复杂环境下超大面积群基坑工程施工风险分析与应对

陆荣欣

上海建科工程咨询有限公司 上海 200032

随着城市化进程的加快，基坑工程周边环境越来越复杂，加上地块开发的需要，出现多种建筑同时开发的情况，从而导致了建设主体多样、形状不规则、边界条件复杂的群坑工程的出现。随着对地下空间开发利用需求的提高，基坑开挖深度也越来越大，施工自身风险也变得越来越大，为了保证基坑工程能够顺利开挖进行，在基坑正式实施前，对方案进行分析论证、风险评估，制订合理的开挖顺序及风险应对措施，开挖过程中严格按照措施进行控制，可将基坑施工的风险降低到最低程度[1]。

1 工程概况

某项目位于上海市中心区域，地铁功能类型以办公、商业为主，配以文化娱乐设施、酒店服务等业态。由北侧E、J、K地块，南侧G、N、O地块，中间M、L、F地块以及地块之间的道路共同组成“九宫格”项目。“九宫格”项目基坑总面积约156 000 m2，普遍区域基坑开挖深度16.20 m（图1）。

1.1 环境概况

“九宫格”项目西侧邻近已运营的轨道交通11号线车站及其附属结构，西侧环境条件较为复杂。车站与G地块地下室最近距离为10 m，与E地块地下室距离为10～18 m。车站本体距离E地块地下2层外墙9.8～23 m，距离地下3层边界24～53 m。北侧区间隧道直径约6.2 m，顶部埋深约10.3 m，距离E地块地下室外墙约24 m。邻近的地铁车站附属结构主要为1#出入口以及北风井，距离E地块地下2层外墙约为9 m，距离地下3层边界约为24 m。区间隧道距离G地块地下1层区域地下室外墙最近9 m，距离地下3层边界最近23 m。站隧结合部距离G地块地下1层区域地下室外墙13 m，距离地下3层边界约31 m。N地块南侧蓄能水池距离轨交11号线区间隧道最近55.7 m，其南侧外接车道距离隧道最近40.5 m。西侧道路下还存在多条市政管线。

图1 项目平面示意

1.2 地质情况

1.2.1 场地内工程地质情况

工程拟建场地125.0 m深度范围内的地层均为第四系松散沉积物，主要由饱和黏性土、粉性土及砂土组成，土层从上至下依次为：①1杂填土、①2浜填土、②1粉质黏土、③淤泥质粉质黏土夹黏质粉土、④淤泥质黏土、⑤1粉质黏土、⑤2砂质粉土、⑤3-1粉质黏土、⑤3-2粉质黏土夹砂质粉土、⑦1砂质粉土夹粉质黏土、⑦夹粉质黏土、⑦2粉砂。

1.2.2 开挖深度范围内工程地质情况

在基坑开挖深度范围内涉及的土层分别为：②1层、③层、④层，其中③层中夹薄层粉土，局部含粉性土颗粒较重，易渗水，并可能出现流砂、管涌等现象。③、④层淤泥质软土层抗剪强度低，具有触变性和流变性特点。坑底土为④层和⑤1层土。

1.3 水文地质

拟建场地地下水类型主要分为潜水和承压水。

1）潜水。浅部土层潜水水位埋深为0.80～2.10 m，平均水位埋深1.51 m。

2）承压水。⑤3-2层粉质黏土夹砂质粉土遍布，土质不均匀，局部层中夹砂。⑤3-2层地下水具有微承压性，可视为微承压含水层；下部为⑦层砂质粉土夹粉质黏土层，系上更新世河口-滨海相沉积层，是上海地区第一承压含水层，承压水位埋深一般为3～12 m。⑦1层为砂质粉土夹粉质黏土，场地内⑤3-2层与⑦层存在微弱的水力连系或无明显水力连系，且⑤3-2层进行长时间群井抽水不会对⑦层承压水水头产生明显的影响。

