闹市区内外双重约束场地条件下深基坑设计*

段 伟，黄 昕，熊 海，舒 迟，李 归

(武汉建工集团股份有限公司，湖北 武汉 430058)

0 引言

随着武汉“国家中心城市”总体规划的推进，老旧闹市城区内不断出现许多高层、超高层建筑。此类建筑通常都会设置2层以上整体地下室，以满足包括人防、停车、设备设施等在内的建筑功能的需要。老旧闹市城区内的新建建筑周围环境复杂，周边建筑基础薄弱、结构安全性能低，地下管线杂乱交错，地区敏感。在场内场地方面，由于建设单位最大化土地利用率，基坑往往紧贴红线布置，场内狭小的施工场地制约工程的快节奏建设，这已逐渐成为市区建设项目面临的共性问题。软土地质条件下深基坑开挖会引起周围地面变形，这种变形如果不受控或超过一定限度将会给包括道路、房屋、地下管道在内的周围构筑物带来严重不良影响。

1 工程概况

老通城文化风情街位于武汉市江岸区吉庆街与瑞祥路西北侧，主要由1栋20层高层酒店、7栋 2～5 层商业楼及1个2层整体地下室组成。该项目总建筑面积53 252.45m2，地上建筑面积共计36 903.8m2；地下2层，建筑面积16 348.65m2。项目建筑造型引入近代租界建筑的符号语言，主要是古典建筑与现代建筑混合，高层建筑与低层、多层建筑混合的汉口近代租界的风貌特色(见图1)。

图1 老通城文化风情街效果

基坑周长约572m，开挖面积约9 719m2，实际开挖深度在现状自然地面下10.95～14.05m，基坑呈“凹”形。其地貌单元属长江I级阶地，基坑开挖深度范围内周边土层为：①层杂填土，②层粉质黏土，③层黏土，④层粉质黏土。基坑坑底大部分坐落在③层，局部坐落在④层。场地地下水主要包括赋存于①层杂填土中的上层滞水及下部砂土层中的承压水。上层滞水水位为稳定水位，埋深1.80～2.50m，承压水位埋深为6.90m，承压水水头高度年变幅为3.0～4.0m，因被②，③层阻隔与上层滞水无水力联系，水量较充足且稳定补充。

2 工程重难点

2.1 场外受限

基坑紧邻密集老旧居民区，四面环街，周围道路上设有停车位，摊贩多，人、车流量均非常大，地下室管线密集，且周围存在变形敏感建筑和重要构筑物(见图2)。基坑北侧为铭新街，宽12m，项目正对武汉二十一中大门，北侧中间部分紧邻14层酒店及其附属民房；基坑东侧为瑞祥街，宽7.9m，街对面为汉口陈列馆；基坑南侧为吉庆街，宽7.3m，街对面为大型菜市场和作为“全国重点文物保护单位”的中共中央宣传部旧址暨瞿秋白旧居陈列馆；基坑西侧为黄石路，宽9.3m，基坑边线紧邻民国时期兴建的“武汉市优秀历史建筑”基督教荣光堂(见图3)。

图2 项目周边环境实景

图3 场外环境示意

2.2 场内受限

基坑内边线距离围墙最宽位置为北侧，宽度为6.6～7.8m。北侧酒店及附属民房距离基坑内边线仅1.3～2.4m，其余地方宽度普遍在2.5～6.5m(见图4)。场内无法形成环形通路，如此狭小的空间给地下室施工带来巨大困难。

图4 场内条件示意

2.3 变形控制

项目周边均为不带地下室的老旧居民区，基坑开挖后，若基坑侧壁发生渗漏或降水不到位，上层滞水和承压水都将往该基坑汇集。若降水不合理，周边土体孔隙水大量流失引起有效应力增大，从而导致周边土体沉降。由于周边构筑物本身存在“先天不足”，对沉降变形尤为敏感。另外，基坑开挖卸荷后的支护体系变形将直接扰动周围土体。因此，做好地下水位控制和开挖过程中的基坑变形控制是项目深基坑施工的重要一环。

