上海地区某深大基坑开挖的设计实践

缪爱伟　蔡剑韬　廖志坚

(上海地矿工程勘察有限公司　上海　200072)



上海地区某深大基坑开挖的设计实践

缪爱伟蔡剑韬廖志坚

(上海地矿工程勘察有限公司上海200072)

上海嘉定新城马陆东方豪园东地块二期项目是上海软土地区比较典型的深大基坑，环境保护要求高，地质条件较为复杂。该工程采用钻孔灌注桩结合五轴水泥土搅拌桩+两道混凝土支撑的围护结构形式，并设置施工栈桥，通过对监测数据的分析，围护体测斜、周边房屋变形、地下水位等各项指标均在规定值内，确保了基坑的安全和主体结构的顺利施工。

深基坑；钻孔灌注桩；五轴水泥土搅拌桩；施工栈桥

1　工程概况

上海嘉定新城马陆东方豪园东地块二期项目位于上海市嘉定区裕民南路以东、马陆塘以南、宝安公路以北所围区域内，用地面积约43 470m2。

本工程主要包括3栋楼，1#楼地上5层、地下2层，地下一层为超市百货区，地下二层为六级人防车库及附属配套设施，2#、3#楼地上二层，无地下室，主要为框架结构，采用PHC管桩～筏板基础，普遍区域底板厚度1.0m，采用Φ500的PHC管桩。

整个场地基坑面积约25 600m2，总延长米约872m，形状不规则，南侧单边延长米接近300m。普遍区域开挖深度为10.10m，局部降板区域开挖深度达12.30m，属深大型基坑工程。基坑周边环境复杂，保护要求较高，拟建场地周边环境示意图见图1。

2　周边环境和工程地质

2.1周边环境

(1)基坑红线外为市公安局嘉定分局交警支队二中队大院，院内由南向北依次分布有一栋4层、1栋3层楼房及1栋1层房屋。经现场调查，3层和4层房屋均无地下室，采用浅基础，其中3层和4层房屋与基坑的距离仅为11.8m。

(2)基坑北侧红线外即为马陆塘，马陆塘常年水位为+3.200水位较高，河道宽度为30m，北侧东段河口线与基坑的距离仅为7.9m，并有简单驳岸设施。

(3)周边道路下市政管线密集，有大直径且浅埋的煤气管、污水管等重要的管线。

2.2本工程地质条件特点[1]

(1)拟建场地位于长江三角洲入海口东南前缘，地貌类型属长江三角洲滨海平原地貌，土层主要物理力学性能参数见表1。

(2)坑壁主要为②、③、④层粘性土和粘性土夹粉性土，具有高含水量和大孔隙比、高压缩性、高流变性，其抗剪强度低，在基坑开挖施工过程中，在水、土压力、施工震动和坑边堆土等上部荷载作用下易产生侧向变形，局部区域⑥层粉质粘土缺失，⑤层粘土厚度变化较大。

(3)地下水丰富，土层含水量及渗透性较大；同时除潜水、北侧河道的地表水外，仍有对工程有直接影响的第⑦层承压水层，水头埋深约为3.0m。

参照上海行业标准《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)，本基坑安全等级属于二级。

表1　土层主要物理力学性能参数

3　围护方案设计

3.1围护体系

3.1.1围护桩

本工程基坑面积为25 600m2，普遍深度为10.10m，最深处达12.30m，形状不规则，南侧单边延长米接近300m，周边环境复杂，根据基坑情况和上海地区以往类似经验可考虑的围护形式为钻孔灌注桩或者SMW工法桩结合混凝土支撑的形式[2,3]。

若采用SWM工法桩(即型钢水泥土搅拌墙，下同)，对于普遍区域采用Φ850@600三轴水泥土搅拌桩内插H700×300×13×24型钢，型钢有效长度为15.50m，采用“插二跳一”的形式。普遍区域计算结果如图3所示，单桩抗弯刚度EI为439 921kN·m2。

