边荷载及变形控制要求设计桩径、桩长，保证围护刚度满足需求的前提下造价亦可达到最优。

经对比分析，该工程4个基坑均宜采用钻孔灌注桩结合止水帷幕的围护形式。

3.1.2围护设计方案

由于各基坑贴近市政道路，围护计算深度从道路路面标高始算。A、B基坑普遍深度为8.50～9.90m，采用Φ800@1000、Φ850@1050钻孔灌注桩，桩长19～20m，插入基底以下约11.35～11.80m，部分紧邻道路侧路面较高，围护桩桩径加大至Φ900，桩长增长至21m。C、D基坑普遍深度约为9.50～10.65m，钻孔灌注桩采用Φ900@1100，桩长为20m，插入基底以下11.60～12.00m。④层土质较差，各基坑围护桩底穿过④层进入⑤2-1层土2m以上。⑤2-1透水性强，且为微承压水层，围护止水需隔断该层坑内外水力联系，采用单排Φ850@600三轴水泥土搅拌桩，桩长25.0m，穿过⑤2-1层进入不透水层，从而有效降低坑内降水对坑外水位的影响，减少基坑降水引起的地面沉降量。典型围护结构剖面图如图2所示。

图2 典型围护结构剖面图(A基坑)

3.2 内支撑体系设计

3.2.1支撑体系选择

支撑根据材料类型，分为钢支撑及混凝土支撑两类。钢支撑安装拆除方便，施工便捷，且安装完毕便可立即发挥作用，该工程4个基坑均为地下二层，深度较深，需设置两道支撑，支撑体量较大，且场地空间狭小，为留有一定施工场地、材料堆放场地，且便于土方开挖，4个基坑均需设置一定量栈桥。其次，钢支撑体系节点构造及安装处理较为复杂，对于较大型的支撑系统，施工要求较高，如若出现节点变形或传力不当等，易造成支撑体系的失稳，而且钢支撑硬度较高但刚度较小，无法承受较大的施工荷载[4]。因此，刚度更大、整体性更好的混凝土支撑体系更适合该工程，基坑稳定性、施工质量更能得以保证。

3.2.2支撑布置

该工程4个基坑面积适中，环境保护要求不苛刻，支撑可整体布置，无需分区，采取对撑角撑结合边桁架的布置形式。

A、B基坑近似于正方形，单边边长约94m，四角采用角撑保护边角，增加各角支撑刚度的同时减少跨度，南北、东西向均只需采用一道对撑为中部提供传力；D基坑东西向约130m，南北向设置两道对撑，受力杆件间距不大于10m；C基坑西侧围护边线设计为圆拱形，相比于直线形结构，拱形结构可利用土拱效应减少围护结构上的土压力，并有较强空间结构性，减少开挖引起的侧压力荷载，发挥混凝土材料的抗压性能，减少围护侧向变形，优化支撑布置，节约造价[5]。栈桥依据各基坑出土口位置及行车走向方位进行布置，运行土方车辆按照满载60t限制荷载。支撑杆件信息如表3所示，支撑及栈桥平面布置如图3所示。

表3 支撑杆件信息一览表 m

图3 第一道支撑及栈桥平面布置图

支撑立柱桩采用钻孔灌注桩内插角钢格构柱，立柱桩局部采用加大灌注桩，部分利用工程桩。桩径为Φ650～800，立柱桩长度为26m～30m。

3.3 地基加固

4个基坑基底均位于④层淤泥质粘土，强度低，开挖过程中被动区提供的抗力不足，围护结构易产生滑移、踢脚等失稳破坏，侧向位移不易控制，且该层土厚度较厚，集水井等深坑区域基底仍位于该软弱土中。各基坑在单边跨度15m～20m处及贴边集水井区域采用深层搅拌法加固，加固宽度为4.70m，加固桩为Φ700@500双轴水泥土搅拌桩，水泥掺量为13%。基坑内部深度大于1.40m的集水井采用搅拌桩加固并封底，坝体宽度、桩长结合深坑深度确定，满足插入比需求。该工程设计与施工过程中对加固搅拌桩施工时提升下降速度均做严格控制。

