超深基坑设计和施工方法研究

方兴杰，孙 旻，韩 磊，冉岸绿，吴剑秋

中国建筑第八工程局有限公司，上海 200122

随着地下空间的开发，地下管线、市政管廊、轨道交通、人防设施及地下综合体占据了40m深度以内的中浅层地下空间，并且中浅层地下空间利用日趋饱和。随着经济的发展，城市交通、内涝问题日益突显，迫切需要建设深层调蓄水隧道、地下物流通道等工程，对40m深度之下的地下空间进行开发利用。

深层调蓄水隧道建设在我国刚刚起步，而美国、英国、日本等发达国家则起步较早，代表有芝加哥隧道及蓄水系统、泰晤士河深隧工程、江户川深隧工程。深层隧道建设首先要建设竖井，一般深度均在40m以上，个别工程达到80m以上，基坑围护设计和施工面临巨大的挑战。目前国内竖井基坑深度最大达到60m左右，无同类工程经验可借鉴，设计和施工方法均在探索中前进。鉴于此，文章对超深基坑的发展历程、设计和施工方法进行论述，为以后工程建设提供参考。

1 超深基坑的发展历程

建筑物的建造基本都需要开挖基坑，要根据功能要求及深度的不同选择不同的支护结构，依据周边环境、土层条件和开挖深度等选择支护结构。常用的竖向围护有钢板桩、SMW工法桩、钻孔灌注桩和地下连续墙，内支撑为混凝土支撑或钢支撑。

因为桥梁建设需要锚碇，而锚碇需要较深的基础，所以超深基坑最早出现于桥梁锚碇基坑。随着工业和民用建筑对地下空间的利用要求的提高，工业和民用基坑也越来越深。

桥梁锚碇基坑中，超深基坑设计有圆形和矩形。圆形基坑比较有代表性的是1997年建设的虎门大桥西锚碇工程，虎门大桥西锚碇圆形基坑如图1所示。其基坑开挖深度为32m，基坑形状为圆形，直径为61m，竖向围护结构为地下连续墙，墙厚0.8m，不设内衬，设3道围檩。矩形基坑比较有代表性的是2005年润扬长江大桥北锚碇工程，润扬长江大桥北锚碇矩形基坑如图2所示。其基坑开挖深度达48m，基坑形状为矩形，尺寸为50m×69m，竖向围护结构为地下连续墙，墙厚1.2m，不设内衬，设12道内支撑。2005年以后，阳逻长江大桥南锚碇、南京长江四桥南锚碇、岳阳洞庭湖大桥岳阳侧锚碇等基坑均采用圆形基坑。

图1 虎门大桥西锚碇圆形基坑

图2 润扬长江大桥北锚碇矩形基坑

圆形结构的受力合理性得到了工程实践的佐证，比如矩形结构的润扬长江大桥北锚碇基坑最大位移为137mm，而圆形结构的阳逻长江大桥南锚碇基坑最大变形为30mm，其后同为圆形结构的珠江黄埔大桥北锚碇最大变形仅为10mm，内径56.6m的英国一圆形地连墙径向位移也小于10mm，可见圆形支护结构的“拱效应”对抑制变形效果显著。

工程实践表明，超深基坑中圆形结构的受力更合理，支护结构为地下连续墙，基坑内部采用环梁或内衬墙。例如，宝钢热轧铁皮坑基坑开挖深度为31.63m，采用圆形基坑，直径为27.5m，地下连续墙厚1.2m；上海世博地下变形电站基坑开挖深度为34m，采用圆形基坑，直径为124m，地下连续墙厚1.2m；香港环球金融中心基坑开挖深度为28m，采用圆形基坑，直径为76m，地下连续墙厚1.5m；上海环球金融中心基坑开挖深度为31.6m，采用圆形基坑，直径为100m，地下连续墙厚1m。

2 超深基坑设计

目前，基坑设计方法包括平面弹性地基梁法、三维弹性地基板法（空间m法）和三维连续介质有限元。

（1）平面弹性地基梁法是行业标准建筑基坑规范推荐使用的方法，常规设计一般采用此方法。其是将工程简化为平面应变问题求解，可以显著降低计算的复杂度，且计算结果相对安全。这是目前工程界普遍采用的方法，且相关的设计软件提供了相应的分析模块，应用较为方便，平面弹性地基梁法计算结果如图3所示。但此方法应用于有明显空间效应的深基坑工程时，如果模型做了过多的简化而不能反映实际结构的空间变形性状，在设计中就有可能造成资源浪费或产生安全隐患，因此对于具有明显空间效应的深基坑工程，其支护结构的计算就有必要作为空间问题来求解。相关行业规范在平面弹性地基梁法中引入等效环向刚度进行超深基坑设计，利用目前的设计软件进行设计，积累了大量经验，因此开发可直接考虑环梁刚度的计算软件会更方便设计人员对基坑进行设计。

