上海地区邻近保护建筑的深大基坑工程设计

吕 琦

（上海市地矿工程勘察（集团）有限公司 上海 200072）

0 引言

上海为典型的沿海软土地基城市［1］，地表浅层广泛分布深厚软土，具有含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度低等特点［2-4］，对工程建设十分不利。尤其是在上海市区进行深大基坑开挖，周边环境往往极为复杂，项目实施对环境影响十分敏感。

本文以上海市静安区某深大基坑工程为背景，介绍位于软土地区邻近保护建筑物的深大基坑工程的设计思路。

1 工程概况

1.1 项目概况

某项目位于上海市静安区，周边环境如图1所示。规划用地面积59 177.20 m2，总建筑面积270 905.98 m2，建设用途为商务办公及商业服务用地。地上部分包含4 幢新建22∕31F 高层办公楼、1 幢由保护建筑改造的1F公益会展中心，地下部分为2F车库，地下车库采用桩筏基础，工程桩采用ϕ600 及ϕ800灌注桩。

图1 项目周边环境Fig.1 Surrounding Environment of the Proposed Site

1.2 基坑概况

本工程±0.000 相当于绝对标高5.050 m，自然地坪设计绝对标高为4.100 m，即相对标高为-0.950 m。基坑总面积约为38 710 m2，外围总延长米约1 163 m，基坑形状极不规则。地下室普遍区域开挖深度为10.400 m，北侧降板区域开挖深度为12.40 m∕12.90 m；基坑内部存在若干集水井，深度为0.70～4.40 m。

1.3 周边环境

拟建场地原为某机器厂工业园区，场地内部大部分建筑物已拆除，但东侧保留原零部件车间厂房建筑（见图2），距离基坑开挖边线约11.3 m。零部件生产车间为单层钢筋混凝土排架结构，厂房高度约13.9～20.0 m，厂房采用钢筋混凝土柱，墙体为240 mm 厚粘土砖墙，基础采用柱下独立基础，基础底面埋深约1.88～2.21 m。零部件生产车间共分为A、B、C、D 四个区，各区上部结构相互独立，本工程将对A、C 区进行拆除，剩余B、D 区改造翻修成本工程会展中心区域。零部件生产车间具有一定的历史价值和艺术价值，保护要求较高。

图2 东侧零部件生产车间Fig.2 Parts Production Workshop on the East Side of the Foundation Pit

场地西南角保留原专家楼，距离基坑开挖边线约11 m。专家楼建于20 世纪70 年代，为2 层砖混结构，由东区与西区组成。西区基础形式不详，东区基础采用刚性大放脚砖基础，埋深为0.81 m。专家楼为遗存历史保留建筑，见证了中国履带式推土机技术研发和生产的历史与成就，具有一定的历史价值，保护要求较高。

另外，拟建场地东侧、北侧用地红线外为规划道路；南侧、西侧红线外为20～25 m宽规划公共绿地，绿地外侧为中环路高架及南北高架，距离基坑约30～40 m，道路下埋设信息、电力、给水、燃气等多种市政管线，距离基坑约20～40 m，位于2～4倍基坑开挖深度范围内。

2 工程地质与水文地质

⑴拟建场地位于东海之滨、长江入海口处，属长江三角洲冲积平原，场地地貌类型属滨海平原。场地内地面标高在4.54～3.81 m 之间，高差0.73 m，一般地面标高约4.10 m，地形较平坦。

⑵勘察深度范围内揭露的地基土均属第四纪沉积物，主要由粘性土、粉性土及粉砂组成。土层主要物理力学性能参数如表1［5］所示。

表1 土层主要物理力学性能参数Tab.1 Main Physical and Mechanical Parameters of Soil Layer

⑶场地内浅层地下水属潜水，主要补给来源为大气降水及地表径流，排泄方式主要为蒸发；潜水高水位埋深按地表下0.5 m考虑，地下水低水位埋深按地表下1.5 m考虑。承压水赋存在第⑦、⑧2、⑨1、⑨2、⑪层中，其中⑧2、⑨1、⑨2层承压水为连通状态。承压水水位呈周期性变化，水位埋深约3.0～12.0 m。根据计算，地下室普遍区域第⑦层承压水不会发生突涌情况，但大于2.0 m降板及深坑区域存在突涌的可能。

