软土位地区深基坑支护技术的探讨

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　　摘要：上海世博演艺中心所住地的水文、地质条件差，周边环境保护要求高。作为世博会的主要场馆，建设工期必须得到保障。实践表明，一个合理支护方案是确保软土地区深基坑工程取得圆满成功的关键。
　　关键词：基坑支护圆环支撑地下水
　　1 前言
　　随着我国国民经济的迅猛发展, 各地城市化建设的步伐越来越快，城市用地紧张的状况进一步加剧。若能有效地利用地下空间资源，在一定的程度上可起到缓解城市用地紧缺的作用。处于高速发展阶段的沿海城市，都具有建筑物和地下设施密集、城区的地下水位较高、土质软弱的共同特点。在这类地区内开挖深基坑时，优选一种合理的支护形式，将对控制坑边土体变形，保障基坑安全和缩短工期以及控制建设成本都有积极的意义，本文以工程实例作为背景对基坑支护方案优选进行探讨。
　　2 工程概况
　　上海世博演艺中心为世博会“一轴四馆”永久性建筑之一。工程主体为地上三层，建筑高度约为41.0m，地下设置二层地下室。基坑面积约为26000m2，开挖深度11.4～13.6m。基地北侧离邻黄浦江驳岸最小处小于20米，属典型的临水基坑工程，其南侧为邻近运营当中的地铁M8号线区间隧道, 基坑工程围护体与该隧道的最小垂直距离约为50m，西侧为在建的世博轴基坑工程。它在建设过程中对环境保护、建设工期的要求，均高于其他建设项目。
　　2.1 工程环境条件
　　世博演艺中心位于原上南船厂、上海交运海运发展有限公司、周家渡二号轮渡站地块内，场地东部及北部部分范围位于黄浦江内。建设场地为老旧厂区及废弃码头拆迁后的空置地，地下遗留着不同形式的钢筋混凝土基础，其中，原防汛墙部位大量未清除的混凝土方桩和板桩对本工程的影响巨大。
　　2.2 工程地质条件
　　建筑场地位于上海市浦东世博园区，属滨海平原地貌类型。根据地质勘察报告[1]，基坑周边及底部以软弱粘性土为主，临近黄浦江一侧有厚约2.4～8.9m的②0层江滩土分布，土质软弱，局部夹砂；第③、④层软土有较明显触变及流变特性，在动力作用下土体强度极易降低，对基坑开挖十分不利。
　　2.3 水文地质条件
　　本工程临近黄浦江畔，场地范围内的潜水与地表水有水力联系。黄浦江水位涨落对潜水位埋深变化相互影响。建设场地的局部区域分布有第⑤2层砂(粉)土，该土层赋存的地下水水量较丰富且具有一定的承压性，属微承压水含水层，⑤2层砂(粉)土顶部埋深约18米。勘察期间探明的第⑤2层微承压水水头埋深约为6.07m。大部分区域内分布有第⑦1层砂质粉土，该层下部第⑦1、⑦2层均为砂（粉）土，且直接与第⑨层粉细砂连通，地下水水量丰富，为上海地区主要承压含水层。第⑦1层砂（粉）土层顶部埋深约30m。勘察期间探明的第⑦1层微承压水水头埋深约为7.8m。
　　上海地区区域性水文地质资料显示，微承压水及承压水水头埋深一般约为地面以下3～11m，随季节呈周期性变化。
　　2.4 工程条件分析
　　本基坑工程临近黄浦江，其土性差，江滩土厚度较厚，土体中含水量饱和，周边动水压力比较大且受潮汐的影响大。
　　场地内原有建筑物及部分码头虽已拆除，但堆有大量碎石、混凝土块等建筑垃圾，原建筑遗留着大量浅基础、桩基以及原有黄浦江防汛墙、驳岸的基础。施工场地内待清理的地下障碍物的数量庞大且构成复杂。北侧旧有防汛墙已被拆除，临时防汛坝距基坑的平均距离仅为17m，基坑降水挖土过程中对防汛墙进行保护的要求严格。
　　本工程为上海2010年世博会的重点配套项目，性质特殊；基坑的面积大、开挖深度深，具有超大深基坑工程的特点。