3.4 降水处理措施

止水帷幕已发挥基坑“隔水”作用，阻挡基坑内部与外部的水动力联系，基坑内部于开挖前采取真空深井对地下潜水降水，需降至开挖面以下1m～2m。⑤2-1砂质粉土夹粉质粘土为微承压水层，位于基底以下5.0m～6.5m，各基坑普遍区域经承压水稳定性计算，开挖至基底有产生坑底突涌的风险，需预先降低承压水水位，但由于止水帷幕已将该层隔断，降压井数量可适当优化。

该工程4个基坑均匀布置一定数量的降压井，但实地需结合测得承压水水头高度确定是否需要降压，按需降水，以尽量减少降压抽水引发地面沉降。

4 土方开挖

坑靠坑基坑群分布形式是指多个基坑围护结构互不相连，但间距较近，从而同时开挖时具有明显耦合效应的特点。

该工程包含4个基坑，按照建设单位要求，4个地块开发时间安排较紧张，需尽量同时施工。B与A、C及D基坑相互距离约20m，近于2倍开挖深度，距离较近，属于典型的坑靠坑基坑分布形式。对于单一基坑，上海软土地区基坑开挖后周边地表沉降影响范围约为4倍开挖深度[1]。坑靠坑开挖的注意重点在于，后开挖基坑对先开挖基坑围护及支撑体系的影响，以及基坑相邻区域产生的土体沉降变形、环境建筑物沉降的叠加效应。

B基坑位于A、C基坑之间，东侧靠近D基坑，与周边3个基坑距离均较近，若该基坑先行与其他任一基坑同步开挖则会产生较明显的耦合效应，因此不宜与其他基坑同步施工；A与C基坑边线距离约130m，大于十倍开挖深度，一般开挖原则认为当基坑间距大于十倍开挖深度时则不用考虑基坑开挖耦合效应[6]，基坑可按照单一坑实施，且两个基坑面积、开挖深度相差不大，工期时长较为接近；D基坑规模相较更大，单独施工时间较长，从节省整体工期的角度应尽量早施工；其位置相对独立，与西北角A、西南角C基坑间距约38m，约4倍处开挖深度范围，若同时开挖则仍应存在一定的影响，但产生的不良效应较为可控。在尽量减少基坑间耦合效应的前提下，施工工期需最优化，避免基坑随时空效应产生不利情况，同时节约造价。最终，开挖工况整体安排如下：

(1)场地整平后，施工4个地块工程桩、围护桩等，进行基坑降水；

(2)4个基坑均开挖至第一道支撑底标高，施工钢筋混凝土压顶梁、支撑构件，如图4(a)所示；

(3)待第一道支撑达到设计强度的80%后，开挖A、C及D基坑，如图4(b)所示；

(4)待A、C和D基坑地下一层中楼板及中楼板换撑达到设计强度的80%后，开挖B基坑，如图4(c)所示；

(5)各个基坑地下结构施工完毕后，施工基坑间连通道，如图4(d)所示。

A、C与D基坑开挖时，除遵照分层、分块、间隔开挖的基本原则之外，应尽量相对平衡开挖，每层开挖的时间应严格保持同步。

(a) (b) (c) (d)

图4 施工工况顺序示意图

5 监测情况分析

为确保4个基坑施工与土方开挖安全高效进行，对基坑围护墙顶及墙体位移、周边地面沉降等项目采取全程信息化监测。

5.1 整体施工效果与监测结果分析

A、C、D基坑于2019年1月施工围护桩，3月3日开始土方开挖，4月20日左右开挖至基底，于5月22日第二道支撑拆除，中楼板施工完成，B地块同步施工完第一道支撑开挖第二层土。所有基坑于2019年9月地下结构全部施工完成。

5.1.1A、C、D基坑

截至2019年6月12日，A、C基坑第一道支撑拆除完毕，A基坑围护墙顶水平位移最大累计值为14.9mm，竖向位移最大值为23.5mm，C基坑围护墙顶水平位移最大累计值为15.1mm，竖向位移累计最大为20.8mm；D与A、C基坑同时开挖，但规模相较稍大，支撑拆除时间较晚于两地块。截止A、C第一道支撑拆除时，D基坑处于地下一层施工阶段，围护墙顶水平位移累计最大为14.2mm，竖向位移累计最大为21.14mm，以上监测结果均在报警值范围以内。