1.4 基坑围护形式

1.4.1 围护结构设计

1）基坑外围围护结构：基坑最外围围护结构均考虑采用“两墙合一”地下连续墙，考虑到对地铁车站和区间隧道的保护，邻近地铁侧地下2层与地下3层区域地下连续墙厚度均采用1 000 mm，蓄能水池区域为满足结构要求也采用厚1 000 mm地下连续墙。对于地下1层区域以及非地铁侧区域地下连续墙厚度采用800 mm。

2）基坑内部临时隔断：基坑内部地块间临时隔断均采用地下连续墙，其中邻近地铁侧的E2区内部临时隔断，考虑到对地铁的保护需要，均采用厚1 000 mm地下连续墙；其余G2区内部临时隔断、E1区与J1区、G1区与N1区之间临时隔断均采用厚800 mm地下连续墙。

1.4.2 水平支撑设计

水平的支撑设置分如下几个区域考虑：

1）地铁侧大坑E1、G1区：邻近地铁的E、G地块的大坑E1、G1区，考虑到目前的开挖深度，结合地铁侧基坑工程的常规做法，设置4道钢筋混凝土支撑。支撑按正交对撑的形式布置。

2）地铁侧小坑E2、G2区：邻近地铁划分出来的狭长型小坑，E、G地块的E2、G2区按地铁边基坑工程的常规做法，在顶部设置1道混凝土支撑并结合下部多道钢支撑。钢支撑按1幅地下连续墙2根支撑、不设置围檩的原则布设，便于快速架设支撑以控制变形。同时，钢支撑采用轴力自动补偿装置。

3）远离地铁侧地块基坑：远离地铁的基坑考虑目前16.2 m的基坑开挖深度，竖向可设置3道钢筋混凝土支撑，便于加快挖土进度。支撑平面可按对撑角撑边桁架的形式布置。

2 风险分析

该“九宫格”基坑总面积接近156 000 m2，如此大体量的基坑工程群在实施过程中受到开挖、大气降水以及施工动载等许多不确定因素的影响，存在着一定的风险性。具体体现在以下几个方面[2-3]：

1）本工程为多地块基坑工程群，基坑大小不一，且隶属于不同的建设单位的不同地块，其基坑与地下结构的实施均有各自的工期目标，基坑群施工时各基坑不同的开挖顺序将导致土体变化，进而引起围护体系变形和内力的增加，严重时会导致基坑失稳、垮塌等风险事故。

2）基坑开挖完成后，回筑过程中需分阶段拆除支撑、凿除封堵墙，将整个支护体系转换为由结构的梁板柱体系承担。在此过程中，如果拆除或凿除时机不对或受力传递不均，则可能导致结构梁板位移、变形，引起已建结构开裂，影响其使用功能。

3）群坑西侧邻近地铁车站、附属结构以及区间隧道（含站隧结合部），西侧的环境保护要求高。围护结构的变形或渗漏会引起周边环境的变化，进而影响地铁车站及隧道的正常运行，风险大。

4）⑤3-2层微承压含水层对本基坑有突涌影响，⑦层承压含水层按普遍区域开挖深度可满足承压水抗突涌稳定性要求，当基坑内存在较深的落深区时，可进行局部降压处理。

3 风险应对

3.1 基坑开挖顺序安排

“九宫格”基坑面积大、开挖深度深，基坑采用分区顺作法，总体分多个阶段实施；针对后续4块地块，总体分为5个阶段施工[4-5]：

1）第1阶段：首先施工中间3个地块，即F、L、M这3个地块以及南北K、O这2个地块的基坑开挖及结构施工（图2）。

图2 第1阶段实施区域平面示意

2）第2阶段：待F、L、M这3个地块以及K、O这2个地块地下室结构施工完成后，首先同时开挖L2区、M2区。

3）第3阶段：同时开挖E1区、N1区。

4）第4阶段：待E1区第3道支撑完成、N1区第2道支撑完成后，开挖J1区、G1区第1道支撑以下土方。

5）第5阶段：待E1区、J1区地下B1层结构完成后，可开挖J2区及地铁侧E2-1区、E2-2区、E2-3区、E2-4区；待G1区、N1区地下B1层结构完成后，可开挖N2区基地铁侧G2-1区、G2-2区、G2-3区。