　　3 支护方案优选
　　3.1 总体方案的确定
　　超大超深基坑工程的施工工艺有顺作法和逆作法两种。逆作法的特点是支护结构与主体结构相结合，利用主体水平结构作为支撑，其特点是刚度大、能有效控制变形和提高基坑的稳定性，适用于对周边环境保护有严格要求的基坑工程；这个工艺的主要缺点是建设周期长，挖土工作条件差。
　　顺作法作为一种常用的施工方法，较逆作法而言，围护体与主体结构设计的关联程度小，对开工条件要求低，有利于缩短工期。目前有大量的类似工程的实践经验可作借鉴，因此本项目以顺作法为首选方案。
　　3.2 围护体优选
　　大量的工程实践表明， SMW工法、钻孔灌注桩结合止水帷幕以及地下连续墙方案均适用于本工程水文、地质条件。在对各方案进行细致分析以及方案间作相互比较后，最优方案最终得以选出。
　　SMW工法桩 对基坑变形较敏感，当变形超过一定范围时，SMW工法水泥土搅拌桩容易产生开裂而导致基坑渗漏，并危及基坑施工的安全。而本基坑工程面积大，开挖深度在局部区域达到了13.6m；基地浅层土质渗透性强、基坑濒临黄浦江，地下水的处理的难度高。由于SMW工法桩所能提供的抗侧移刚度有限，基坑开挖阶段围护体变形难以控制，使围护体的止水可靠性无法得到保障。本工程的地下室体量决定了相应的施工作业不可能在短期内完成，若选用SMW工法桩，其型钢租赁期较长，经济性不具有明显优势。因此，SMW工法桩作为围护体的方案非本工程最优选项。
　　地下连续墙其抗侧刚度大、可有效保护周边环境的明显优点，但其工程造价明显高于其他围护形式。从经济性的角度出发，地下连续墙作为围护体，宜采用“两墙合一”的设计理念。“两墙合一”地下连续墙作为围护体的方法已具有大量的工程实践，并形成了整套设计理论和专项施工技术措施，是类似规模和深度的基坑工程的理想围护体形式。但本工程的工期要求极为苛刻，且主体建筑、结构专业设计进度相对滞后于总进度的要求。若采用“两墙合一”地下连续墙作为围护体，将受到主体结构设计进度的制约，严重影响总进度目标的实现。地下连续墙施工的机动性差，位置调整困难，而本工程的场地内却有众多原建筑物、防汛墙、船坞、码头等建（构）筑物遗留的桩基础，成为地下围护体的施工的障碍。可见，地下连续墙作为围护体的方案不适宜本工程采用。
　　钻孔灌注桩结合止水帷幕 钻孔灌注桩作为围护体与主体结构的设计关联程度较小，它能在地下室外轮廓及各层楼板、底板标高及底板厚度大致确定的情况下，就能进行钻孔灌注桩围护体的设计。围护桩施工可与主体结构的设计同步进行，在主体结构的设计完成后，再进行围护结构的后续设计与施工，这对缩短工期极为有利。钻孔灌注围护桩的桩位布置灵活，施工过程中若遇到障碍物可在对桩位作局部调整后继续施工，舒缓了地下障碍物对本基坑工程造成的不利影响。钻孔灌注桩结合止水帷幕的支护方案，在类似的工程中已积累了不少成功的经验，如上海越洋国际广场，基坑开挖深度约为15m，其中一条长达100m的坑边就采用了钻孔灌注桩结合止水帷幕的围护体；上海闸北区宝矿国际广场，基坑开挖深度约为16m，面积约为20000m2，其大部分区域选用“两墙合一”地下连续墙，而在长度约为60m的老桩密集区域，由于地下连续墙无法在老桩之间实施成槽作业，被改为钻孔灌注围护桩。浦东地区陆家嘴金融中心基坑开挖深度14m～15.4m，苏州东方之门基坑开挖深度19m~21m，其围护体使用纯钻孔灌注桩结合三轴水泥土搅拌桩止水帷幕的方法。
　　综上分析，钻孔灌注桩结合三轴水泥土搅拌桩作为止水帷幕方案在本工程中具有明显优势。
　　3.3 支撑选型