3 基坑围护方案设计

3.1 工程特点与难点

⑴本工程基坑面积大，开挖深度深，基坑形状不规则，且场地地质条件较差，施工过程中易引起较大变形。本工程基坑开挖范围内涉及的土层有①、②、③、③夹、④层，坑底基本位于④层中。①层杂填土土质松散且局部填土厚度较大，开挖时容易坍塌；③、④层为淤泥质土，呈饱和流塑状态，孔隙比大、压缩性高、强度低，易产生蠕变和剪切破坏，对基坑工程影响较大。

⑵拟建工程位于市区，场地周边分布高架桥、已建建筑物及多种重要市政管线等，环境条件复杂。尤其基坑东侧及西南侧邻近重要的保留建筑，根据房屋检测报告，保留建筑存在一定的体系缺陷、结构损伤等问题，房屋质量较差，保护要求高，变形要求严。

⑶本工程局部区域存在承压水突涌的可能，需进行减压降水，减压降水过程中需注意采取措施减小对周边环境的影响。

3.2 基坑围护方案

3.2.1 基坑分区设计

根据本工程的基坑深度、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《基坑工程技术标准：DG∕TJ 08-61—2018》，本工程普遍区域基坑安全等级为二级，北侧降板区域安全等级为一级，环境保护等级为二级［6］。制定围护设计方案时，根据本工程的特点，统筹考虑基坑安全及周边环境安全、场地条件、施工周期等因素，采取有针对性的围护方案，确保基坑工程的顺利进行。

由于本工程基坑规模大、施工周期长，若采用整体支护及开挖方案，则支撑杆件长度较大，影响支撑刚度，而且支撑整体形成所需时间较长，基坑无支撑暴露时间长，对保护周边环境不利。同时，整体开挖会造成一次性卸土方量过大，影响基坑及周边环境的安全性。另外，采用整体开挖方案会造成周边可利用空间较小，不便于施工道路及材料堆场的布置，影响施工进度。因此，本工程根据商业办公楼及酒店等主楼的位置，以及基坑的形状，对基坑进行合理分区，将基坑分为A、B、C、D 四区（见图3）。其中A 区基坑面积约12 594 m2，延长米约为482 m；B 区基坑面积约10 100 m2，延长米约为462 m；C区基坑面积约12 778 m2，延长米为503 m；D 区基坑面积约3 237 m2，延长米为263 m。

图3 基坑分区平面示意图Fig.3 Schematic Diagram of the Zoning of the Foundation Pit

分区后基坑规模由1 个大基坑划分为4 个小基坑，按照分区间隔开挖的原则可有效控制单批基坑卸荷范围，大大减小基坑长边效应的不利影响；而且分区后基坑轮廓较为规则，便于优化支撑平面布置，支撑体系受力更加合理，有利于控制基坑变形、保护周边环境［7-10］。

分区之后，4 幢主楼分别划分在3 个区中，1#、3#和4#楼工期较紧，所在分区A 区、B 区可优先施工，能最大程度满足建设单位的需求。同时，后施工区域可作为临时堆载场地，可一定程度缓解场地紧张，便于整个项目施工进度的统筹安排。

3.2.2 围护设计总体方案

分区后，根据基坑面积、开挖深度、场地地质条件及周边环境条件等，遵循安全、合理、经济、可行的原则，通过几种围护结构的比较，确定本工程采用顺作法施工，普遍区域基坑围护设计方案采用钻孔灌注桩结合三轴水泥土搅拌桩止水帷幕+2 道水平混凝土支撑的形式，局部降板区域设置第三道钢支撑。普遍区域围护桩采用ϕ900 灌注桩，桩长L=21.50 m，灌注桩嵌入坑底12.70 m，插入比1.22；止水帷幕采用ϕ850@600 三轴水泥土搅拌桩，桩长L=32.50 m。典型支护剖面如图4所示。

图4 基坑支护典型剖面Fig.4 Typical Sectional View of Foundation Pit Support （mm）

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。为便于施工，提高出土效率，第一道支撑设置施工栈桥。具体支撑布置形式详如图5 所示，杆件参数详如表2所示。

