软土地区超大面积无支撑深基坑工程围护设计与监测分析

黄时锋

（上海城投水务工程项目管理有限公司，上海市201103）

0 引 言

大面积、无支撑基坑工程施工时，围护结构施工、加固施工、无支撑悬臂开挖施工等，导致围护体变形，致使坑外土体变形，引起邻近的地表沉降、建/ 构筑物及地下管线扰动变形。

对无支撑的深基坑施工，基坑开挖较浅时，常规的重力式挡墙等变形易进行有效管控。对深基坑工程，无支撑情况时围护结构的刚度和深度一般较大，插入比远超一般设计范围。在上海软土地区，因软土的高压缩性、高灵敏度、低渗透性等特性，在基坑开挖后，悬臂无支撑支护结构在开挖后墙体变形较大；尤其对超大面积深基坑，无支撑施工时的围护结构特殊设计、坑内加固、开挖顺序等对围护墙体自身和周围环境的变形有直接的关联，在围护设计、施工和监测等积累相关工程经验，将对后续类似项目提供有益的借鉴[1-5]。

1 工程案例背景

1.1 工程概况

某污水处理厂厂区面积达2.9 km2，污水处理设计规模280 万m3/d，居亚洲第一。工程服务面积约1 255 km2，受益人口约712 万。采用减量达标的方式，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准，尾水排入长江。本工程将庞大的污水处理厂嵌入地下，在地上覆盖足球场、公园。

本文涉及的某地块基坑面积达15 万m2，基坑尺寸515 m×289 m，基坑最大挖深为12.8～15.8 m（见图1、图2）。围护结构为：基坑边按二级放坡，放坡坡度为1∶1.5；放坡后围护结构采用钻孔灌注桩，桩径1 000 mm/1 200 mm，桩长21.6～27.6 m；坑底采用φ850 三轴搅拌站裙边加固。

图1 地块基坑平面示意图（附分块开挖标识）

1.2 地质条件

场地内除南部原养猪场拆除后地表有水泥地坪和建筑垃圾外，其他地方均为农田，东侧和南侧基坑边界处为海塘备堤（建于20 世纪90 年代，堤身结构主要为素填土）。土堆顶部标高约10 m。拟建场地地貌类型为潮坪地貌类型，场地地势略有起伏，各勘探点孔口标高为3.65～12.45 m，高差为8.80 m。

根据勘察报告可知，地下水潜水水位埋深在0.50～4.60 m，相应标高在2.52～6.48 m，第⑧2层承压水分布，层顶埋深为53.3～59.5 m。根据上海市长期观测资料，（微）承压水水头高度一般均低于潜水位，承压水水头埋深一般为3.0～12.0 m，随季节呈周期性变化。

图2 地块基坑典型剖面示意图（单位：mm）

各土层的力学指标见表1。

表1 地块地层的力学指标

1.3 不良地质

（1）填土：工程场地表层分布有填土，局部厚度较大，填土成分复杂，对本工程基坑开挖有较大影响，应该采取一定的措施。浅部填土的主要组成为①1-1层杂填土、①1-2层素填土、①2层浜填土和①3层吹填土。本工程构筑物基础埋深一般较深，基坑施工时，大部分将被挖除，但局部较厚达9.2 m，对构筑物基础设置造成影响。

（2）软弱土：场地浅部有③、④层淤泥质土分布，土质软弱，具有流变触变特性，工程性质较差，对基坑开挖影响较大。

（3）障碍物：拟建场地部分为拆迁场地，原有建筑下部老的建筑基础及河岸加固基础，对工程影响较大。另外，根据勘探孔施工时揭露有抛石，深度6.0～8.5 m，局部较深约10.4 m，主要为花岗岩石块及碎石。

2 围护结构设计

2.1 二级放坡设计

基坑周围环境较为简单，基坑上部采用1∶1.5二级放坡，放坡高度7m；两级放坡顶平台宽度均为5 m，均设置1200 轻型井点降水井。护坡采用100 mm厚细石混凝土护坡面层C20，内配Ф6.5@200×200。放坡坡顶采用3φ850@1 200 三轴搅拌桩作为坡顶坑外止水帷幕，桩长16 m。

2.2 灌注桩围护设计

二级放坡坡底围护采用桩径1 000 mm/1 200 mm钻孔灌注桩，桩长21.6～27.6 m，共设置2 排排桩，排桩水平向净间距4m；桩间采用850 mm 三轴搅拌桩加固，桩长16～19m；桩顶均采用混凝土1 200 mm×1 000 mm 围檩，1 200 mm×1 000 mm 连梁连接两排围护排桩；300 mm 双层双向φ14@150 厚连板。