　　本工程为世博会重点工程，工期必须得到保障。土方工程进度对基坑工程工期乃至建设总工期产生直接影响，选择合理的支撑系统无论是对土方工程的进度还是围护结构的安全都有积极意义。就本工程而言，备选的方案有“对撑边桁架支撑体系”和“圆环支撑体系”。

　　对撑边桁架支撑体系 上海地区的深基坑工程中首选的支撑体系之一，相应的设计和施工经验十分成熟。对撑边桁架支撑体系具有受力十分明确的特点，该支撑布置形式无需等到支撑系统全部形成就能开挖下皮土方，能实现支撑的分块施工和土方的分块开挖的流水线施工，一定程度上可缩短支撑施工的绝对工期。不足之处对于本基坑工程而言，是主体地下结构中部区域的框架柱均为劲性柱，框架柱内包的劲性钢骨需延伸至基础底板，且呈椭圆形分布，如采用对撑边桁架支撑体系则难以实现支撑杆件完全避开劲性柱，将对后续地下结构的施工带来巨大的难度，同时对地下结构的施工工期造成较大的不利影响。
　　圆环支撑体系圆环支撑的杆件仍以水平受压主，能够充分发挥混凝土材料优越的受压特性，结构受力性能合理，具有较大的刚度和变形小的特点。圆形支撑体系的最大优点是，基坑平面内的无支撑面积大，甚至可以超过50％，为挖运土的机械化施工提供了良好的多点作业条件。土方开挖以竖向分层、岛式开挖为主，可成倍提高挖土速度，大大缩短深基坑的挖土工期，同时也又利于基坑变形的时效控制。圆环支撑体系的构件布置灵活，在设计阶段就可以考虑避开与地下结构冲突，避免因支撑构件提前拆除而引发的围护体刚度削弱的情况发生。因此，圆环支撑体系为本工程的最佳方案。
　　3.4 降水措施
　　本工程对不同的土层分别采用不同降水工艺来解决。首先采用疏干井降低基坑浅部淤泥土夹层水位，由于该层土含水量丰富，夹层渗透性强，易出现流砂和管涌，解决办法是加快抽水频率，控制地下水位在开挖面以下1米，控制地下水位是解决管涌和流砂的最好办法。对于⑤2层承压水布置降压井进行降低承压水的工作。同时考虑到止水帷幕以将基坑内⑤2层承压水与外界完全切断，故在这一范围内布置部分混合井，提高降水效果。上海地区的经验承压水水头高度一般在地表以下3.00～11.00m之间，根据三维MODFLOW软件模拟计算，本工程在基坑内布置了12口降压管井。
　　4 工程实施效果
　　上海世博演艺中心工程围护体、桩基和地基加固等基础工程在2008年4月底结束，经过约 70天的基坑开挖，于7月10日到达基底；在此期间，完成了二道支撑的施工，钢筋混凝土总量约为11500m3，土方开挖量量约为30万m3，施工工期比原计划节省了约一个半月。超大直径圆环支撑应用于深、大基坑工程中能大幅度加快施工进度，其意义重大。
　　本工程于7月底进入地下主体结构的施工阶段。 8月10日拆除第二道支撑时，中部主体结构完成了3000多吨钢结构的吊装作业。整体地下工程于10月底结束。基坑全方位的监测结果表明，各项指标都在在设计的允许范围之内。
　　5 结语
　　
　　选择一个合适的支护方案，对软土高水位地区深基坑工程的意义重大。上海世博演艺中心基坑工程的实践表明，钻孔灌注桩结合止水帷幕作为基坑围护体，具有自身刚度大，施工灵活并能有效地保护了基坑周边的环境的优点，它适用于类似地区开挖深度在15米以下的工程。钢筋混凝土水平圆环支撑体系因杆件受力明确、布置灵活而有效避免杆件与主体结构的冲突，为地下结构的施工和实现预定的工期目标创造了有利的条件，这些经验可供作类似深基坑工程的建设者参考。
　　
　　参考文献：
　　[1] 上海岩土工程勘察设计研究院有限公司.世博演艺中心岩土工程勘察报告(2007-G-208)
　　
　　

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