若采用钻孔灌注桩，则对于普遍区域采用Φ800钻孔灌注桩结合水泥土搅拌桩止水，灌注桩有效长度16.10m，普遍区域计算结果如图4所示，单桩抗弯刚度为603 186kN·m2。因此，相比于SWM工法桩，采用钻孔灌注桩作为围护桩时，围护桩变形小，围护结构刚度大，而且随着时间的增长，桩身强度逐渐增强。另外这两种围护形式围护结构造价对比见表2。

表2　围护结构造价对比

另外由于本工程从围护桩施工开始到地下室施工结束工期为10个月，表2中型钢为不超过6个月的造价，根据上海地区市场情况，超过6个月型钢租赁费用一般按3元/t/d计算，则超过工期的租赁费为100万元，因此SWM工法桩总费用为906万元，因此无论是从安全性还是经济性角度，对于本工程围护结构采用钻孔灌注桩更为合理。

本基坑开挖深度为10.10m～12.3m，根据开挖深度和周边环境不同，结合计算和以往工程经验，采用Φ800、Φ850钻孔灌注桩结合水泥土搅拌桩止水，灌注桩根据挖深、土质和环境保护要求不同采用相应的桩长，Φ800钻孔灌注桩有效长度为16.1m，Φ850灌注桩有效长度为17.5m。以满足基坑抗隆起、抗倾覆和整体稳定性要求。其中东北角，由于⑥层粉质粘土层缺失，且北侧7.9m外为河道和东侧11.8m外1层房屋，围护桩入土深度比较普遍区域适当增大，同时为控制变形和保持围护结构整体性，在灌注桩顶部设置1 100×700压顶梁。围护普遍侧剖面图见图4。

3.1.2止水帷幕

目前在软土地区用作止水帷幕的搅拌桩常见的有双轴水泥土搅拌桩、三轴水泥土搅拌桩以及五轴水泥土搅拌桩。

双轴水泥土搅拌桩仅采用2台低功率(37kW)电机，动力不足，施工深度只能到18m，搅拌桩钻头部分仅有2道叶片，搅拌均匀性差。双轴水泥土搅拌桩虽采用两喷三搅工艺，但施工时间长，功效低，施工过程中可能出现的冷缝几率大，易出现漏水现象。

三轴水泥土搅拌桩桩体强度低，造价较高，若遇到砂性地层，浆液容易离析，从而造成漏水现象，而且三轴水泥土搅拌桩会产生大量的置换土，体量会达到施工方量的1/4～1/3。

五轴水泥土搅拌桩[4,5]吸收了双轴和三轴水泥土搅拌桩的优点，克服了传统工艺的缺点。

(1)图5为这3种工艺在7d龄期、14d龄期和28d龄期搅拌桩芯样平均强度对比，从图中可以看出，无论在哪个阶段，三轴水泥土搅拌桩的强度最低，五轴水泥土搅拌桩的强度最高。

(2)图6为这三种工艺的功效对比，从图中可以看出，五轴搅拌桩的功效达到800m3/d，远远大于其他两种工艺的功效，原因在于五轴水泥土搅拌桩设置五道钻杆，单次施工效率大大提高，另外五轴水泥土搅拌桩采用“一上一下”工艺，大大缩短了施工时间。

(3)其经济效益对比，详见表3。

表3　三种施工工艺造价对比

从表3可以看出五轴水泥土搅拌桩工程量跟三轴水泥土搅拌桩接近，但单价优势明显，故总价要低。另外五轴水泥土搅拌桩水泥掺量仅为13%～15%，又不会产生置换土，因此五轴水泥土搅拌桩无论在止水效果还是经济上都具有明显的优势，因此本工程采用五轴水泥土搅拌桩作为止水帷幕。

