超厚砂土地质中超大深基坑施工及对紧邻地铁的保护

上海建工四建集团有限公司 上海 201103

1 工程概况

南京世界贸易中心地处南京河西地区，东临庐山路，南临白龙江东街，北临河西大街，西侧与开发进度稍后的南京环球贸易中心接壤（两大型项目在地块中部共用一地下2 层的下沉式广场，见图1）。

工程由69 层超高层甲级写字楼、42 层商务酒店、36 层酒店式公寓双塔以及5 层商业裙楼组成，总建筑面积约438 567 m2。工程设3 层整体地下室，面积约135 580 m2。

图1 项目组成与基地环境示意

作为南京市规模最大的深基坑之一，基坑形状呈矩形，南北向长约250 m，东西向宽约175 m，基坑面积36 400 m2，开挖深度普遍在16.60～19.10 m（写字楼深坑达26.4 m），总土方量逾60 万m3。

2 基坑工程特点及实施难点

基坑规模超大超深、砂性土层（又是复合承压含水层）超厚、临近地铁，是南京世界贸易中心基坑工程的最大特点，确保基坑安全尤其是环境安全的难度极大。

2.1 地质条件复杂，基底揭穿承压含水层

南京河西地区地貌属长江漫滩地貌单元，场地浅层约18 m范围以填土和淤泥质粉质黏土为主，其第③层淤泥质粉质黏土层土质松软，压缩性高。18～60 m深度为④1粉细砂、④2中细砂、④3含砾中细砂，总厚度40.0～45.0 m。下部为⑤1强风化粉砂质泥岩，风化强烈，结构已破坏（上部呈坚硬土状，下部呈碎石状，手捏易碎，水冲易散）。

④1粉细砂、④2中细砂、④3含砾中细砂构成的复合承压含水层，含水量高、透水性强，水位变化主要受侧向径流补给影响（补给来源主要为长江）。在前期组织的抽水试验中，群抽10 d后井的出水能力并无衰减（单井涌水量：33 m井深约25.0 m3/h，35.5 m井深约45.0 m3/h，38 m井深约70.0 m3/h）。从各观测井的水位降深曲线（图2）可看出，抽水时水位下降明显，停抽后水位恢复很快，含水层的补给条件较好。

本工程基坑范围内下伏承压含水层顶板最浅埋深15.5 m，基底开挖面已进入承压含水层。

图2 观察井水位动态变化

2.2 基坑周边环境特殊，紧邻运行中的地铁区间隧道

基坑北侧平行于基坑方向紧邻运行中的南京轨交1号线区间隧道（元通站—奥体中心站）。该隧道为现浇钢筋混凝土箱形结构，隧道宽10 m，埋深约11.4 m，明挖法施工。基坑边与区间隧道外墙间净距13.6 m（写字楼深坑分布在靠近地铁一侧）。

图3 基坑与地铁区间隧道关系剖面示意

此外，基地的东、南、北三侧均为市政干道，路面下分布有大量给水管、污水管、雨水管、天然气管等市政管线，与基坑最近距离为11.4～28.2 m，埋深为0.4～3.5 m。

2.3 基坑规模大、抽水时间长，对环境影响深

通过对基底底板稳定性验算，初始地下水位埋深按7.0 m考虑时（元通站区间隧道在前期抽水试验时测得承压水初始水位埋深为地面下-7.8～-8.2 m），基坑开挖10.30 m后需进行减压降水，最大需降低的水位幅度为20.4 m。

基坑规模决定本工程降水面积大、降水深度深、降水时间长，前期抽水试验结果表明承压含水层的导水能力好，对水位变化的响应快，长期在复合承压含水层中大量抽水易引起土体压缩导致地面沉降，威胁地铁运行安全。

3 技术路线的确立

基于本工程基坑特点，环境保护特别是地铁运行安全着重从两方面加以控制：

（a）以“主动隔断为主、应急防范为辅”的理念设防承压水；合理布井，按需抽水；以提高出土效率缩短抽水时间等严格控制坑外承压水水头的非正常下降。

（b）以合理的支护体系、科学的土方开挖工艺，充分利用时空效应原理严格控制基坑变形。

4 承压水控制[1-5]

