上海深厚软土分布区超大深基坑工程设计与分析

尤 波

(华设设计集团股份有限公司， 南京 210001)

随着近年来上海浦东新区的快速发展，出现越来越多的大型商业办公综合体项目，伴随着大量的地下商场、地下车库等商业性的地下空间开发。由于项目位于浦东新区，项目所在场区软土层分布较厚。在深厚软土分布区进行地下空间开发，其设计、施工难度大，风险高，基坑围护工程造价高。文章主要介绍了深厚软土层基坑工程的特点以及设计的控制要点，可为类似基坑工程提供参考。

1 工程实例

1.1 项目概况

1)基坑情况

项目位于上海市浦东新区，基坑总面积约为13 380 m2，总延长米约为700 m，基坑形状不规则。基坑普遍开挖深度为11.65 m，最深贴边集水坑区域挖深约为14.35 m。根据上海市基坑规范，基坑安全等级和环境保护等级均为二级[2]。

2)环境情况

基坑工程东侧为规划景观湖，基坑实施期间为荒地，尚未建造。南侧为规划启帆路，基坑施工期间道路未施工，仅为素砼铺设的临时道路，道路南侧为已建成的商场，基坑距离商场较远,约为50 m。基坑西侧为规划流云路，该规划路尚未施工，规划路宽约24 m，规划路西侧为已建商业办公楼，基坑距离已建办公楼约36.5 m。基坑北侧为规划秋水路，秋水路尚未施工，宽约24 m。周边环境相对宽松。

1.2 地质水文概况

拟建场地属于滨海平原地貌类型。地基土主要由粉质粘土、淤泥质粉质粘土和粉砂等组成，其中软土层主要为③层淤泥质粉质粘土和④层淤泥质粘土，淤泥质软土最大厚度超过16 m。

工程地下水分为浅层孔隙潜水和深层承压水，其中潜水位埋深0.7～1.5 m。承压水主要为⑦层第I承压水，由于⑦层承压水层埋深约30 m，经验算，基坑普遍区域和集水井区域挖深情况下，抗承压水稳定性均满足要求，故工程基坑可不考虑承压水突涌情况。

场地土层主要物理力学参数见表1。

表1 土层主要物理力学性质参数表

1.3 基坑特点

1)基坑规模：工程基坑面积约为13 381 m2，总延长米约为696 m。基坑普遍侧挖深11.65 m，贴边集水坑区域基坑挖深达14.35 m，属于大面积深基坑工程。

2)地基土：工程场区土层属于上海地区典型③、④层淤泥质软土分布区。软土总厚度约15～16 m。从第一道支撑底至普遍区域坑底以下6.5 m均为淤泥软土层分布，基坑施工及土方开挖难度大。

3)不良地质：拟建场地东侧和南侧局部有厚填土分布，厚填土夹植物根茎等杂物，土性较差，厚度在2.8～3.6 m。围护桩施工需要对影响成桩质量的厚填土进行处理。

4)施工空间：工程基坑边线距离四周红线均为4 m左右，西侧、南侧和北侧红线位置为场地围墙，该三侧围墙内部设置为施工道路，施工空间狭小。西侧和北侧围墙外为规划流云路和规划秋水路，施工期间为相邻地块已建办公楼场地的临时施工道路、材料堆场和钢筋加工区。基坑东侧为红线，外为场地围墙，围墙外为各地块集中临设和项目办公区。整个场区布置相对较为紧凑，施工空间较小。

5)土方工程：工程基坑面积较大，基坑总土方量约15.6万方，且土方大部分为淤泥质软土层，土方开挖难度较大。

1.4 方案设计

1.4.1 方案选型

工程基坑属于深大基坑工程。综合基坑周边环境以及基坑自身特点，在满足上海市基坑工程相关规范和发行的相关条文规定的基础上，考虑选择围护桩结合内支撑的板式支护体系进行支护。

1)围护结构体系选型

围护结构可采用SMW工法桩、钻孔灌注桩、地下连续墙[3]等。

SMW工法桩：SMW工法桩工艺成熟，施工难度小，但其刚度相对灌注桩和地墙较弱，基坑开挖后，围护桩变形较大，变形较大容易使三轴开裂，导致渗漏。且SMW工法桩中的型钢为租赁，适合工期较短的基坑。综合以上因素，SMW工法桩对于本工程基坑不适用。