本工程五轴水泥土搅拌桩桩端进入不透水层，且不小于普遍区域坑底以下7m，本项目普遍区域取16.20m，降板区域取17.50m。

本工程地下水位较高，基坑北侧马陆塘水位较高，北侧东段与河道的最近距离仅为7.9m，采用五轴水泥土搅拌桩作为止水帷幕，经现场施工实践证明该工艺止水效果好，施工速度快，为本工程的顺利进行打下了良好的基础。

3.2支撑体系

3.2.1水平支撑体系

本工程竖向设置二道钢筋混凝土支撑，采用边行架结合角对撑的布置形式。通过沿基坑两个方向设置的对撑基本上控制了基坑中部围护体的变形，角部位置通过设置角撑的方式进行解决，可缩短支撑的跨度，增加角部支撑刚度，有利于控制短边跨中基坑变形。如此布置形式，各个区域的受力均明确，且相对独立。

由于本工程地下室面积较大，而施工场地空间有限，因此需要通过设置施工栈桥来满足施工道路和材料堆放的要求，而施工栈桥需要同基坑的支撑设计与布置结合起来，尽可能节省工程造价，同时满足基坑土方开挖的要求，并确保整个支撑体系的受力可靠。

施工栈桥设计需考虑出土口位置和施工车辆的走向，同时要满足各个区域挖土要求。本工程栈桥宽度取10m，栈桥面积约6 285m2，栈桥分布均匀，从而方便土方开挖。施工栈桥区域栈桥板厚250mm，采用双层双向配筋，栈桥梁高为950mm。施工过程中严格按照荷载限值控制栈桥荷载，满载车辆按照60t、堆载区按照20kPa控制，支撑施工栈桥平面图详见图7，支撑信息表见表4。

现场施工证明，该栈桥设计既经济又合理，为施工提供了很大便利，为本工程地下结构工程缩短工期足足一个月，大大提高了施工效率。

3.2.2竖向支承体系

土方开挖期间需要设置竖向构件来承受水平支撑的竖向力，本工程中采用临时钢立柱及柱下钻孔灌注桩作为水平支撑系统的竖向支承构件。临时钢立柱采用由等边角钢和缀板焊接而成的角钢格构柱，非栈桥下角钢规格为4L140×14，栈桥下角钢规格为4L160×16，其截面均为480×480，钢立柱插入作为立柱桩的钻孔灌注桩中不少于3m。

由于本工程主体结构工程桩为PHC管桩，故立柱桩全部采用加打灌注桩，非栈桥区域钢立柱及立柱桩仅考虑受两道钢筋混凝土支撑重量，未考虑施工荷载，加打立柱桩为Φ700钻孔灌注桩，桩顶4m范围内扩径至Φ800，有效桩长为25m；栈桥区域采用Φ800钻孔灌注桩，有效桩长为34m。

3.3地基加固

由于基底主要位于④层淤泥质粉质粘土、⑤层粘土，坑底土十分软弱，为了减少基坑开挖过程中坑底隆起和增加被动区土体被动区抗力，在基坑内部四周设置Φ700@500双轴水泥土搅拌桩进行加固[6]，以提高坑底被区动土体抗力。加固体呈格栅布置，平面宽度5.2m，基底至第二道支撑底标高，被动区加固体与围护桩之间采用压密注浆充填，注浆孔间距1.0m。

3.4地下水处理

本工程的坑底为粘性土层，承压水主要赋存于⑦层，由于承压含水层顶板埋藏在19m左右，而基坑普遍区域开挖深度为10.1m，勘察期间测得承压水水位埋深为5.90m～5.93m，承压水按最不利3m考虑，按照普遍区域计算，ky= 1.04<1.05，故承压水可能引起基坑的突涌，尤其对集水坑，电梯井等局部落深部位，由于开挖深度加大，产生基坑突涌的可能性就越大。

本工程采用真空深井进行降压降水，施工时加强对施工期间的承压水水头的监测[7]，并根据当时的水头来验算承压水对基坑的影响，以此来决定减压井的降水进程，防止基坑和基坑壁的失稳。对于集水井、电梯井深坑处均需要采取封底加固措施。