3 基于多层次灰色评价法的支护方案比选

3.1 多层次灰色评价模型

3.1.1评价体系建立

假设待选方案有s个，多层次的评价体系由多个评价指标构成，Pi代表一级评价指标，Pij代表二级评价指标，E代表被评价对象的综合评价值。内外双重约束场地条件下深基坑支护方案的诸多影响因素直接关系深基坑从开挖到回填能否安全、高效、低成本施工。基于评价指标的选取原则，综合专家咨询意见和实地踏勘情况，选取安全可行性、施工质量、经济适用性、环境影响4个指标作为一级指标，选取施工难易程度、施工成本等8个指标作为二级指标。

3.1.2指标权重计算

由于各指标在方案选择上的重要程度不同，因此需组织专家对各指标在两两比较的基础上打分，从而形成各层次的判断矩阵A=(aij)n×n，采用层次分析法计算Pi与Pij的权重值(见表1)，一级评价指标Pi的权重值为ai，其构成的权重集为A，二级评价指标Pij的权重值为aij，其构成的权重集为Ai。

表1 基坑支护方案优选的指标体系

3.1.3组织专家评分并构造评价样本矩阵

深基坑支护的评价指标为定性指标，用灰色评价法对其进行定量化处理，将Pij的评价等级分为“优”“良”“中”“差”4个等级，相应的分值分别为4，3，2，1分，介于二者之间的分别记为3.5，2.5，1.5分。组织p(p=1，2，3，…，k)个专家对s个待选方案的各评价指标进行打分，可得到第s个方案的评价样本矩阵D(s)，样本矩阵的元素用dijk(s)表示。

3.1.4确定评价灰类及其白化函数

通过Pij的评价等级，设置4个灰类，序号为m，4个评价等级对应的灰数为4，3，2，1，确定这4个评价灰类的白化权函数fm如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：n为专家评分值。

3.1.5计算灰色评价系数

根据白化权函数，第s个待选方案分别属于第m个评价灰类时的评价系数为：

(5)

待选方案属于各评价灰类的总灰色评价系数为：

(6)

3.1.6计算灰色评价权向量和权矩阵

对4个评价灰类的单个灰色评价系数应做归一化处理后，得到第s个方案中的评价指标对4个灰类的评价权向量为：

(7)

各评价灰类的评价向量综合后得到评价权矩阵：

(8)

3.1.7多层次灰色综合评价

(9)

于是，得到第s个方案的灰色评价矩阵为：

(10)

然后，对第s个方案的P做综合评价，结果记为Bs：

(11)

3.1.8计算综合评价值并排序

根据前面设置的4个灰类，得到各评价灰类等级值化向量C=[4 3 2 1],故第s个方案的综合评价值为：

V(s)=B(s)·CT

(12)

这样，首先通过层次分析法确定了各评价指标的权重，再通过灰色评价法得到灰色评价权矩阵，最后得到各待选方案的综合评价值V(3)>V(1)>V(4)>V(2)，进而根据综合评价值大小优选方案。

3.2 方案优选

初步考虑4种方案：①D1 排桩+平地面对撑+水泥搅拌桩；②D2 排桩+平地面环撑+水泥搅拌桩；③D3 排桩+下沉式对撑+SMW工法桩；④D4 排桩+下沉式环撑+SMW工法桩。

组织5名专家对3个待选方案进行打分，得到样本矩阵D(s)：

f1(1.5)+f1(2.5)+f1(2)+f1(1)+f1(1)=

0.375+0.625+0.5+0.25+0.25=2

于是，评价指标P11对4个灰类的评价向量为：

[0.188 0.250 0.328 0.234]

