软土复杂环境条件某主变电站深基坑设计

吕琦

（上海市地矿工程勘察（集团）有限公司，上海 200072）

0 引言

随着上海城市规模的不断扩大，深基坑工程［1，2］越来越多，周边环境也越来越复杂，基坑周边往往邻近大量建构筑物、城市干道及市政管线等［3，4］。而上海属于典型的软土地区，第四纪沉积物深厚且土层软弱，同时地下水位较高，并伴有潜水、微承压水、承压水等多层地下水分布，因此上海地区的深基坑开挖存在较大的难度和挑战［5］。

文中以上海轨道交通14号线某地铁站110kV主变电站项目深基坑工程为背景，介绍位于软土地区复杂环境条件下深基坑工程的设计思路与设计要点。

1 工程概况

1.1 基坑概况

项目位于上海市浦东新区，地下主体结构为全地下现浇钢筋混凝土结构，地上主体结构为1层变电房。工程±0.000相当于绝对标高4.450，自然地坪设计绝对标高为3.950，即相对标高为-0.500。基坑东西宽约37m，南北向长约73m，面积约为2672.4m2，总延长米约为215.8m，基坑形状较为规则；地下室底板面标高-18.900，底板厚度1300mm，垫层厚度300mm，普遍开挖深度为20m，属于深基坑工程。

1.2 周边环境

拟建场地位于浦东新区罗山路以西、昌邑路以南地块，场地周边均为已建道路及已有建（构）筑物，且距离较近，周边环境条件复杂见图1。

图1 基坑周边环境图

（1）基坑东侧开挖边线距离用地红线约10.2m，红线外为罗山路，道路宽约38m，道路下埋设有电信、燃气、上水等市政管线，距离基坑边线13.5～48.8m。罗山路上方为内环高架路-杨浦大桥见图2所示，杨浦大桥边线与基坑边线的最近距离约为23.7m，该大桥已建成21年，上部结构形式为连续简支T梁，下部结构桥墩采用双柱式或三柱式盖梁的结构形式。位于工程东侧的主要为EK1墩、EK2墩和EK3墩，EK1墩、EK2墩采用预制方桩（0.4×0.4）承台基础，桩长30m，持力层为⑦1-1层；EK3墩采用钻孔灌注桩（D=1.0）承台基础，桩长44m，持力层为⑦2层。

（2）基坑南侧开挖边线距离用地红线约13.3m，红线外为浦东大道，道路宽约30.0m，道路两旁埋设有上水管，距离基坑边线最近约23.3m。浦东大道道路下为已建成地铁站，车站采用地连墙的围护形式，桩基础采用800mm灌注桩，车站目前已施工完成，车站外墙线与基坑边线的最近距离约为20.60m，车站本体与工程之间有附属设施连接，工程施工阶段该车站尚未投入使用，附属设施与工程围护结构部分公用，且围护体同时施工，待主体结构出±0.000方开挖车站附属设施区域。

（3）基坑西侧开挖边线距离用地红线约4.5m，红线外为龙珠广场，其中龙珠广场下部设2层地下室，基底埋深约9m，上部设4层商业裙房及2个主塔楼-龙珠商务楼及龙珠公寓见图3，龙珠商务楼为24层，龙珠公寓为28层，主体结构为框架结构，基础形式为桩基础，桩基采用钢筋混凝土钻孔灌注桩，其中塔楼区域下部桩径为800，桩长39.5m；裙房区域下部桩径为600，桩长24.5m。龙珠广场围护体外边线与基坑边线的最近距离约为8.50m，地下室外墙线与基坑边线的最近距离约为11.80m。龙珠广场与工程之间埋设有电信、燃气等多种市政管线，距离工程基坑边线8.3～11.9m。

图3 西侧龙珠广场

（4）基坑北侧开挖边线距离用地红线约5.4m，红线外为昌邑路，道路宽约16.0m。昌邑路下埋设有电信、电力、燃气、上水等市政管线，距离工程基坑边线3.9～25.5m。