4　实践效果分析

根据第三方监测结果，以上做法取得了很好的效果：①有效控制围护桩的变形，保证最大累计变形值在设计范围以内，见图8。本工程东侧所取的4个代表性监测点CX1～CX4(图1)测斜数值最大分别为29.0mm、28.1mm、29.2mm、26.8mm，与设计值吻合。②有效控制东侧房屋变形，房屋最大沉降为12.76mm，确保了基坑开挖期间该侧房屋的安全,见图9。③有效控制基坑地下水位的变化，SW1为基坑北侧靠近河道监测点，SW2和SW3为基坑东侧靠近房屋一侧监测点，从图10可以看出基坑开挖期间坑外水位稳定，变化小，且地下水位累计变化均在报警值(1 000mm)范围内，表明本工程采用五轴水泥土搅拌桩能有效地阻止河水渗入，止水效果好。

5　结论

(1)本工程场地地下水位较高，基坑北侧马陆塘水位较高，且基坑与马陆塘距离较近，止水在本工程施工中起着重要的作用，本工程采用五轴水泥土搅拌桩作为止水帷幕，经现场施工和监测结果表明该工艺止水效果好，施工效率高，而且十分经济，为其他类似的工程提供了很好的借鉴。

(2)本工程基坑开挖深度较深，面积较大，形状又不规则，单边长度超过300m，周边环境保护要求高，而且本工程场地主要为②、③、④层粘性土和粘性土夹粉性土，土性较差，采用钻孔灌注桩结合砼支撑的围护形式整体性好，支护结构刚度大，控制变形能力强，能够确保基坑安全。另外本工程东侧为浅基础房屋，地下结构施工过程中该房屋变形小，采用该围护结构确保了基坑开挖期间房屋的安全。

(3) 本工程基坑面积大，周边施工场地空间有限，为满足场地施工道路布置要求、材料堆放的要求以及土方开挖的要求，本工程设置施工栈桥，并与基坑支撑设计紧密结合，确保了整体受力要求，提高了施工效率，从而节省了工期和工程造价。

[1]化学工业岩土工程有限公司.上海嘉定新城马陆东方豪园东地块二期(新荟广场)地块岩土勘察报告[R].

[2]刘国彬,王卫东.基坑工程手册(第二版)[M].北京: 中国建筑工业出版社,2009.

[3]蔡剑韬，陈尚荣，廖志坚.型钢水泥土墙结合钢支撑在基坑工程中的设计实践[J].岩土工程学报，2010,32(增刊):359-362.

[4]DBJ/63-2012 城地五轴水泥土搅拌墙应用技术规程[S].上海：上海新标工程建设咨询有限公司，2013.

[5]张劲松.水泥土搅拌桩复合地基应用研究[D].南京：河海大学,2004.

[6]黄茂松.软土地下工程与深基坑研究进展[J].土木工程学报,2012,45(10): 146-161.

[7]杨林德，仇圣华，杨志锡.基坑围护位移量及其稳定性预测[J].岩土力学，2001,22(3)：266-270.

Design practice of deep foundation pit excavation in ShangHai

MIAO AiweiCAI JiantaoLIAO Zhijian

(Shanghai Geological Engineering & Geology Institute Co,Ltd,Shanghai 200072)

The second project of east block of Malu east verde in Jia Ding of Shang Hai is a typical deep foundation pit in soft soil area.The pit needs the strict environmental protection and it has complicated geological conditions.It uses pile combined with Five-Axis Mixing and concrete bracing system,meanwile it sets pier construction .Through the analysis of the monitoring data,slop monitoring,the displacement of houses,underwater indicators are within the prescribed values,the safety of the foudation ande the constrution of the main structure are ensured.

Deep foudation;Bored piles; Five-Axis Mixing; Pier construction

缪爱伟(1988-)，男，工程师。

E-mail:ru2008dong@163.com

2016-03-04

TU4

A

1004-6135(2016)04-0066-05