对方案D1进行总体评价：B(1)=A×R(1)=[0.212 0.279 0.324 0.185]。

计算综合评价值V(1)=B(1)·CT=2.518，同理求得V(2)=2.016，V(3)=3.36，V(4)=2.431，可知V(3)>V(1)>V(4)>V(2)，方案D3是最优方案。

4 支护体系设计

4.1 技术路线分析

由于基坑支护体系是临时围护结构，其实质是在保证安全性和稳定性的基础上服务于项目的地下部分结构高效施工。对于本项目这种闹市区中内外双重约束条件下的深基坑支护体系设计，不能只从某一方面考虑，而是应结合项目的场地条件和实体工程图纸，将设计与施工过程融为一体，如此，才能又快又好地完成项目地下部分。

该工程由于场地限制，难以实现土方满开挖，也就是地下室很难整体施工，这就极大地影响了支撑体系的施工和换撑工作。经施工单位和基坑设计单位专家分析后，为保证基坑分区开挖、分区施工、分区换撑和拆撑，初步确定将基坑支护体系分为若干个独立的支护单元。形成“支护体系分区设计→地下室施工组织策划→换、拆撑策划→支护体系调整优化”的总思路，在进行受力计算时充分考虑各独立分区的最不利受力条件，分区的具体范围由设计人员根据杆件位置、作用经受力计算确定。

4.2 支护体系分区

根据上节方案优选结果，针对项目场内、场外均受限的特点，充分考虑基坑形状、地下室后浇带位置(见图5)、地上单体分布情况、周围环境等因素，配合土方开挖、地下室结构施工等后续工序的流水施工，支护方案初步定为排桩+(-1.700m标高)内支撑+SMW工法桩，支护体系分为4个具有足够承载力的独立支护系统(见图6)，分别为1区、2区、3区、4区，其中2区由2-1和2-2 两部分组成。2-1的y向与2-2的局部y向受力在同样的3根对撑杆件上，在换、拆撑时应特别注意相应位置的受力情况，必须在结构梁板与支护桩间达到换撑条件后才能拆除支撑杆件。

图5 地下室后浇带位置

图6 支护体系分区

4.3 地下室施工组织策划

项目周边仅铭新街具备出土条件，以高层8号楼的主体结构施工为关键线路，故将北侧铭新街靠近7号楼的2号门作为土方外运的主要出口。一般来说，地下室施工顺序的策划需考虑出入口个数及位置、流水搭接情况、进度计划、支撑布置等因素，本工程的地下室施工尤其要将材料堆场、钢筋加工棚、洗车槽、架泵区、出土道路等作为重要因素分析。

本项目深基坑的主要施工顺序如图7所示，先将面积约700m2的4区土方保留，主要作为出土道路、钢筋堆场、洗车槽、起重机架设区、架泵区及材料车辆卸货吊装区，待90%土方外运完成及80%以上顶板施工完成后，再开挖4区土方，配合科学合理的支护体系转换，最后完成项目的地下室施工。

图7 地下室总体施工顺序

4.4 支护方案优化

4.4.1为土方、拆撑收尾设置的栈桥

由于作为唯一出土出口的2号门距基坑边线仅7.8m，常规的渣土车、挖掘机、起重机等大型机械的操作空间不足，在不做任何空间拓展的情况下土方、拆撑收尾工作难以完成。项目支护体系在靠近2号门处设置钢筋混凝土栈桥板，长7.1m、宽9m，板面标高与场地标高相同，下方混凝土柱、混凝土梁、格构柱、立柱桩充分考虑大型机械施工荷载(见图8)。结合现场情况，选取栈桥上最大荷载工况，按最不利情况计算栈桥板荷载：架设80t起重机，前支腿在栈桥上，幅度40m，臂长49.8m，3.1t吊重。施工时栈桥上满铺钢板，增加受力面积。