表2 支撑杆件参数Tab.2 Parameter of Support Member

图5 第一道支撑平面布置Fig.5 Layout Plan of the First Support System

3.2.3 邻近保护建筑侧围护设计方案

由于基坑东侧及西南侧紧邻保护建筑，变形控制要求严格，设计方案采取了针对性的处理措施，支护剖面如图6所示。

图6 邻近保护建筑侧基坑支护剖面Fig.6 Cross-sectional View of Foundation Pit Support on the Side of Adjacent Protected Buildings （mm）

具体处理措施如下：

⑴邻近房屋区域围护灌注桩桩径加大、桩长加长。普遍区域围护桩采用ϕ900灌注桩，桩长L=21.50 m；邻近房屋区域围护桩采用ϕ1 100灌注桩，桩长L=23.50 m，围护灌注桩插入比1.41。通过加大围护桩桩径提高围护墙的侧向刚度，控制基坑变形；通过加长桩长，控制坑内土体隆起及坑外地表沉降。

⑵坑外设置隔离桩。围护桩与保护建筑之间设置单排钻孔灌注桩作为隔离桩，隔离桩桩径ϕ700 mm，桩间距1.0 m，桩长21.00 m，桩底嵌入⑥层暗绿～草黄色粉质粘土中，桩顶设置900 mm×700 mm混凝土压顶梁将隔离桩连为整体。通过设置隔离桩在基坑与保护建筑物之间形成一道屏障，阻碍土体侧向变形传递及地表沉降。

⑶ 坑内被动区设置双轴水泥土搅拌桩裙边加固。由于基坑开挖面以上的土质较差，施工过程中土层易发生较大变形，因此对坑内被动区土体采用ϕ700@500 mm双轴搅拌桩进行加固以提高被动区土体强度，控制基坑侧向变形。第一道支撑底至第二道支撑底间加固深度5.55 m，水泥掺量8%；第二道支撑底至坑底以下4.0 m加固深度7.20 m，水泥掺量13%。

⑷中楼板B1板设置型钢斜抛撑换撑。由于地面与中楼板之间的高差约5.1 m，第一道支撑拆除后围护桩悬臂高度较大，易产生较大变形，因此在B1 板设置H400×400×13×21型钢斜撑换撑，斜撑间距7～10 m。斜向型钢换撑具有操作简便、施工速度快、受力可靠等优点［11］，有利于控制第一道支撑拆除后的围护桩变形。

⑸施工之前对保护建筑进行必要的加固。在工程桩与围护桩施工之前，先行采用静压锚杆桩对零部件生产车间厂房进行基础加固，静压锚杆桩长25.0 m，桩端位于⑥层暗绿～草黄色粉质粘土中。专家楼受现场条件限制未进行加固。

3.2.4 承压水风险评判与降水方案

本项目基坑开挖过程中局部区域存在承压水突涌的风险，但如若采取承压水减压，势必要采取措施维持坑外承压水稳定。为兼顾以上两方面问题，承压水降水设计从止水、降水、观测、回灌4 个方面进行全方位风险预防与控制。

基坑外围止水帷幕采用超深三轴水泥土搅拌桩，桩长32.5 m，穿过⑦层承压含水层，进入⑧1-1层相对隔水层1.0 m 以上，隔断坑内外水力联系。基坑开挖前通过抽水试验确定承压水头实际标高，并根据勘察报告进一步摸清⑦层埋深变化分布规律，结合基坑挖深变化分布，合理布置一定数量的坑内减压井，并严格遵循“按需降压”的原则进行降水。同时，对坑内局部落深坑采用高压旋喷桩封底加固，尽量减小减压降水范围。另外，在坑外设置水位观测井兼做回灌井，对水位变化、地面沉降等密切监测，若坑外出现承压水水位异常下降、地面沉降异常加大等情形，可采取坑外回灌措施，减小对周边环境的不利影响。

