上海桃浦东路下立交工程深基坑设计方案比选与施工控制

盛灿军 中铁二十四局集团有限公司

在现代高层建筑和地下结构工程中，不可避免要出现深基坑，而在城市施工深基坑工程，其设计和施工方案往往会受到已有建筑、管线或者是规划地下结构的限制，如何在较为苛刻的条件下，采用安全、经济而又便于施工的基坑支护方案，已成为工程人员经常要面对的问题。本文以上海桃浦东路下穿铁路立交工程顶进工作坑为例，探讨软土地基条件下，SMW工法桩围护的深、大基坑的设计方案比选与施工控制。

1 工程概况

1.1 主体工程

桃浦东路～真南路下穿铁路立交桥位于上海市普陀区，上海火车西站西侧，地道下穿既有京沪、沪昆铁路和新建的沪宁高速铁路共五股道，需要预制两座49×14.6×7.05 m的钢筋混凝土框架，将其顶入铁路下方。

该项目的深基坑就是作为顶进箱涵的预制和顶进工作坑，位于铁路北面交通路～真南路路口。因地道处于曲线段，工作坑需设计成不规则的四边形，其平均长度60 m、宽度42 m，深度为9.3～10 m。

受同期沪宁高铁工期限制以及上海世博会交通管理要求，本工程从2009年10月28日开工，要求铁路段箱涵在2010年4月5日前顶进到位，5月30日必须恢复工作坑位置的地面道路，工期十分紧张。

1.2 周边环境

工程区域内主要为现有道路、河道、铁路及居民楼等，基坑西侧距桃浦河35 m，西南角距离京沪铁路仅8 m，西北角距离金鼎公寓小区一幢6层砖混楼房（条形基础）仅6 m，东、北侧4～8 m范围排满了临时改迁的煤气、自来水、电力、信息、雨污水等地下管线。且该位置规划有地铁16号线，32 m规划区域内不能施工钢筋砼结构，围护结构只能以SMW工法桩为主。

1.3 水文、地质情况

本工点场地属滨海平原，地面标高4.90 m左右。场地地基土在勘察深度范围内均为第四系松散沉积物，主要由饱和粘性土及粉性土组成。土层由上至下为：①1素填土、②褐黄～灰黄色粉质粘土、③灰色淤泥质粘土、③夹灰色砂质粉土、④灰色淤泥质粘土、⑤1灰色粘土、⑥暗绿色粉质粘土、⑦1草黄色砂质粉土、⑦2灰色粉砂和⑧灰色粉质粘土。本基坑坑底位于第④层，其承载力为60 kPa，十字板抗剪强度为36.1 kPa，渗透系数为4×10-6 cm/s，属于典型的软土地基。

浅部土层中的潜水位离地表面0.3～1.5 m，年平均地下水位离地表面0.5～0.7 m。深部承压水位（第⑦1层），埋深在3～11 m之间。

2 设计方案比选

为了安全、快速的完成本工程，各参建单位及业内专家针对顶进工作坑先后提出了三种施工方案进行比选。

2.1 三种施工方案

2.1.1 整体盆式开挖方案

该方案是为了解决基坑的水平支撑需要格构柱而坑内又不允许施工钻孔桩这一矛盾而提出的。其基本思路是通过四面放坡，将基坑中部区域开挖到设计标高，再浇筑扩大基础、安装格构柱、浇筑钢筋砼水平支撑，最后将四周放坡面开挖到底。此工艺类似于"逆作法"(见图1)。

图1 整体盆式开挖

2.1.2 方案二：一分为二开挖方案

其基本思想是保留两箱之间的6 m宽土体，通过两道工法桩墙体将一座大基坑分为两个小基坑，再采用常规方法分别对两座小坑分层开挖、支撑(见图2)。

图2 一分为二开挖

2.1.3 方案三：中隔墙对称开挖方案

与一分为二法类似，不同的是中间不保留土体，仅在大基坑的中间施工一道工法桩墙，两侧同步分层对称开挖、支撑。中间一道工法桩墙起到格构柱的作用(见图3)。

图3 中隔墙对称开挖

2.2 三种方案的优缺点对比

三种方案的优缺点对比见表1。

表1 三种方案的优缺点对比表

因本基坑紧邻铁路和居民楼，安全风险很大，同时工期又非常紧张，综合考虑安全和时间因素，最终选用第三种方案。围护结构大部分采用SMW工法桩，但在地铁规划线位以外、紧靠铁路和居民楼的区域，考虑到建筑物附载和列车动载因素，以及临近铁路干线施工时大型设备的安全风险，采用的是钻孔桩+高压钻喷桩围护。