图8 栈桥剖面示意

4.4.2重要历史建筑的加强保护措施

基坑西北侧的3层砖木结构基督教荣光堂和南侧的2层砖结构中共瞿秋白旧居陈列馆是重要历史建筑，由于年代久远，地基基础较薄弱，导致该类建筑对周围土体变形十分敏感，因此在进行支护结构设计时需严格控制支护结构的允许位移。为保证周边历史建筑安全，本项目基坑对应区域的支护结构允许变形参照DB42/T 159—2012《基坑工程技术规程》中相关要求，将周边历史建筑作为“特别重要保护对象”，控制基坑支护结构水平变形≤20mm，严于规范的30mm标准。

采取3种加强措施：①为增强支护桩刚度，对历史建筑周边支护桩截面和配筋进行加强；②加长SMW工法桩的型钢长度，局部型钢作为永久性构件，不作回收考虑；③在三轴搅拌桩施工前，采用花管注浆方式进行被动土压力区加固(见图9)。工字钢长度L=6.0m，间距1.0m，以减少支护桩和三轴搅拌桩施工时对该侧既有建筑(基督教荣光堂)基础的扰动。

图9 历史建筑周围的支护体系加强措施

4.4.3因施工空间不够引起的局部支护方式调整

在基坑北侧凹处的酒店围墙、附属砖混建筑距基坑边线仅1.3～2.4m，勉强够支护桩施工。由于无法拆除的外围构筑物与地下室的建筑要求(如人防面积、酒店面积、车道宽度等)相冲突，因此该段的基坑支护需重新考虑其他施工方法。本项目采取“设置腰梁+锁口梁+桩间高压旋喷桩止水帷幕”的方法解决操作空间问题(见图10)，在锁口冠梁施工前，在围墙下插入长3m的[16以保证土体稳定，沿围墙长度方向设置钢管斜撑防止围墙侧倾。该段的桩间高压旋喷桩施工时一方面要严格控制垂直度和成桩质量，另一方面尤其要密切关注周围地面的变形和冒浆情况。

图10 局部支护方式调整

5 施工平面布置

5.1 塔式起重机选型

工程场内基本可采用2台臂长60m的塔式起重机满覆盖，在塔式起重机覆盖范围内的建筑物最高点高度在10.806～49.670m，其中1号塔式起重机覆盖范围内的铭新街侧酒店最高点高度为49.67m，2号塔式起重机覆盖范围内住宅楼最高点高度为43.3m(见图11)。施工材料堆放与转运将严重制约现场施工进度，材料全部在现场有限空间内进行调运将出现严重工效低下。材料只能在场内卸货，也就是说，在1，2号门处塔式起重机要能满足1捆钢筋2.7t(φ25)的吊重需求。另外，场地周边建筑高度高，不仅要考虑符合群塔作业标准，塔式起重机在附墙前还应有安全的自由独立高度。

图11 周边建筑物高度示意(单位：m)

综合考虑周边建筑物、项目单体建筑、车道、基坑支撑体系的分布情况，经济效益，狭小场内环境、材料吊重需求，工期要求等因素，在场内东、西两侧分别布置独立高度达到60.7m的2台7020型塔式起重机，并采用高桩承台形式(见图12)，在满足安全性的前提下提高施工效率。

图12 塔式起重机与结构关系示意

5.2 合理的场内空间扩展

项目场地围墙按武汉市城市管理要求设置5m高格构式绿植围挡后，基坑周边局部区域甚至无法允许人员通行，这给开挖后的基坑施工带来较大难度。经设计计算，合理施作钢筋混凝土挡墙和砌体挡墙(见图13)，挡墙构造视挡墙周边区域荷载而定，有效提高场地面积572m×1.2m=686.4m2，扩大了空间，较大限度缓解了本项目深基坑施工过程中严重的场地不足问题。

图13 冠梁上增设挡墙示意

5.3 灵活平面布置

常规基坑的地下室施工阶段一般只进行一次平面布置，尽量避免二次转移以降低由此导致的时间浪费和成本增加。基坑内边线距围墙大部分为3m左右，且建筑地上部分外挑，场外四面环路，处于人流密集的闹市区，道路两侧临时停车情况严重，仅铭新街侧道路可服务于项目生产。

