深基坑土方开挖方案优化设计与应用研究——以浦东森兰地块中区地下通道出入口新建工程为例

李爱华LI Ai-hua

（上海市浦东新区建设（集团）有限公司，上海 200120）

0 引言

现阶段，随着我国城市化进程的加快，人口和车流的剧增给城市交通带来了很大的压力，随之，许多地下交通工程施工也越来越多。但地下交通工程施工环境复杂，工序繁杂，也会牵涉到各个部门的配合，给这些施工建设工程带来了很大的影响。因此，为了优化地下工程的施工，相关部门要采取创新科学的施工技术，不断优化技术方案的设计及技术创新，以提升地下工程施工质量，促进城市化建设的良性发展。

文章结合森兰地块中区地下通道出入口新建工程为例，进行工程的施工方案优化，主要是为了提升工程建设质量，为施工提供安全性和技术保障，优化和创新后的施工方案既便于施工，又节省了成本，缩短了工期，达到了经济效率和社会效益的双赢建设目标。

1 深基坑工程简述

深基坑工程是指基坑开挖深度超过5m（含5m）的基坑，对其实施降水、支护以及土方开挖的工程。深基坑工程具有复杂系统工程特点。在开展深基坑工程中，最重要的则为深基坑支护和土方开挖工程，这两者之间需要相互配合，相互协调，以确保地下工程结构的稳定性和安全性。

1.1 深基坑支护技术

建筑工程施工环节深基坑支护技术指的是建筑物的支护结构，为保证实际结构施工和基坑施工的安全性所提供的相应技术，施工过程中技术不到位，基本施工提供了技术支持，同时还为建筑基础整体承载量和强度提供了保障，进而能够不断提高施工质量。在一定程度下，深基坑支护技术会对于整体施工质量造成影响，甚至会影响整体施工进度，而且还会跟施工的经济效益产生一定的关联关系。施工环节对深基坑支护技术的处理，能够有效结合不同的工作，选择合适的技术内容，保证实际技术，发挥最大的优势。

1.2 土钉支护施工

建筑工程施工过程中常见的深基坑支护技术，包括土钉支护施工，借助土地进行基坑支护作为一种常见的支护形式，其原理就是通过土壤和土体之间的作用，能够使边坡土体更具有稳定性，在保证土体稳定性和整体性的基础上，将土钉在土体内，会使得土体受到弯矩和拉力作用下保证实际土体的稳定性。深基坑支护前，首先需要对土地进行实验，项目开展过程中土钉进入土体之后的强度实验，来确保施工环节的稳定性，避免存在相关影响深基坑支护技术的因素，造成安全事故。土钉施工前需要对土钉孔洞进行深度测量，在技术施工环节要严格按照深基坑支护施工规范要求进行注浆，并对水泥砂浆的水灰比、外加剂等进行严格控制。直到孔洞注满注浆时，需要注重注浆的时间，确保在水泥砂浆初凝前完成具体的补浆工作，要在搅拌注浆环节做好注浆配比，严格按照实际设置规范，对于水泥的每平方用量进行控制。

1.3 土层锚杆施工技术

深基坑支护技术应用过程中土层锚杆也是具体施工过程中的重要一方面，可以通过钻孔机进行钻孔工作。具体的深度要按照施工方案来进行确立。首先要对于锚杆进行全面的检查，钻孔环节，如果遇到了阻碍物或异物，需要及时停止工作，解决了实际问题之后才能正常完成施工。土层锚杆施工过程中要对锚杆进行严格控制，确保统计的误差在一定范围之内，在冷缝处理和装钻机工程过程中，要保持螺杆均匀转动，钻孔底部倾斜不能超过锚杆长度的3%，同时要设计好锚杆深度，不能超过设计长度的1%，并应严格按照具体设计要求，进行相应的配比，注浆要从上至下进行孔洞的注浆。

1.4 围护桩支护技术

该技术常采用围护结构对深基坑基础进行支护，以防止深基坑结构工程施工中出现质量问题，对深基坑工程施工的安全性特别有帮助，可以充分发挥深基坑支护技术的优越性。

1.5 连续墙支护技术

该类型中地下连续墙本身都具有较强高度，在防水与防渗漏功能方面表现较好，可应用于地下水位之下的软黏土层与砂土层施工环境中，比较适用于深层土壤的基坑支护施工应用体系，确保深层土壤基坑支护施工应用体系有效构建。