2 工程地质与水文地质

（1）拟建位于长江三角洲入海口东南前缘，属三角洲冲击平原，地貌形态单一。场地地势较为平坦，无明浜等地表水体分布，地面标高在3.88～4.00m之间。

（2）基坑开挖深度范围内主要影响的土层有①1层杂填土、②层粉质粘土、③层淤泥质粉质粘土、④层淤泥质粘土、⑤1层粉质粘土、⑥层粉质粘土、⑦1-1层砂质粉土、⑦1-2层粉砂、⑦2层粉砂；①1层杂填土结构较松散且土质不均；③层淤泥质粉质粘土及④层淤泥质粘土呈流塑状态，具有高含水量、高压缩性、高灵敏度、低强度等特征，为上海地区典型的软弱土层，易受扰动变形。基坑施工过程中易引起基坑周围土体发生较大的沉降、侧移以及基坑坑底隆起，进而导致基坑周边邻近建（构）筑物、道路和地下管网产生较大变形，影响其安全和正常使用，对基坑工程影响较大。土层主要物理力学性能参数见表1［6］。

表1 土层主要物理力学性能参数

（3）拟建场地地下水类型主要为浅部土层的潜水和深部粉（砂）土层中的承压水。潜水主要受大气降水及地表迳流补给，水位呈季节性变化，地下水高水位埋深按地表下0.5m考虑，低水位埋深按地表下1.5m考虑。承压水分布在⑦层砂质粉土、粉砂中，承压水含水层水位年呈周期性变化，承压水水位埋深的变化幅度一般在3.0～12.0m；场地内⑦层最浅层面埋深30.7m，承压水水头埋深按3.00m考虑，根据计算，抗突涌安全系数Ks=0.7，基坑存在突涌可能。

3 支护方案设计

3.1 工程特点与难点

（1）工程基坑开挖深度大，会引起土体较大变形；且基底以上开挖涉及的土层主要为深厚软弱粘性土，若不及时支撑，其流变特性会使变形更大。

（2）工程场地周边环境复杂，四周分布已建道路、建（构）筑物及多种重要市政管线等，位于基坑1～3倍开挖深度影响范围内，保护要求高。

（3）工程存在承压水突涌的可能，需设置减压降水井，但由于⑦层承压含水层厚度大，围护墙不能隔断承压水水力联系，基坑减压降水过程中需注意采取措施减小对邻近内环高架、道路、地下管线及已有建（构）筑物的影响。

根据工程的开挖深度、工程地质及水文地质条件、周边环境条件等，按照上海市工程建设规范DG/TJ 08-61-2010《基坑工程技术规范》及SZ-08-2000《上海地铁基坑工程施工规程》，基坑安全等级为一级，环境保护等级为一级［7，8］。

3.2 基坑支护方案

3.2.1 围护体系设计

针对工程的基坑开挖深度、面积、场地内的土层地质及周边环境等实际情况，在安全、合理、经济、可行的基本原则下，确定工程采用顺作法施工，基坑围护设计方案采用“两墙合一”地下连续墙［9］结合四道钢筋混凝土水平支撑的形式，支护剖面图见图4。

图4 基坑支护剖面图（单位：mm）

围护墙采用1.0m厚地下连续墙，地下连续墙混凝土设计强度等级为水下C35，抗渗等级P8，地墙有效长度48.0m，其中地墙-36.500～-48.750段采用构造配筋，桩端进入⑦2粉砂层。为加强止水，两幅地墙之间采用十字钢板接头连接。钢筋混凝土支撑体系采用边桁架结合角、对撑的布置形式，第一道支撑混凝土设计强度等级为C30，第二道支撑混凝土设计强度等级为C35，第三、四道支撑混凝土设计强度等级为C40。为便于施工，提高出土效率，第一道支撑中部对撑区域设置施工栈桥。具体支撑布置形式见图5，杆件参数见表2。

图5 第一道支撑平面布置

表2 支撑杆件参数

由于第四道支撑拆除之后，第三道支撑与底板面之间的距离为7.5m，跨度较大，易产生较大的变形，因此在底板周边利用内衬墙设置上翻钢筋混凝土牛腿进行换撑，以减小拆撑后的跨度，控制围护变形量。