地下连续墙：地下连续墙刚度大，止水效果在所有围护体中最好。施工工艺成熟，墙体的质量有保证，占用空间较少。围护结构变形和周边地层的位移和沉降都较小，适合于周边环境保护类型较高、基坑开挖深度较深的大型深基坑工程。但地下连续墙造价较高，从业主对经济性的要求，地下连续墙不适用。

钻孔灌注桩+搅拌桩止水帷幕：钻孔灌注桩结合搅拌桩止水帷幕是传统的围护结构形式，施工工艺成熟，施工难度小，适用于大部分基坑工程。其桩身刚度和工程造价均介于SMW工法桩和地下连续墙之间。从基坑工程安全性、工程造价经济性、施工便利性等因素考虑，均适用于本基坑工程。

止水帷幕可采用双、三轴水泥土搅拌桩或者五轴水泥土搅拌桩，其中五轴搅拌桩属于近年来新兴发展起来的工法[4]，具有高效、环保绿色的特点。五轴搅拌桩成桩采用“两喷两搅”工艺。在同等条件下，通过与双轴搅拌桩和三轴搅拌桩工效对比，五轴搅拌桩每天完成方量是双轴搅拌桩的7～10倍，是三轴搅拌桩的2～3倍。工效优势较为明显。

2)支撑体系选型

支撑体系分为钢筋混凝土支撑体系和钢支撑体系。其中钢支撑分为钢管支撑和型钢支撑。

钢支撑：钢支撑体系为钢支撑结合钢立柱的形式。当基坑面积较小，且形状比较规则时，钢支撑受力和控制变形的能力能够得到有效发挥，但钢支撑杆件的受力和稳定性受支撑杆件长度限制，其中常用的单根Φ609钢管支撑的极限长度约60 m，杆件过长的钢支撑体系，其受力和稳定性控制均难以保证。

钢筋混凝土支撑：钢筋混凝土支撑体系为钢筋混凝土支撑结合立柱的形式，其立柱为灌注桩内插角钢格构柱的竖向组合结构体。钢筋混凝土支撑体系不受基坑深度和基坑形状的限制，支撑刚度大，布置形式灵活，控制变形效果好，适用范围广泛。

根据上海市建设主管部门相关规定，基坑挖深超过8 m，必须设置两道支撑，且第一道支撑需为混凝土支撑，故本工程基坑支撑体系采用两道钢筋混凝土支撑。

综上，工程基坑采用钻孔灌注桩结合五轴搅拌桩止水帷幕作为围护结构体系，采用钢筋混凝土支撑结合钻孔桩内插角钢格构柱作为支撑体系。

1.4.2 围护体系

围护结构采用Φ900@1 100、Φ1 000@1 200、Φ1 100@1 300灌注桩。止水帷幕采用Φ800@500五轴水泥土搅拌桩，其有效长度为17.5 m，水泥掺量为13%，水灰比为0.8，28 d无侧限抗压强度标准值不小于0.8 MPa。其中普遍区域基坑典型剖面见图1(图中尺寸单位为mm，高程单位为m)。

1.4.3 基坑加固

工程基坑总体呈不规则多边形形式，其南北向单边长度超过200 m，且基坑开挖范围内均为流塑状态淤泥质土，因此，采用被动区加固的方式控制基坑长边效应的变形是十分必要的。基坑加固分为围护结构被动区加固和基坑内集水井加固两种。

基坑内被动区加固可以提高被动区抗力，有效控制基坑开挖过程围护桩变形。被动区加固采用φ700@500双轴水泥土搅拌桩格栅布桩的形式，加固厚度为坑底以上6.8 m和坑底以下4 m，水泥掺量为13%，另基坑边分布有1.7 m和2.7 m集水井区域，采用φ800@600高压旋喷桩加固，加固厚度为坑底以上6.8 m和坑底以下6 m，水泥掺量为25%。

基坑内1.4 m集水井不进行加固，1.7 m/1.8 m集水井采用700@500双轴水泥土搅拌桩进行加固，加固桩长4 m，水泥掺量13%，2.8 m集水井采用高压旋喷桩加固，加固桩长6 m，水泥掺量25%。