通过以上多种措施，最终本工程基坑施工过程中未产生承压水突涌等问题，周边地表未出现较大沉降，很好地保护了邻近建筑物。

3.2.5 设计工况

本工程首先施工邻近保护建筑处隔离桩，待保护建筑隔离桩养护达到设计强度的80%后，施工工程桩及基坑围护结构。围护体完成后进行基坑降水，然后开挖A 区、B 区土方并进行地下结构施工，待A 区、B 区顶板及顶板换撑完成后，进行C 区、D 区土方开挖及地下室结构施工。待C 区、D 区顶板与A 区、B 区顶板连成整体后，由上至下分段凿除分隔桩，将分隔桩两侧中楼板与底板连接为整体。

4 工程实施效果

本工程在实施过程中，对围护墙体深层水平位移、支撑轴力、支撑立柱沉降、周边地表沉降、邻近建筑物沉降、周边管线变形、坑外地下水位、周边高架桥等进行了监测。以下主要对邻近保护建筑区域的围护墙体深层水平位移、保护建筑物的沉降及基坑周边地表沉降情况进行介绍。

设计阶段采用同济启明星深基坑支挡结构设计计算软件进行剖面计算，根据计算结果，邻近保护建筑物区域围护墙体深层水平位移最大值为27.5 mm，水平位移最大值基本上位于桩身9～10 m 处。根据现场监测结果，基坑工程完成时邻近保护建筑物区域围护墙体深层水平位移最大值24～31 mm 之间，与理论计算最大值接近，且现场监测实际桩身变形曲线与理论计算变形曲线基本一致，如图7所示。

图7 围护墙体深层水平位移计算值与监测数据对比Fig.7 Comparison of Lateral Displacement between Calculation Data and Monitoring Data on Retaining Wall

基坑周边的保护建筑布置了36个沉降监测点，其中零部件生产车间周边布置了F1～F30 共30 个，专家楼周边布置了F31～F36 共6 个。根据监测数据，零部件生产车间沉降量普遍在10～20 mm 之间，未达到监测报警值，如图8所示。由图8可知，基坑开挖阶段房屋沉降量较大，地下室底板浇筑完成后房屋沉降逐渐趋于稳定。另外，专家楼沉降量与零部件生产车间沉降量相比普遍偏大，部分监测点沉降量超过报警值。初步分析是由于专家楼未采取适当的加固措施，同时专家楼邻近基坑阳角处，且西南侧基坑边界与支撑轴线夹角较小，不利于支撑发挥作用。

图8 零部件生产车间沉降监测数据曲线Fig.8 Curve of Settlement Monitoring Data in Parts Production Workshop

本工程周边布设21组地表沉降监测断面，每组沉降监测断面设置5 个沉降监测点，沉降监测点由基坑边2 m 开始布置，然后依次间隔3 m、5 m、5 m、7 m 布设。根据监测数据，地表沉降量普遍在10～25 mm 之间，未达到监测报警值26 mm。但个别沉降监测点数据达到40 mm 左右，沉降量较大（见图9），分析原因是地表沉降监测点临近栈桥出入口，重型车辆通行量大，致使下沉量明显大于其它区域。由图9可见，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。另外，由地表沉降监测历时曲线图可知，施工过程中坑外地表整体呈现下降趋势，基坑开挖期间沉降量较大，地下室底板浇筑完成后地表沉降量逐渐减小，如图10所示。

图9 地表沉降监测数据曲线Fig.9 Curve of Surface Subsidence Monitoring Data

图10 地表沉降监测历时曲线Fig.10 Duration Curve of Surface Subsidence Monitoring Data

项目实施过程中，在参建各方的共同努力下，本工程得以安全、顺利完成，邻近保护建筑物、地下管线、高架桥等周边环境得到很好地保护，达到了预期目标。

5 结论

本工程为软土地区的深大基坑，基坑形状不规则，场地地质条件差，周边环境复杂，且紧邻重要保护建筑物，变形要求严格，保护要求高。

项目实施过程中，通过合理分区将基坑由大化小，通过间隔开挖、分区实施的方法减小了时空效应对基坑及周边环境的不利影响。同时通过采取有针对性的处理措施，如设置隔离桩、加强围护结构、加固坑内被动区土体、设置斜换撑控制桩顶变形等，进一步控制基坑施工阶段的变形，有效地保护了周边环境。本工程的成功实施为软土地区类似深大基坑项目的设计与施工提供了参考。