1.6 深层搅拌支护技术

它主要运用固化剂结合水泥展开机械设备搅拌过程，配合固化剂与软土剂进行强制搅拌，经过化学反应后逐渐硬化，有效提高深基坑支护施工安全稳定性。

2 浦东森兰地块中区地下通道出入口新建工程概况

森兰地块中区地下通道出入口新建工程位于浦东新区外高桥新市镇，本工程地下通道出入口是使整个森兰中区地块地下环路与周边市政道路连通的重要通道。中区地块在地下二层规划了一条交通环路将各地块串联在一起，使得各地块车位互补、沟通便利，并且优化了区域地面交通，环路出入口直达城市干道洲海路及张杨北路，与城市交通顺畅对接。本工程共涉及四个地道出入口，具体位置为：地道一为地下车行出入口通道，位于张杨北路东侧、启帆路南侧；地道二为地下车行出入口通道，位于张杨北路东侧、启帆路北侧；地道三为地下车行出入口通道，位于洲海路南侧连接D1-4北侧地下室；地道四为地下车行出入口通道，位于洲海路南侧穿越兰嵩路连接D1-4地下室。

地道暗埋段采用整体箱形框架结构，敞开段采用U型槽坞式结构，暗埋段结构净高5.5m，地道一、二、三号净宽9.0m，结构总宽10~11m；地道四净宽7.0m，结构总宽8~9m。地道一暗埋段长50m，敞开段长110m，总长160m；地道二暗埋段长80m，敞开段长80m，总长150m；地道三仅设置30m长敞开段，总长30m；地道四暗埋段长70m，敞开段长70m，总长140m。

由于整个森兰商都将在2021年中全面开业，业主对于四个地下通道出入口的工期要求十分高，同时四个出入口结构均不复杂，因此对于整个项目实施过程中进度保证影响最大的关键工序就是围护及土方开挖的施工，同时由于四个地下通道是同时实施，因此对于各个工序的流水作业衔接要求很高。所以，合适的基坑开挖方案在项目前期策划是很重要的。

3 设计意图及原土方开挖方案的缺点

3.1 围护设计方案

本工程涉及四个地下通道，以情况最复杂的地下通道四为例，地下通道为长条形基坑，基坑带弧形，尺寸约为150m×13.5m，开挖深度0.7~11.96m，本工程基土主要由粘性土和砂土组成。各土层依次为：第一层为素填土；第二层为淤泥；第三层为吹填土（粘质粉夹杂淤泥质粘土）；第四层为淤泥质粉质粘土夹砂；第五层为砂质粉土；第六层淤泥质粘土；第七层为粉砂。工程场地浅部地下水属潜水类型，常年平均地下水位埋深为0.3~1.5m。场地内第七层为第Ⅰ承压水含水层。拟建基坑开挖深度较深，第七层承压水不突涌。根据勘察量测结果，第七层微承压水水位埋深在3.0~11.0m。

本地下通道四局部落深14.26m。根据现场情况实施不同的围护方法。基坑深度在0.7~3.0m采用三轴重力式挡墙；基坑深度大于3.0m时，在上面北侧实施钻孔灌注桩加三轴搅拌桩止水帷幕的方式，南侧采用SMW工法桩形式，在基坑底部实施双轴搅拌桩进行裙边加抽条的试工，另外在基坑内部采取两条三轴搅拌桩止水帷幕来进行抗内止水，见图3。支撑按照基坑深度不同采用一~四道支撑（详见表2），详细的围护参数详见表1。（图1、图2）

图1 地下通道四平面图

图2 地下通道四纵断面图

图3 地下通道四坑内止水帷幕位置图

表1地下通道四围护墙体及止水帷幕结构情况表

3.2 原基坑开挖方案

根据围护设计，深坑部分采用的坑底加固形式并未将坑底封堵，同时坑内的两道三轴止水帷幕将整个基坑分为三部分。为了保证坑内降水的效果，原方案将基坑以两道止水帷幕为界限分为三个分段来实施（分段详见图4），顺序为①→②→③。第①段内按深度不同分别设置了四道支撑和三道支撑，按照“先撑后挖、不得超挖”的原则，将表层的土方挖掉并进行第一道钢筋砼实施支撑（详见图4），开始实施第①段土方开挖工作，在第一个层面挖到深坑内部时，进行第一道钢进行底部支撑，并确保学超挖，并不挖除浅区的第一道钢支撑（详见图5），第一道钢支撑完成之后再挖第二层的土方直至深坑区，再进行第二道钢支撑，另外再将浅土区进行第一道钢支撑下挖除土方，再进行第二道钢支撑至浅区的第一道钢实施支撑，详见图6，依次循环钢支撑施工和土方开挖穿插流水作业直至坑底，浇筑垫层并施工地道结构。

图4 地下通道四表层土清理示意图（原方案）

图5 地下通道四①段第一层土方开挖示意图（原方案）

图6 地下通道四①段第二层土方开挖示意图（原方案）

表2地下通道四支撑及冠梁（围檩）相关信息

3.3 原基坑开挖的缺点

按照此方案开挖，虽然可行，但是在施工过程中会有很大的缺点：

①由于需要保留坑内止水帷幕使坑内封闭，分阶段施工需要增加多级放坡（详见图8）；多级放坡会增加坑底施工的危险性，特别是上海地区地质情况不佳且降雨较多，对于边坡的影响较大。②第②段的施工需等到结构底板完成，坑底封闭后实施，虽然第③段较浅且只有一道支撑可以与第②段一并实施，但是土方机械和钢支撑施工班组会重复进场，不但会导致成本增加，而且会导致工期增加。③分段施工作业极易导致结构班组窝工，同时因为分段导致底板不能连续浇筑，增加接缝处理对于地下结构的防水性能有很大的影响。