3.2 承压水控制

普遍区域布设⑤3-2层降压井，E地块滤头按地层分布的不同进入到⑤3-2层顶以下5～6 m，G地块滤头按地层分布的不同进入到⑤3-2层顶以下3～4 m。塔楼局部深坑区域布设一定数量的⑦层备用井兼作观测井。

针对基坑降压对周边环境的影响控制，设计考虑采取的处理对策如下：

1）E地块邻近地铁，抽水试验结果显示，E、J地块区域⑤3-2层与⑦层存在微弱的水力连系。考虑到对地铁车站及其附属结构的保护，鉴于F地块加深地下连续墙（深50 m）已施工完，考虑将E地块于地铁侧、北侧的地下连续墙均加深，并深于降压井滤管底部以下不小于10 m，隔断⑤3-2层。

2）G地块邻近地铁，抽水试验结果显示，G、N地块区域⑤3-2层与⑦层不存在明显的水力连系。考虑到对地铁车站及其附属结构的保护，鉴于F地块加深地下连续墙（深50 m）已施工完，考虑将G地块于地铁侧、南侧的地下连续墙均加深，并深于降压井滤管底部以下不小于10 m，隔断⑤3-2层。

从“九宫格”角度，在实施顺序上，F地块在E、G地块实施时地下结构已经完成，E、G错开先后开挖（相差约2皮土），不会出现F、E、G地块同时降压的情况。

J、N地块考虑位于九宫格内部，距离地铁较远且周边环境条件较为宽松，暂不考虑止水帷幕加深。

3.3 监测

本工程基坑面积大、开挖深度深，周边环境保护要求高，必须在施工过程中进行综合的现场监测，全面了解围护结构和周边环境的情况，根据监测结果动态调整、优化施工参数、指导施工。根据本工程施工的特点、周边环境特点及设计的常规要求，监测主要分为以下2类内容：

1）基坑周边环境监测，包括周边道路及建（构）筑物的变形及沉降监测、地下管线变形（沉降、位移）监测、地铁车站及地铁隧道的变形（沉降、位移）监测等。

2）基坑围护监测，包括围护墙体、立柱、支撑轴力等监测。

现场根据每天上报的监测结果，实时了解基坑的安全状态，如果出现变形过大的情况，及时召开专题会，讨论制订解决方案，实时指导现场施工。

3.4 管理措施

为了明确相对独立又相辅相成的各地块的界面和责任，协调基坑群施工节奏和交通组织，最大限度地减少错误，由投资主体以及参建各方建立施工的协调管理平台，包括领导小组、项目推进小组、项目协调小组3个层面的协调平台，建立协调沟通机制，及时解决现场实施过程中出现的问题。

4 实施效果

通过对该基坑群的风险分析，制订相应的风险对策，在实施过程中，通过管理协调，各基坑能够按照既定的开挖顺序进行开挖，并做好监测以及承压水的控制工作，实施效果非常明显。西侧轨道交通的变形影响都在允许范围内，基坑自身未发生明显变形，承压水控制未发生突涌现象。

5 结语

以上海中心区域超大面积基坑工程群为例进行了风险分析，并提出了相应的风险控制措施，主要结论如下：

1）对于超大面积的群坑施工，在实施以前应对整个群坑的开挖顺序、拆撑回筑顺序进行模拟策划。

2）建立沟通协调机制，由于群坑内的基坑属于多个投资主体，是否能按照实施前的策划顺序进行实施，非常关键，因此建立沟通协调机制，使参建各方能按照既定的施工顺序进行实施非常关键，可以有效降低施工风险。

3）做好承压水的控制，对群坑进行抽水试验，降水模拟分析，根据结果来设计围护结构深度及降水井，开挖过程中，按需降水，保证承压水头处于安全状态。

4）做好动态监测，及时分析、掌握基坑监测数据，动态评估基坑安全状态，实施过程中突发情况应根据应急预案及时处理，将风险降低。