A基坑各测点围护深层水平位移普遍最大约为26mm～29mm，变形峰值对应深度在9m～10.5m范围区间，对应基底所在深度，部分测点深层水平位移累计最大值达到54mm～71mm，超出报警值；C基坑个别点位深层水平位移累计达到39mm～53mm，超过报警值，但普遍最大约为30mm，由其西侧围护深层水平位移均较小，最大约29mm，体现圆拱形围护结构的变形控制能力。

D基坑各点位深层水平位移累计最大约为28～40mm(图5)。据分析，3个基坑围护侧向位移较大的点位，主要分布于角撑与对撑中间支撑较薄弱区域，以及施工出土口行车动荷载最大区域，普遍区域围护结构的侧向位移处于正常变化水平。

图5 基坑围护体深层水平位移曲线图(2019.06.12)

从日变量变化趋势来看，围护结构的变形速率与工况密切相关，随着基坑的开挖，围护变形速率加快，开挖至基底时位移增量最明显，但处于警戒值范围内，为正常变化趋势。此外，对基坑周边地面沉降、管线沉降、地下水水位、支撑轴力及立柱沉降等监测结果均较稳定。

5.1.2B基坑

B基坑于5月22日左右开挖第二层土，此时其他3个基坑中楼板换撑已达到强度。7月2日部分区域已开挖至基底，8月1日开始拆除第二道支撑。截至8月21日监测数据，B基坑围护墙顶水平位移累计最大约16.8mm，竖向位移累计最大为26.0mm，未超过报警值。

但由于开挖至基底期间部分区域底板浇筑工作未及时跟进土方开挖，部分围护体侧向位移变化较大，且正处雨季，B基坑部分围护体此间侧向位移增量较大，通过加快地下结构施工速度，底板浇筑完成后，深层侧向位移即趋于稳定，累计最大达到49mm，而此后日变量均不超过0.5mm(图6)。

图6 基坑围护体深层水平位移曲线图(2019.08.21)

5.2 基坑间影响分析

为比较B基坑实际开挖时对A、C、D基坑的影响，选取5月21日(B基坑开始开挖)与7月8日(B基坑普遍开挖至基底)两个典型时间点监测数据进行对比。在A、C、D 3个基坑靠近及远离B基坑的两条围护边各选取2个围护体深层水平位移点位，计算各点位各深度侧向位移变化百分比，可见：

A、C基坑于B基坑开挖后围护结构深层水平位移无增加，呈收敛趋势。A、C基坑靠近B基坑一侧的CX5、CX6、CX27、CX28点位各深度处水平位移收敛程度均比远离B基坑一侧CX1、CX2、CX31、CX32更显著，曲线中上段基本平直，约15m深度处收敛程度加大(图7～图8)。

图7 A基坑围护体深层水平位移变化百分比曲线图

图8 C基坑围护体深层水平位移变化百分比曲线图

D基坑于B基坑开挖后，围护结构整体仍为向坑内侧移的趋势，但距离B基坑较远一侧的围护体内移量更大，较近一侧围护体的位移则较小，且受深度变化的影响微弱(图9)。

由于B基坑开挖后对于其余3个基坑相当于坑外土体卸载，土压力大大减少，理论上3个基坑围护结构所受坑外挤压应减少。实际结果显示，已开挖基坑围护体变形的确在后开挖基坑影响下呈现向坑外侧收敛的趋势，且距离越近，收敛作用越明显。

图9 D基坑围护体深层水平位移变化百分比曲线图

6 结语

该工程包含多个基坑，位置相距较近，属于典型坑靠坑基坑群，除结合工程地质条件及环境条件合理设计围护支撑方案之外，土方开挖工况安排尤为重要。通过对4个基坑开挖顺序进行调整，尽量避免了邻边基坑同时开挖时产生的显著耦合效应，后开挖基坑至少在先开挖基坑中楼板达到强度后再开挖。监测数据验证该工况设计的合理性，先开挖基坑在后开挖基坑土方开挖之时，围护结构所受影响较微弱，达到保证各基坑安全稳定目的。