4.1 围护的一体化封闭设计，理论上隔断承压含水层

在综合比选的基础上，基坑采用顺作施工。

场地承压水主要赋存于第④1粉细砂、④2中细砂、④3含砾中细砂，且上述复合承压水层的总厚度超过40 m，在综合考虑造价、工艺成熟度及国内工程装备水平等因素后，选择地下连续墙两墙合一作为基坑的围护体。普遍区竖向设3 道钢筋混凝土支撑，地铁侧写字楼区局部增设2 道钢筋混凝土支撑。

基于毗邻的南京环球贸易中心同期开发，经双方商定，两项目的地下连续墙均入岩以形成连续、封闭体系。

地下连续墙入岩段为第⑤1层强风化粉砂质泥岩，槽段进入基岩不小于1.0 m，深度约62 m。针对基岩风化程度的不确定性，对地下连续墙作墙趾注浆以改善裂隙及槽底沉渣状况。

考虑到超深地下连续墙采用锁口管接头，在接头防渗可靠性方面不具优势且拔除困难，槽段接头采用防渗可靠性更高的工字形型钢接头，接头外侧增设高压旋喷桩作封堵加固。

4.2 控制超深地下连续墙的施工质量，保证围护墙的阻水效果

采用利勃海尔-HS855HD、金泰SG50H成槽机重型挖斗成槽。进行原位、非原位试成槽以核对地质资料并确定正式成槽的各项技术参数。

在成槽主砂层密实处（包括强风化泥岩）无法成槽时用RT260型全回钻机对槽段内不到标高处钻进至设计标高，然后用抓斗正常挖进。

成槽主要在总层厚超过40 m的砂土层中进行，虽然试成槽及正式成槽完成后的沉渣测试基本满足要求，但在钢筋笼入槽后（钢筋笼下放时间约4～6 h），砂沉淀致使沉渣超过1 m（最厚约9 m），采取的主要措施有：

（a）采取二级滤砂，即成槽时泥浆经粗滤将颗粒较大的砂先滤掉，然后进泥浆工厂进行除砂过滤（泥浆工厂前置安装CS100除砂机），减小泥浆含砂率（＜4%）。

（b）除砂约4 h后吊放和对接钢筋笼（上下2 节），再次测沉渣，若超设计要求则借助4 000 kN履带吊将钢筋笼整幅吊起，以气举反循环作二次清底。钢筋笼吊放完成2 h内浇灌混凝土。

对地下连续墙的工字形钢接头，在H型钢的两边设置宽300 mm、厚0.5 mm的铁皮并对接头两侧的空隙进行回填以防止扰流，回填采用编织袋装50%～60%的石子及土，石子粒径5～25 mm，重锤每2 m夯实一遍以保证密实。

针对超深地下连续墙刷壁要求高的特点，自制强制式刷壁机，利用钢丝绳吊重锤（质量约6 t）作导向，并通过在刷壁机内部设斜肋板，在下放过程中由泥浆对刷壁机产生水平力，使刷壁机贴紧接头。清刷不少于20 次，深度至槽段底部。

4.3 坑内减压、坑外回灌相结合，控制基坑内外承压水水头

基坑围护虽理论上已隔断基坑内外的承压水层，但具体效果尚取决于地下连续墙（包括南京环球贸易中心围护地下连续墙）施工质量以及基岩风化层渗透性等诸多因素，故承压水风险依然存在。

4.3.1 合理布井

通过Visual MODFLOW软件模拟计算，基坑内共布置63 口降压井。根据不同的基坑开挖深度设计不同的降压井井深。

本基坑规模决定了基坑的减压降水是一个持续、大量抽取承压水的过程，基于止水帷幕封闭的不确定性，预先在地铁侧及庐山路转角侧坑外布置14 口回灌井（间距10～15 m）作为应急防范。回灌井井深38 m，通过适当增加滤管长度增加渗透面积。结合地铁埋深明确坑外承压水位累计变化幅度超2 m时启动回灌（图4）。

图4 不同井深的降压井、观察井、回灌井平面布置示意

4.3.2 按需抽水

地下连续墙封闭后再次组织群井抽水试验以检验封闭效果并据此制定降压井开启方案。群抽试验持续10 d，期间抽水7 d，启动4 口降压井，通过对单井日出水量的持续统计及坑内外的16 口观测井的水位动态变化规律，发现坑外观测井的水位变化虽小，但与坑内水位联动，坑外承压水对坑内补给较明显，坑内外承压水未完全隔断。