基坑围护平面布置见图4（单位：m）。

图4 基坑围护平面布置图

3 实施情况

3.1 围护结构形式

工法桩设计采用Φ850×600三轴水泥土搅拌桩，桩长25 m，内插 H700×300×13×24 m 型钢，型钢布置形式为"隔一插二"，后靠背位置因需要承受箱涵顶进的反推力，型钢采取"密插"方式。顶部设1×1 m截面的圈梁；基坑上下共设2道水平支撑，第一道采用钢筋混凝土结构，与圈梁形成整体框架，第二道采用Φ609钢管撑，通过钢围囹传力。

靠近铁路和楼房的钻孔桩直径1 200 mm，桩长25 m，与双排Φ600高压旋喷桩结合，形成围护+止水体系。

经过理论计算，各工况均安全可靠，各项安全系数均满足规范要求。

3.2 施工步骤

(1)先施工工法桩和钻孔桩围护墙体，接着进行坑底水泥搅拌桩加固；

(2)同步进行围护体圈梁和第一道支撑浇筑、养生；

(3)对称开挖第一层土体至第二道支撑底标高，深度约5 m，同步安装两侧钢支撑，对称均衡施加预压力（210 kN）；

(4)进行坑内井点降水，使地下水位降至设计坑底标高以下1 m左右；

(5)对称开挖第二层土体至设计坑底标高，快速封底，浇筑滑板和顶进后背；

(6)待滑板达到设计强度，拆除第2道钢支撑，预制箱涵；

(7)采用专用钢梁加固铁路，基坑前部围护体开洞，将箱涵顶入铁路下方；

(8)现浇工作坑内的暗埋段箱体，达到设计强度后，采用小粒径砂夹碎石快速进行基坑回填；

(9)拔除工法桩内的H型钢，拆除钢筋砼圈梁和支撑，恢复地面道路。

3.3 重要工序施工

3.3.1 SMW工法桩

SMW工法桩是在水泥土搅拌桩内插入工H型钢或其他种类的劲性材料，从而增加水泥土桩抗弯、抗剪能力，并具有挡水、挡土、工艺简单、操作方便、造价经济等特点的基坑围护施工方法，其在松软地层施工5～10 m的基坑应用较多。

本工程采用ZKD85-3型履带式三轴搅拌桩机进行工法桩施工，50 t履带吊机插拔H型钢。水泥采用普硅42.5级，掺量为20%，配备环保型水泥自动搅拌注浆机制备和压注水泥浆液，水灰比控制在1.5：1。经钻芯检测，搅拌桩水泥土的28天无侧限抗压强度在1.2 MPa左右。

采用SMW工法桩作为围护墙，其关键要保证水泥土桩体的抗渗能力，且H型钢的刚度需满足基坑安全要求。所以施工中必须控制好水泥掺量、喷浆压力和下沉、提钻速度。钻进搅拌速度一般在1 m／min，提升搅拌速度一般在1.0～2.0 m／min，在桩底部分重复搅拌1 min注浆，提升速度减慢，避免出现真空负压、孔壁塌方等引起周边地基沉降。为保证基坑止水效果和H型钢能顺利下插，三轴搅拌桩应采用全断面套打的方式，即相邻桩应完整的复搅一轴。

本工程型钢采用国标H700×300×13×24，在桩机成桩移机后的最短的时间内，采用履带吊车将定尺的H型钢吊起，插入指定位置，依靠H型钢的自重下插到设计规定深度。不能自然下沉到设计深度的，则借助液压镐头机辅助下沉。型钢下插时用经纬仪控制垂直度，倾斜度应小于0.5%。

3.3.2 高压旋喷桩

本基坑工程的高压旋喷桩是作为止水帷幕，与钻孔桩结合组成围护墙。常规工艺中，高压旋喷桩的喷浆压力一般为20～30 MPa，提钻速度0.1 m/min，水泥掺量需达到25%以上可形成较完整的桩体。但本工程施工旋喷桩的位置都在紧靠楼房、地下管线或铁路的敏感地带，若采用常规工艺，必将造成周围土体隆起或平移，从而危及房屋、管线和铁路安全，因此必须对施工工艺进行合理调整，使其在满足止水要求的前提下，不至造成土体的明显变形。

