软土地层中超大面积深基坑“环岛法”设计施工技术

魏 祥

（上海申元岩土工程有限公司，上海市 200040）

0 引言

软土地区中的超大面积超深基坑支护工程，因其风险更大，不确定因素更多，如何平衡安全可靠和经济合理两个方面，是岩土工程领域设计和施工的难点。许多学者对软土地层中超大深基坑的支护设计理念、施工实践、优化设计等课题开展了大量的工程实例研究和数值分析，取得了大量实践与研究成果[1-6]。

本文以位于上海市浦东新区东方万国企业中心基坑围护工程为例，提出了软土地层中一种新型的超大面积深基坑开挖技术：环岛法，供类似基坑工程的设计与施工参考。

1 工程概况

东方万国企业中心位于上海浦东新区金桥出口加工区，唐陆路以西、新金桥路以南。整个项目由20万m2地上建筑空间及10万m2下沉式广场组成。

本工程用地面积95 530 m2，总建筑面积286 589 m2，地上由10幢10～12层主楼及多层裙房组成，地下2层。

本工程基坑长约320 m，宽约170～250 m，开挖面积达到70 800 m2，普遍开挖深度11.1 m，属于超大面积深基坑。周边道路及道路下管线、临近建筑是基坑围护设计保护的重点。基坑平面布置及周围环境见图1。

拟建场地地貌类型属滨海平原相地貌类型，场地地形均较为平坦。场地内存在厚达11.5～16.8 m的软弱土层，为流塑状淤泥质粉质粘土，详细地层分布情况及围护设计参数见表1。

图1 基坑平面布置图及周围环境

表1 土层物理力学参数

同时，根据规范计算[7]，场地内第⑦层承压水对本工程基坑开挖无影响。

2 基坑支护技术难点及方案选择

2.1 技术难点

本基坑工程具备以下几个技术难点：

（1）基坑开挖面积超大，达7万m2，开挖深度达11.1 m，且形状不规则，周边环境复杂，需保护对象多。

（2）土层地质条件差，场地内存在厚达11.5～16.8 m的软弱土层，基坑开挖面正处在软弱土层中，该土层抗剪强度低，灵敏度中～高，具有触变性和流变性特点，是导致基坑围护体变形、内力增大的土层。

（3）工期紧，本工程地上由10幢10～12层主楼及多层裙房组成，且主楼均分布在基坑外圈，根据建设单位要求，10幢主楼需同时开挖，整个项目总工期计划2 a。

（4）结构特点，本工程中心区域为下沉式广场，面积为1万m2左右，该区域缺失地下室顶板及中楼板，常规做法中的中楼板换撑等无法实现。

2.2 基坑支护设计总体思路

常规基坑支护总体方案主要有顺作法和逆作法两类基本形式[8]。由于本基坑面积超大，又涉及到整体开挖还是分区开挖的问题，接下来针对本基坑的技术难点，就几种常规的基坑支护总体思路逐条分析优劣：

（1）顺作法分区开挖，超大面积深基坑分区开挖较为常规，也可确保安全。但需设置分区隔离支护结构，造价较高，还涉及到相邻基坑交叉施工的问题，工期较长，且本工程主楼分布较散，分区则无法满足所有主楼同时开挖的要求。同时，基坑中心区域大面积缺失顶板和中楼板也存在问题。

（2）顺作法整体开挖。如此大面积的深基坑采用顺作法整体开挖是极为罕见的，因水平支撑体系长度较大，刚度较弱，受温度及混凝土徐变影响较大，而且大面积基坑同时开挖坑底回弹、隆起量空间效应明显，对周边环境影响范围及程度均较大，安全隐患较大。

（3）顺作法中心岛法，对于本工程来说，大面积的中心区域的地下室楼板缺失，不适合采用传统的“中心岛”法；且本工程开挖深度大，采用一道斜抛撑撑在中心区域底板上风险较大。同时，中心岛法周边留土后挖，本工程主楼区域位于基坑外周，均只能后施工，不利于项目总工期控制。

（4）逆作法开挖，逆作法通常采用楼板作为坑内临时支撑，但基坑中心区域大面积缺失顶板和中楼板，无法形成坑内支撑系统。且本工程出土量巨大，逆作法出土效率低，工期将大大拉长，同时，逆作法技术复杂，对施工工艺要求高，设计受主体结构设计进度制约。

综上所述，对于本基坑工程，现有的几种常规支护思路都有较突出的缺点，无法确保在安全可靠的前提下节约造价，同时兼顾建设单位主楼同时开挖的要求，缩短工期。

2.3 “环岛法”基坑支护设计总体思路

结合本工程基坑特点、结构特点（中心区域分布下沉式广场）及建设单位要求，从“中心岛开挖”方案得到启发，创造性地提出了一种新型基坑支护设计总体思路：“环岛法”。

“环岛法”与传统的中心岛法正好相反，即采用内外两圈围护结构，将基坑分为外围环形区域和内部中心区域（本工程为下沉式广场区域）。施工顺序为：首先开挖周边环形区域基坑，施工外围地下室结构，待外围地下室结构完成并施工主楼上部结构的同时，再开挖内部中心区域土方，因已完成的周边地下室主体结构可挡土，内部中心区域无需再设置坑内临时支撑。