3.2.2 地基加固方案

由于基坑开挖面位于软弱粘性土层中，施工过程中土层受到扰动后易产生较大变形，影响周边环境安全。为控制基坑变形，坑内被动区采用三轴水泥土搅拌桩进行裙边加固，加固宽度6.05m，水泥掺量：-1.300～-20.500标高范围水泥掺量为12%，-20.500～-24.000标高水泥掺量20%。加固桩与地墙之间空隙采用800@500高压旋喷桩填充，高压旋喷桩有效桩长22.70m。所有加固体在基坑开挖时，28d无侧限抗压强度须不低于1.0MPa。

3.2.3 基坑降水方案

工程需要处理的地下水为潜水和承压水。潜水赋存于浅部土层中，采用真空深井进行疏干。通过疏干浅部土层中的潜水，特别是对第③层和第④层淤泥质粘性土体的疏干，可以减少坑内土体含水量，提高土体稳定性，防止土体在开挖过程中发生纵向滑坡，方便挖掘机和工人在坑内施工，提高施工效率；同时可以提高坑内土体抗力，从而减少坑底隆起和围护结构的变形量，防止坑外地表过量沉降。

承压水分布在⑦层砂质粉土、粉砂中，采用降压井进行减压降水以确保基坑施工过程中的抗突涌稳定性，保证基坑开挖的安全。承压降水遵循“按需降压”的原则，在降水运行过程中随开挖深度逐步降低水头，控制承压水头与上覆土压力满足基坑稳定性要求，降低降水对周围环境的影响。由于工程基坑周边环境保护要求较高，且地下连续墙未隔断承压含水层，在基坑周边间隔10m设置一口回灌井，并遵循“按需回灌”的原则进行回灌，保证坑外建（构）筑物不发生较大沉降。

4 实施效果分析

工程在实施过程中，对基坑和周边环境进行了全面监测，包含围护墙体位移、支撑轴力、周边地表沉降、周边管线变形、邻近建（构）筑物、地下水位等。其中沿围护墙周边共布置17个测斜点，测斜点Q1～Q3位于基坑北侧，测斜点Q4～Q8位于基坑东侧，测斜点Q9～Q11位于基坑南侧，测斜点Q12～Q17位于基坑西侧。根据监测数据，基坑开挖至基底时，围护墙体各测斜点位移最大值在25～31mm之间，位移量最大处基本上位于桩身17～18m处，位移量最大值及围护墙体变形曲线与同济启明星深基坑支挡结构设计计算软件计算结果基本一致见图6。另外，由监测数据可以看出，基坑东侧变形大于其他三侧变形，分析原因是由于东侧设置了施工道路和材料堆场，且距离基坑较近，导致该侧在车辆动载和材料堆载作用下发生较大变形，因此在施工过程中应尽量控制周边荷载的大小以及与基坑之间的距离，避免对基坑造成不利影响。

图6 围护墙侧向计算位移与监测数据对比

每道支撑设置8个支撑轴力监测点，根据支撑轴力监测结果，第一道支撑最大轴力监测值约为3280kN，小于轴力监测报警值6400kN；第二道支撑最大轴力监测值约为9650kN，略小于轴力监测报警值10500kN；第三道支撑最大轴力监测值约为13162kN，接近轴力监测报警值13200kN；第四道支撑最大轴力监测值约为13137kN，接近轴力监测报警值13200kN。工程支撑杆件截面选取较为合理，支撑体系实施效果较好。另外，通过对基坑开始挖土至底板浇筑完成阶段两组支撑轴力监测点ZLi-4和ZLi-5（i代表第i道支撑，监测点位见图5）的轴力监测值进行分析可见，在此期间每道支撑轴力基本呈增长趋势，且每道支撑轴力在其下方土体开挖期间增长速率较快，待其下方一道支撑形成并受力后该道支撑轴力趋于平稳见图7、图8。同时由图7、图8还可以看出，第一道支撑～第四道支撑轴力在土方开挖阶段的增长速率由小变大，分析原因是由于第一道支撑至第四道支撑下方土体开挖量逐层减小致使每道支撑下土体开挖完成时间减短，支撑完全受力过程加快。