本项目以高层8号楼的施工为关键线路，施工组织和平面布置随现场进度适时调整。根据不同施工阶段，实行动态平面布置，最大限度地提高场地利用率，减少劳务转场次数，为项目的高效、有序流水施工提供了有力保障。在办公场地方面，提前施工7号楼北侧局部支护桩、冠梁、挡土墙，从而形成长21m、宽7.8m的区域以容纳4间板房，解决了现场施工人员的办公问题。在功能性场地方面，充分利用北侧2个大门宽度约7.7m的空间和4区支撑体系的面积，灵活设置加工厂、堆放区、车辆停靠点等功能区域，以“时间换空间”的方式，延后非关键线路B5区的地下室施工，从而相对高效地完成了项目在狭小场地中的深基坑施工。

6 土方开挖方式

由于本项目基坑降水井、格构柱较密集，且局部基坑净宽非常小(约20m)，若运土车辆下坑，将存在较大操作难度和安全风险。

基坑开挖分为2个施工阶段，第1阶段为冠梁工作面的土方开挖，开挖至冠梁及局部腰梁垫层底面标高(-2.600m)，冠梁外侧以SMW工法桩边形成区域为开挖面，冠梁内侧按60°的放坡比例向下进行开挖，并保证0.8m以上的施工空间。第2阶段开挖为整个基坑范围内支撑底部(-2.600m)至底板垫层底部(-10.550m)，开挖深度为7.95m，分4层开挖厚度均为1.9m，并预留350mm土层由人工清除。开挖土体分为内支撑梁下部区域内土方及冠梁、角撑与对撑所围成的无内支撑区域内土方。此次开挖必须在冠梁及内支撑混凝土强度达到100%后方可进行开挖。

A，B区东、西两端同时开挖，逐渐向2号门收尾。首先角撑下土方掏挖，由角撑内向基坑中间扩散，直至退挖至角撑外。角撑外土方可采用传统的阶梯式开挖方式退挖至基坑中部集中外运区域。土方开挖顺序与4.3节中地下室施工组织顺序保持一致。在基坑内修筑1条临时出土坡道，宽6.0m，在支撑梁面标高以上铺设至少500mm厚砖渣，并满铺钢板，运土车辆在钢板上行走，道路两侧临边按 1∶2 放坡(见图14)。

图14 土方开挖示意(单位：m)

7 拆撑方式选择

基坑周边敏感单位多，紧邻密集的居民区，且工期紧。因此，在拆撑方式选择上需将噪声、扬尘、施工效率放在重要位置考虑。经认真比选，最终决定采用“绳锯+混凝土块即时外运”的拆撑方案。在拆撑前、过程中密切关注基坑周围异动和监测数据，最终完成高效、安全、绿色、低成本的拆撑工作，为地下室施工创造了良好条件。

拆撑起重机架设点位于1，2号门处，起重机未覆盖部位采用叉车转运方式转移混凝土块至吊装区域内。叉车行走时楼板下支撑架体不拆除，行走路线上铺设钢板。结合科学的设计荷载验算确定混凝土块自重，进而控制切割混凝土块尺寸。本项目切割混凝土块质量≤3t，混凝土密度2.5t/m3，即最长切割尺寸控制在3.3m(600mm×600mm)，1.5m(800mm×1 000mm)，1.875m(800mm×800mm)。

8 结语

老通城文化风情街项目通过多层次灰色评价方法建立的多方案优选模型，得到评价指标的权重客观合理，有效指导了深基坑支护方案的评价研究工作。按优选的支护方案及设计施工一体化原则，提出合理的支护体系分区和科学的施工组织策划，根据现场实际情况进一步完善了内外双重约束下深基坑的支护体系设计，在深基坑设计和施工方面取得显著效果。