环岛法与几种常规设计思路的优劣性比较见表2。

表2 环岛法与常规设计思路优劣比较

3 “环岛法”基坑支护结构设计方案

3.1 支护结构设计

根据本基坑工程的开挖深度、周边环境、地层性质，结合地区经验，本基坑支护结构考虑采用板式围护结构：钻孔灌注桩结合止水帷幕。

外围区域支护结构采用Φ850@1 050/Φ950@1 150钻孔灌注桩，设计强度C30，桩长22.1～25.6m。外侧设Φ850@600三轴水泥土搅拌桩止水，桩底埋深17.9 m，水泥掺量20%，典型剖面详见图2。

内围区域支护结构采用Φ850@1 050钻孔灌注桩，设计强度C30，桩长22.1～24.6 m，不设止水桩，典型剖面见图3。

图2 外围区域典型剖面

图3 中心区域典型剖面

3.2 内支撑系统与施工栈桥布置

外围区域采用两道钢筋混凝土支撑。支撑布置形式以对撑为主，辅以角撑。内围区域采用外围已完成的地下室结构挡土，不再设置坑内临时支撑。

围护设计结合第一道支撑及场地出入口设计了10条栈桥，外围区域基坑开挖时，栈桥覆盖率近20%，栈桥中心区域的留土正好作为施工场地且将10条栈桥连通，大大方便了土方的开挖、建筑材料的运输和泵车混凝土的浇筑,加快工程进度。同时，在周边地下室结构完成后，保留部分栈桥，以便中心区域的土方开挖、运输及底板的浇注等。

“环岛法”基坑支撑及施工栈桥布置见图4。

图4 环岛法基坑支撑布置

3.3 环岛法支撑与整体布置支撑比较分析

为了验证“环岛法”支撑布置相较于整体布置支撑而言，支撑布置更合理，刚度更大，整体性更好，采用同济启明星BSC软件对“环岛法”支撑和整体布置支撑分别进行了支撑计算，对两种支撑布置形式的杆件变形、受力进行了比较，详细结果见表3。

表3 “环岛法”支撑与整体支撑计算结果比较

从表3中可以看出：超大面积的支撑布置对支撑刚度的影响较大，尤其是受力较大的第二道支撑，杆件变形增加的幅度非常大。而杆件内力所受影响相对较小，与“环岛法”支撑相比，杆件各项内力略有增加。

同时，为考虑温度变化对支撑杆件的影响，采用SAP2000分析了几种温度变化下“环岛法”支撑和整体布置支撑的杆件变形，详细结果见图5、图6和表4。从图表中可以看出，在同样的温度变化下，较长的支撑杆件受温度变化影响更大，变形值远远大于较短的支撑杆件。

4 监测结果分析

本基坑从2010年7月开始施工，至2012年7月完成基坑工程及土建工程，工期满足建设单位要求。

图5 温度变化时“环岛法”支撑杆件变形图

图6 温度变化时整体布置支撑杆件变形图

表4 温度变化对“环岛法”支撑与整体支撑影响比较

根据监测单位提供的现场监测数据，整个施工过程中，围护结构水平变形控制在3～5 cm，图7～图9分别给出了挖土到坑底、大底板浇筑完成和支撑拆除三种工况下围护结构水平变形曲线，从三张曲线图可以看出，“环岛法”施工时基坑围护结构水平变形趋势与常规设计思路施工时变形趋势一致，体现为：未拆撑时为抛物线型位移，拆撑时为悬臂式位移与抛物型位移的组合。

图7 挖土至坑底时围护结构水平变形曲线

图8 大底板浇筑完成时围护结构水平变形曲线

图9 拆撑工况时围护结构水平变形曲线

为了进一步对比“环岛法”设计思路与常规设计思路在实际工程中的应用，特选取了位于上海市长宁区某中心岛基坑工程，该基坑面积为40 460 m2，开挖深度为 7.65～11.15 m，场地内同样存在较厚的软弱土层，基坑施工过程中的监测数据见表5。从表5中可以看出，“环岛法“设计思路能有效控制围护结构变形、周边地面沉降和坑底隆起量，较中心岛设计思路更加能确保安全，保护环境。

表5 “环岛法”与中心岛法监测数据对比

5 结语

软弱土层中超大面积深基坑开挖的关键技术问题在于不仅要确保基坑自身结构和周边环境的安全，还要考虑到结构特点、工期造价建设单位要求等多方面因素。本基坑所采用的新型基坑支护总体设计思路：环岛法，正是基于对以上这些关键因素的思考，结合本工程特点，在常规基坑支护设计思路的基础上加以创新。该项目的成功实施，给超大面积深基坑同时开挖提供了一个新思路，是基坑工程设计的又一创新。

[1]屠毓敏,阮长青.温州大剧院深基坑支护技术[J].岩土工程学报,2006,28(1):59-62.

[2]曾进群,杨光华.复杂环境下多种支护型式共用的基坑设计实例[J].岩土工程学报,2006,24(增刊):1573-1576.

[3]翁其平,王卫东.软土中超大面积深基坑逆作法设计与实践[J].地下空间与工程学报,2005(4):587-590.

[4]于家堡金融区起步区一期基坑支护结构设计[Z].上海:华东建筑设计研究院有限公司,2009.

[5]吴铭炳.软土地基深基坑支护中的土压力[J].工程勘察,1999(2):15-17.

[6]顾倩燕,朱宪辉.超大直径圆形薄壁地下连续墙围护结构研究[J].地下空间与工程学报,2005(4):534-537.

[7]DG/TJ08-61-2010,J11577-2010,基坑工程技术规范[S].

[8]刘国彬,王卫东.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.