本项目使用XP-20型双重管高压旋喷钻机，经多次试验后，采取如下工艺措施：

采用双排高压旋喷桩设计桩径60cm，双向各搭接20 cm，施工时按照先外后内的顺序进行，待外侧桩体全部完成并达到一定强度后再施工内侧一排桩。外排桩体施工前，在其外侧先钻应力释放孔，施工方法为：采用高压旋喷桩机，自上向下喷射高压水，边钻边喷水进行扩孔，使孔径达到40 cm左右，孔深20 m，间距60 cm。在工程桩施工前，先完成2-3个应力释放孔。内侧一排桩施工则先从上至下喷水扩孔，置换出部分土体，然后再从下至上喷浆成桩。工程桩施工时，将喷浆压力适当减小到18 MPa。

施工时对周边土体进行同步不间断监测，当日变化量达到警戒值立即停钻，待土体回缩稳定后，再进行释放孔和工程桩作业，此工艺每24 h成桩4-5根。虽工效较低，但能保证成桩质量和周边铁路、房屋等重要设施安全。

3.3.3 基坑降水

本基坑位置主要为淤泥质粘土，其具有高含水率、高压缩性、低承载力、低渗透性的特点，对深基坑安全很不利，需采用真空井点法降低地下水位、疏干土体内水分，以提高土体稳定性和承载力、避免开挖时发生塌方、隆起等现象。本工程在开挖到5 m深度后，采用轻型井点降水，两个小基坑各安装了3套井点设备。为不影响箱涵预制，井点管沿坑壁在坑内呈环状布置，间距1.5 m，井点管长度9 m，每套井点箱控制不超过40根井点管。一周时间将坑内水位降至设计标高。

3.3.4 工况转换

本基坑是铁路箱涵预制和顶进的工作坑，因此存在一个动态变化的过程。主要表现在：

(1)基坑封底后，需要拆除5 m深度的第二道钢支撑，才能预制和顶进箱涵。此时水平支撑体系从标高0 m、-5 m两道变化为0 m和-9 m（封底砼）两道，整个基坑的受力状况发生改变。

(2)箱涵顶进前，需要拆除临近铁路一面的围护桩，使基坑从四面封闭变成一侧开口。

施工中，为了防止基坑在工况转化时发生失稳，特别采取了以下控制措施：

(1)必须等封底砼达到设计强度后，才能拆除第二道钢支撑；

(2)钢支撑分步、分批拆除：先"隔一松一"，观察基坑无异常变化后，再解除另一半支撑的预应力、拆除全部钢支撑，但保留不影响箱涵预制的斜撑和角撑。

(3)顶进前拆除前端围护钻孔桩时，注意保留了其顶部的圈梁（该段圈梁在浇筑时，已在其两侧和底部均作了配筋处理），使其功能从圈梁变化成水平支撑，保持了支撑体系的完整和围护体水平受力均衡。

4 施工监测情况

4.1 监测报警值

本基坑安全等级为一级，根据上海市《基坑工程技术规范》，确定以下主要监测报警值（H为基坑开挖深度）(见表2)。

表2 主要监测报警值

4.2 监测内容

上海同济建设工程质量检测站对本深基坑施工进行了全过程安全监测，监测内容主要包括：周边建筑物变形、地面沉降、围护结构桩顶位移、桩体深部水平位移（测斜）、支撑轴力、地下水位、铁路变形、周边地下管线沉降等。监测单位每天向施工单位反馈监测数据，发现异常及时报警，实现信息化施工。

4.3 监测结果

监测数据显示，围护桩体的最大水平位移主要在底板开挖面附近，工法桩最大水平变形37.3 mm，钻孔桩最大水平变形31.1 mm，均小于规范允许最大位移值4‰H。

水平支撑最大实测轴力251 kN，施工过程中未出现支承轴力超出报警值现象。

距离基坑最近一栋房屋最大沉降12 mm，小于安全限值20 mm，且沉降比较均匀，墙体无明显裂纹。

施工过程中，整个基坑都比较干燥，围护桩墙壁没有发生冒砂、涌水现象，坑外地下水位也未发生明显变化。

监测结果表明，本工程的深基坑设计方案和施工控制是科学合理的。

5 结束语

软土地区的深基坑工程受各类客观条件限制，安全风险相对较大。设计和施工过程中应根据实际情况慎重选择方案，合理运用工艺，加强过程控制和安全监测，在科学理论指导下，进行信息化施工。