2.3 坑内加固设计

坑内裙边加固采用5 m 三轴搅拌桩坑底满堂裙边加固，水泥掺量20%，上部空搅部分水泥掺量大于12%。加固范围为坑底以下5 m。工程经验表明被动区加固对坑内土体抵抗变形的能力较为明显。

2.4 基坑开挖/ 排水

基坑开挖最初按A1→A2→A3→A4→A5 的顺序，实际开挖中围护体水平位移（测斜）变形大且超报警值；后设计调整，开挖采用跳挖方式（采用A1→A3→A5→顺序开挖，挖一块先浇筑一块），分层、分段、跳挖法预留土方达到支护作用。

3 基坑监测数据分析

3.1 监测方案设计

（1）围护墙体测斜监测点，测斜管深度21～27 m（与围护墙等深），测点间距20 m，报警值：最大累计值63 mm，速率：4 mm/d。

（2）土体测斜监测点（位于二级放坡的最外侧），测斜管最大深度35 m，测点间距20 m，报警值：最大累计值63 mm，速率：4 mm/d。

（3）地表沉降监测点，采用深层点布设，测点间距20 m，报警值2‰H（H 为开挖深度，最小累计值32 mm，速率：5 mm/d）。

（4）围护墙顶水平位移监测点，测点间距20 m，报警值：累计20 mm。速率：3 mm/d。

3.2 墙体水平位移（测斜）、土体水平位移（测斜）、地表沉降

（1）根据墙体水平位移（测斜）数据，因围护结构跨中部位受空间效应的约束小，相对位移数据均为最大。墙体测斜最大值约260 mm，约位于基坑西侧中部，后因二级放坡坡顶静压桩施工，致使墙体测斜最大值达到619 mm，静压桩施工的挤土效应致使墙体向坑内变形急剧增大。

基坑阳角处受相邻围护墙间的空间约束，墙体测斜变形显著减小。最大变形量约6～56 mm。基坑东侧围护墙相对不规则，多处阳角致使测斜值显著减小，空间约束对变形影响巨大。但不规则围护体形状会影响施工进度，在设计阶段平衡好可能的变形程度、施工进度、工程造价等关系将会提升项目整体效益。

（2）坑外土体水平位移（测斜）最大值在一般区域均比对应的墙体测斜大（除西侧外），考虑到二级放坡总高度达7 m，悬臂围护墙顶水平位移巨大，可能影响坑外土体测斜值。同时，考虑到大面积开挖，存在可能的潜在滑移面，致使土体内部水平向变形较大。基坑西部区域土体测斜值相对较小，二级放坡坡顶静压桩施工对坑外土体测斜影响相对较小（见图3）。

坑外土体测斜亦遵守空间效应影响，即阳角约束使测斜值显著减小，空间约束对变形影响巨大（见图4）。

图3 墙体水平位移（测斜）最大值分布图

图4 坑外土体水平位移（测斜）最大值分布图

（3）根据坡顶水平位移数据，一般区域（除西侧静压桩施工区外）最大值均出现在坡顶中央部位，最大值约72～125 mm；北侧该值与墙体水平位移（测斜）最大值基本一致，表明墙体底部墙趾几乎无变形；坡顶沉降最大值位置与水平位移最大值位置重叠，最大值约-23～-122 mm。坑外地表沉降最大-24～-93 mm。

西侧因二级放坡坡顶静压桩施工，坡顶呈隆起状态，最大隆起值约267 mm。水平位移最大值与墙体测斜最大值位置重叠，最大值约112 mm。坑外地表沉降最大-30 mm。

4 结 语

本项目大面积、无支撑基坑工程围护设计、施工和监测均取得了成功。

通过对本项目基坑围护设计与施工方面的有效措施，成功的实施了本工程基坑工程的施工，有效的控制了基坑围护体自身及周围土体的变形，研究了相关的规律，得出如下结论：

（1）在基坑围护设计阶段有针对性的考虑阳角约束措施，合理利用空间效应，能有效的降低基坑施工导致的变形。在基坑施工阶段采取合理的施工工序及有效的控制开挖时间，能显著的减小基坑自身和周围土体的变形。

（2）大面积无支撑的基坑开挖卸载，墙顶位移巨大。静压桩施工的挤土效应致使邻近土体隆起变形明显，加剧影响区域墙体测斜的变形。

大面积的基坑工程施工对周围土体变形影响很明显。围护体和周围土体变形与施工工序、开挖时间、其他施工等因素紧密关联。采用信息化监测手段和及时反馈，采取更合理的设计和施工参数，将成为建设优质工程的目标。