结合“距抽水区越远，水位下降越小，地表沉降越小”的早期群抽试验结果（图5），在“坑外承压水未隔断、坑内须满足安全水位”的前提下，按“分区域、分层次、分阶段”的原则结合基坑分块开挖的实际工况，制定出每个工况下开启减压井的数量和井号，严格落实按需抽水要求。

图5 群抽试验坑内、外观测井地下水位变化

4.3.3 适时回灌

第3层土开挖期间，随着作业面的扩大，降压井开启数量逐渐增加至26 口，地铁侧的坑外承压水水位标高持续下降并逐渐接近警戒值，为延缓下降趋势，2012年3月8日分批次开启回灌井（初期投入5 口，4月3日增加到10口），常压下单井回灌量约3～4 m3/h，初期回灌效果不明显，4月20日起加压回灌（0.3 kPa），单井回灌量增加至8～10 m3/h，运行一段时间后的监测显示，地铁侧坑外承压水水头高度下降幅度趋缓，下降量较未采取回灌的其余侧小60%～70%，改善效果较明显。回灌持续到地下1层施工阶段，回灌装置如图6所示。

图6 回灌装置

5 基坑变形控制[6-8]

5.1 支护设计的优化

为提高出土效率及加快地下室施工节奏，将第1 道支撑的局部优化成栈桥（图7）。

支撑布局以角撑、边桁架结合对撑为主，在平面和高度上尽量避开酒店式公寓的柱、剪力墙等结构主要受力构件，为局部后拆支撑预留操作空间。对无法避让的支撑，以劲性方式处理（影响时凿除混凝土部分，保留H型钢传递土压力）。

图7 第一道支撑平面布置示意

5.2 土方开挖工艺的调整与优化

按“先形成远离地铁侧支撑，后限时形成近地铁端支撑”的顺序，将整个基坑从平面上划分成南、北2 个区域（图8，北区范围为地铁侧预留的20 m宽土体）。每层的南区支撑形成后分块开挖北区并限时形成支撑：

图8 基坑原分区、分块示意

南区按时空效应理论分层组织“盆式开挖”，分块分段形成对撑、角撑及边桁架。北区严格遵循“分块、抽条、对称施工”的原则，将北区宽20 m的土体沿地铁线路方向划分为5 块。以跳挖方式开挖并要求在开挖后24 h内形成支撑。

考虑到随着基坑开挖深度的增加，出土效率随之下降，基坑开挖时间及机械费用则不断攀升，而土方车的下坑作业可有效解决这一问题，为此，我们在第2道支撑施工前，通过对原有支撑的局部加固，在第1、2道支撑间设置钢便桥实现了这一构想。并据此对南区的第3、4层土方作相应调整（图9）：即土方车经钢便桥进入第2道支撑上方开挖第3层土，继而通过第2、3道支撑间的土坡进入第3道支撑上方开挖第4层土，出土效率大大提高。挖土按“角撑→组对依次形成东西向对撑→南北向对撑”的支撑形成顺序组织开挖。

垫层施工随土方开挖及时跟进。靠近地铁侧的垫层混凝土采取加强处理，垫层配筋并加厚至300 mm，混凝土标号提高至C40。

图9 调整后的第三层土开挖流程示意

截至2012年7月底，基坑工程顺利结束。经监测，土体深层水平位移累计最大为43.72 mm（地铁侧28.84 mm），墙体深层水平位移累计最大为40.68 mm（地铁侧25.69 mm），地铁区间隧道开挖期间的最大日变形量+0.5 mm，-0.7 mm，最大累计变形量15.8 mm，始终处于正常运行状态。

6 结语

南京世界贸易中心的深基础施工历时近2 年（基坑开挖约10 个月），围绕“控制承压水水位标高、控制基坑变形”所采取的措施，确保了基坑及周边环境的安全特别是地铁安全，取得了良好的社会效益和经济效益。作为南京规模最大的深基坑之一，基础施工的顺利完成，积累了众多在复合承压含水层层厚巨大的砂性土中环境敏感地带开挖超大超深基坑的诸多经验，对同类型工程施工具有一定的借鉴指导意义。