图3 平面弹性地基梁法

（2）三维弹性地基板法（空间m法）是在平面弹性地基梁法的基础上发展而来的，是一种空间分析方法，可应用于空间效应明显的基坑工程，三维弹性地基板法计算模型如图4所示。该方法与平面弹性地基梁法的计算原理相同，建立围护结构、内支撑与竖向支撑系统共同作用的三维模型，可以反映围护结构空间效应和内支撑体系的实际刚度，采用有限元求解空间问题。该方法计算原理明确，简单易操作，同时克服了平面弹性地基梁法简化空间分析的缺点，便于工程设计应用，但此方法没有考虑施工误差、土压力分布等影响，分析结果安全系数低。

图4 三维弹性地基板法

（3）三维连续介质有限元是基于有限元分析的一种基坑设计方法，该方法建立土与围护结构共同作用的有限元模型，能模拟基坑开挖工况，分析围护结构的变形、基坑隆起、基坑降水等。三维连续介质有限元法如图5所示。但土体本构模型及相关参数的选取对计算结果的影响很大，相关取值缺乏足够的经验，三维建模相对复杂，在设计中不适用，不过可以辅助设计，作为前两种方法的参考和校核。

图5 三维连续介质有限元法

超深基坑设计需考虑空间效应，采用考虑环向刚度的平面弹性地基梁法简单易操作，结果相对可靠，便于工程技术人员使用；三维弹性地基板法相较于考虑环向刚度的平面弹性地基梁法建模复杂，但结果基本一致；三维连续介质有限元法最复杂，结果缺乏可靠性，不利于设计人员应用于设计，但可以作为前两种方法的辅助验证。

3 超深基坑施工

超深基坑的围护可采用地下连续墙和沉井等施工方法，地下连续墙相较沉井在技术上更加成熟且适应性强。

超深基坑的地下连续墙深度达到百米以上，对施工设备、施工精度、接头形式、渗漏性要求极高。地墙施工设备在德国比较成熟，具有代表性的是宝峨系列成槽机和铣槽机。地墙的施工工艺在日本相对成熟，可采用TRD工法、GST工法、MHL工法和EMX工法施工，适用于20～150m的墙深。我国地连墙施工则一般采用成槽机和铣槽机，成槽机应用于75m以下的地墙，垂直度达到3‰，采用锁口管、十字钢板、H型钢、GXJ钢板橡胶等接头形式，适用于软土及标准贯入试验N小于50的粉砂层；铣槽机应用于150m的地下连续墙，垂直度达到1‰～3‰，采用铣接头，适用于软土、砂土以及岩石地层等。

地墙渗漏性与幅段间的接头形式密切相关，铣接头可有效控制渗水，但施工误差可导致渗漏。地墙外侧可采用MJS、RJP等工法施工防渗墙作为防渗保险措施，还可以在地墙接头处做一幅垂直地墙的幅段，增强侧向刚度和防止渗漏。

基坑内部采用环撑及内衬强施工，保证围护结构的受力稳定。并采用布置于坑边的抓斗机械配合坑内小挖机运土，实现土方的快速开挖。

沉井施工包括开放式沉井和气压沉箱。开放式沉井适用深度较浅，施工工艺复杂，不适用于超深基坑。气压沉箱对施工工艺、设备要求高，压力的控制、机械的自动化程度、控制人员的操作水平等都对工程至关重要。气压沉箱在国内已有应用，但效果并不理想，仍需不断探索。超深基坑施工采用超深地墙做围护结构，内部采用环撑及内衬墙，是目前有效的施工方式。沉井施工技术在国内的应用还不成熟，仍需探索前行。

4 结论

（1）超深基坑的设计优先采用考虑环向刚度的平面弹性地基梁法，辅以三维弹性地基板法和三维连续介质有限元法验证。

（2）超深地下连续墙是超深基坑施工的主要方法，其施工精度、接头形式、渗漏性等是施工的关键。

（3）需开发安全适用的设计软件供设计人员使用，简单安全的施工技术仍需不断探索。