图7 监测点ZLi-4支撑轴力变化历时曲线

图8 监测点ZLi-5支撑轴力变化历时曲线

工程周边布设5组地表沉降监测断面，每组沉降监测断面设置3～5个沉降监测点，沉降监测点由基坑边2m开始布置，然后依次间隔5、10、10、15m布设。根据监测数据，地表沉降最大值约18～30mm见图9，其中东侧地表沉降大于其他侧地表沉降，分析原因是由于东侧邻近施工道路和材料堆场所致。另外，根据监测数据可知，位于一倍基坑开挖范围内的地表沉降较大，一倍范围之外的地表沉降逐渐减小。

图9 地表沉降监测数据曲线

龙珠广场周边布置了14个沉降监测点，其中靠近基坑侧的8个房屋沉降监测点下沉了约2～3.5mm，远离基坑的6个房屋沉降监测点上升了约1.5～3.5mm，均小于监测报警值20mm；房屋倾斜率0.46‰～0.99‰，小于监测报警值1‰。

根据杨浦大桥管理部门委托的第三方监测单位提供的数据，工程施工期间杨浦大桥桥墩沉降累计最大值为7.00mm，承台沉降累计最大值为8.44mm，均小于监测报警值20mm；承台水平位移累计最大值为1.94mm，小于监测报警值3mm。杨浦大桥作为上海内环高速架路的组成部分，是连接杨浦区与浦东区的重要通道，确保杨浦大桥的安全运营具有十分重要的社会意义。

周边煤气管线布置了M01～M14共14个监测点，监测点累计沉降普遍在10mm左右。北侧M02点达到22mm左右，分析原因是由于北侧昌邑路为施工车辆进出施工场地的主要通道且M02点临近场地出入口，施工车辆长期碾压所致；但该点与其相邻两点的差异沉降量小于0.3% Lg（Lg为管节长度），该段煤气管线整体沉降较均匀，且现场未发现管道破损、泄漏等情况，总体处于安全可控状态。另外，周边上水管布置了S01～S05共5个监测点，上水管累计沉降值在2.5～7.5mm；电力管线布置了DL01～DL05共5个监测点，其累计沉降值在1.5～10.0mm；信息管线布置了××01～××17共17个监测点，其累计沉降值普遍在3.0～10.0mm，仅××10与××14超过10mm，最大值为14.09mm，略大于监测报警值。

坑外地下水位共设置了4个监测点，水位变化量为-275～-752mm，坑外水位变化较小。

总体来讲，工程围护墙体的实际变形量与理论计算值较为吻合，除东侧变形略大于报警值外，其他侧变形均小于监测报警值。而且在项目实施过程中，周边的地表沉降、地下管线及邻近建（构）筑物等未出现大量报警，周边环境得到很好地保护，取得了良好的社会效益。这取决于合理的设计方案以及项目实施过程中采取的有效应对措施。

5 结语

文中通过对项目基坑支护方案以及实施效果的介绍，阐明了软土地区复杂环境条件下深基坑工程的设计思路和需注意的要点。

（1）对于工程地质差、周边环境复杂、开挖深度深的基坑工程，应注意支护体系的选型，可采用多种措施联合的方式控制基坑变形，保护周边环境。如采用刚度较大且整体性较好的地下连续墙结合混凝土支撑的支护体系；对坑内被动区土体进行加固以提高土体强度，增大被动区土体抗力；在底板设置上翻牛腿换撑以控制拆撑阶段的围护墙跨度。

（2）软土地区基坑降水往往对工程的安全、进度以及周边环境有较大影响，基坑工程实施过程中应做好止水、降水及回灌等工作。地墙之间可采用刚性接头连接以加强止水、减少渗漏风险；同时，适当加长地下连续墙嵌固深度以增加地下水绕流路径；周边环境复杂时可在基坑周边设置回灌井，当坑外地下水位下降较大时通过采用回灌措施保证坑外不发生较大沉降。

（3）施工过程中应注意控制基坑周边堆载及施工车辆行驶路线，尽量远离基坑布置，以减小对基坑及周边环境的影响。

目前项目已顺利竣工，项目实施过程中不仅确保了基坑安全，也很好地保护了周边环境，工程的成功实施以及从中总结的经验可为类似项目的设计与施工提供参考。