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图8 地下通道四①段第四层土方开挖示意图（原方案）

4 优化后的深基坑土方开挖方案及优点

4.1 围护设计方案优化

为了保证项目的进度和安全性，项目部与设计及业主方积极沟通，将深坑部分原来的裙边加抽条加固更改为满堂加固（详见图9），同时在浅坑底未封闭区域增加一个真空深井降低浅坑区域水位（详见图10），弱化坑内三轴止水帷幕的重要性。

图1 0地下通道四深井降水布置图

图7 地下通道四①段第三层土方开挖示意图（原方案）

图9 地下通道四深坑段满堂加固

同时，将整个长条基坑按照一个整体实施，每层土方以支撑道数为分界线划分为三个流水段（详见图11）。

深基坑的表面土方开挖完成后，第一道钢砼支撑要与原施工方案相一致，再进行第一层土方挖除至第一段第一道钢支撑，施工完成后再进行第一道钢支撑，另外，挖土深度不超过第一段的同时将第二段、第三段的土方挖除（详见图13）。

第二层采用类似的流水作业方式，依次挖除和施工第一段第二道钢支撑和第二段第一道钢支撑，因为整个基坑深度逐渐变浅，同时每道支撑间距在3m左右，可以只放一级坡。

在挖土过程中做好如下工作：

②将土挖至第一个基坑底的高度后，进行修土，及时浇筑砼垫层。垫层应延伸至围护结构边缘，并在基抗四面铺设地下排水沟，以免地下水进入坑内。

③深基坑四周设防护栏杆，四周安装安全防护栏杆栏杆高离地高1250m，下面水平栏杆离地500mm，贴地设120高挡脚板。人员上下基坑在两端头设两个固定爬梯。

④严格做好深基坑降排水。针对深基坑降排水要有专门的方案设计来保证实际工程设计的科学、合理、有效。基坑坡顶位置防排水通常会通过路面硬化截排水沟等方式实现，在施工过程中在基坑开挖时，很容易导致边坡变形，这就会形成地面的裂缝、坡顶位置的硬化，路面往往作为施工变道，导致施工车辆频繁边坡底面，极易存在相应的裂缝问题，不能够做好有效的防水措施，防水设施不足、排水量不足，地表水通过裂缝渗入后会引起到边坡变形，最终导致整个基坑破坏。所以在基坑排水工程设置过程中，需要按照严格的设计要求和设计方案执行，土方开挖过程中要严格落实具体土方开挖水位降低的处理问题，降水时要加强对于周边环境的监测，防止周边局部沉降，影响到了实际基坑工程的施工安全。

⑤相关施工工员要及时配合监管要求，严格按要求进行边坡的监控，及时发现存在的安全隐患，并向上级部门上报，及时处理好安全风险。

在做好上述工作的同时，随后依次挖除每层土方直至坑底施工底板结构。（图12-图16）

图1 6地下通道四第四层土方开挖示意图

图1 5地下通道四第三层土方开挖示意图

图1 4地下通道四第二层土方开挖示意图

图1 3地下通道四第一层土方开挖示意图

图1 2地下通道四表层土清理示意图

图1 1地下通道四每层土方分块示意图

4.2 优化后土方开挖方案的优点

方案优化调整的主要优点有以下方面：

①解决了多级放坡的安全隐患，因为每到支撑间距在3m左右，并且开挖的每层土方厚度越到浅埋段越小，所以施工过程中只需要放一道横坡，大大减小了施工的危险性。②各工序衔接更加流畅，因为每层土方分阶段一次性挖除，减少了重复进场作业，在综合考虑四个地下通道出入口流水作业的情况下，更加提高了施工作业效率。③保证底板连续浇筑的质量，优化后的方案较少了底板分段，使底板连续浇筑更容易实施，减少了接缝处理保证了结构质量。④工作面更大便于施工，跟原方案相比，各工序的施工作业面更大，穿插施工的影响更小，同时因为打通了浅埋段使得现场材料运输变得更加方便，减少了吊运材料的次数更加经济。

5 结束语

综上所述，现场施工方案的优化在节省施工成本、降低施工风险、加快施工进度方面一直有很大的作用，在实际现场施工前期策划过程中，项目管理人员应当多结合施工项目的实际情况来考虑各种常规施工方案的可行性，以便于选出更加适合项目的施工方案。该优化的施工方案通过了上海市科技委的评审，同时也得到了专家的认可，且在施工过程中对施工成本的节省、施工风险的降低、施工进度的加快方面也有了具体的体现。