1.4.4 支撑体系

工程基坑采用钢筋混凝土支撑，支撑布置采用角、对撑结合边桁架的形式。工程场地有两个出入口，分别在东侧南、北两端。基坑周边设置为贯通的临时道路，故工程基坑采用三道东、西向栈桥布置，栈桥连接周边施工道路，形成贯通的施工环路交通体系。既满足基坑土方车回转，也能兼顾施工过程建材堆放的平台，缓解施工场地紧张的问题。

栈桥宽度设置为12 m，保证两车道通行。基坑施工期间，要求栈桥上运载车辆荷载不超过60 t，堆载不超过25 kPa，并避免出现两台满载运土车或挖机等设备位于同一跨度内等不利荷载分布情况，当有空载车辆时，空载车辆不得超过2辆，以保证安全。支撑杆件信息见表2。支撑、栈桥布置图见图2(阴影部分为栈桥分布区)。

表2 支撑信息表 mm×mm

1.4.5 降水系统

工程为地下两层基坑，考虑采用真空管井降水。每口真空管井有效降水面积取200 m2。基坑总面积约13 381 m2，理论上布置70口深井，考虑实际施工过程中损耗、死井等情况，实际布置真空管井为80口。管井长度17 m，管井至坑底以下5.35 m，进入到④层淤泥质粘土。为保证降水效果，真空降水管井采用多滤头形式设置，即第1、2道支撑设置3 m长滤头，第2道支撑至基底设置2 m长滤头，基底以下设置3 m长滤头。

经验算基坑内承压水满足抗突涌稳定性要求，故不考虑布置减压井，基坑内部集水井等深坑区域考虑采用高压旋喷桩加固和封底等措施，保证基坑安全。

1.5 监测数据分析

工程基坑监测包括地表沉降、围护墙顶变形、立柱隆沉、水位监测和围护桩测斜等。

根据现场监测结果显示，基坑周边围护墙墙顶共设置37个监测点，其中墙顶沉降量均为30～33 mm，墙顶水平位移量普遍向坑内位移了3～11 mm，均控制在报警值以内。

工程坑外共设置13个水位监测点，水位变化基本在150～450 mm，均控制在报警值范围内，另有个别水位监测点出现了水位下降过大的情况，水位沉降超过了报警值。这是由于该点处止水帷幕出现渗漏，出现渗漏后，业主召集各参建单位经认真讨论渗漏原因后，及时采取了引水和封堵措施，使得坑外水位及时恢复，保证了周边环境的安全。

工程基坑共设置20个围护桩测斜监测点，基坑开挖至基底时，大部分监测点桩身位移为30～45 mm，最大变形处位于桩身12～13 m处，与理论计算值基本吻合。围护桩变形理论计算与实际监测对比如图3所示。

基坑支撑轴力监测点第一道支撑和第二道支撑分别布置19个监测点。其中第一道支撑轴力监测值基本在3 000 kN左右，个别测点达到4 500 kN，均在报警值范围内。第二道支撑轴力监测值约为4 000～6 000 kN，在报警值范围内，个别测点达到8 000 kN。经现场观测，砼支撑表观并未出现裂缝等现象。

总体而言，基坑围护结构实际监测结果与理论计算结果基本吻合。基坑总体变形控制较好，保证了基坑的安全。

2 结 论

a.基坑位于上海市浦东新区，项目场区属于典型的软土分布区，其淤泥质软土最大厚度达17 m，竖向分布在整个基坑开挖范围内，基坑工程的设计和施工难度较大。

b.基坑工程在设计时，针对该项目深厚软土的特点，采取了相应的措施，如增加真空深井数量，并在施工过程中针对降水未到位的情况进行补井，保证降水疏干效果。另外增加基坑内被动区加固范围，即坑底以上6.8 m和坑底以下4～6 m范围采用水泥土搅拌桩和高压旋喷桩进行加固，改善被动区土性，增加围护桩被动区抗力，从而减小基坑开挖期间围护桩变形。

c.工程通过围护体系和支撑体系的选型对比，最终制定合理的支护方案，加强了基坑施工的过程控制，保证了基坑的安全，最终达到了工程开发的预期效果。