外形不规则超大面积深-浅基坑施工的优化

徐能成

上海南汇建工建设（集团）有限公司 上海 201399

超大型深基坑工程的时间效应和空间效应较为明显，特别是深-浅基坑组合形式的存在，基坑围护设计从经济、安全等角度出发，往往采用多种支护方式形成组合式围护体系。由于各种支护方式变形规律不一，使得基坑变形机理更为复杂 ，给深基坑施工带来了诸多不确定因素[1-6]。

针对存在深-浅基坑和多种支护方式的特点，本文详细阐述了在深基坑施工过程中，通过合理安排组织施工，做到精准地分区分块，进行优化基坑施工流程，严格执行深坑影响区域的浅坑与深坑之间的联动施工。本基坑结合监测数据分析，取得了较为良好的效果，有效地控制了基坑围护的变形，也发现了一些变形的规律。

1 工程概况

1.1 工程建设概况

上海国际医学园区生物医药加速器（一期）项目，总建筑面积约115 000 m2，其中地上建筑面积约82 820 m2，地下建筑面积约32 180 m2。主要由11幢6层、2幢4层的钢框架高标准厂房及地下车库组成。工程桩采用长23 m、φ500 mm的PHC预应力管桩，局部采用长为24 m、φ600 mm的钻孔灌注桩。

1.2 周边环境概况

基坑东侧靠近康新公路，道路两侧埋有雨水、电力等市政管线；南侧为五灶港河，距离基坑开挖边线最近为18.9 m；西侧为景观纵三河，距离基坑开挖边线最近为11.1 m；北侧为紫萍路，距离基坑开挖边线约27 m，道路及绿化带埋有市政管线。

1.3 基坑分区概况

基坑分为A坑能源站区域和B坑车库区域，其中A坑面积约3 264 m2，B坑面积约28 916 m2。A坑底板厚1 000 mm，普遍开挖深度为11.85 m，B坑底板厚450 mm，普遍开挖深度为6.75 m。

1.4 基坑围护概况

本工程基坑支护形式主要有4种（图1），形成组合式围护体系，具体如下所述。

图1 基坑围护平面布置

1.4.1 A坑围护体系

采用“钻孔灌注桩＋三轴搅拌桩止水帷幕”的支护方式，内设2道钢混凝土支撑，首道支撑中间设置1座栈桥。

钻孔灌注桩φ1 000@1 200 mm，桩长24 m；三轴搅拌桩φ850@600 mm，桩长17 m，水泥掺量20%。

1.4.2 B坑围护体系

1）东、南、西侧采用“SMW工法桩＋前撑式注浆钢管斜撑”的支护方式，止水帷幕采用φ850@600 mm三轴搅拌桩，桩长14.25、17.25、20.25 m，水泥掺量20%，插入型钢为H700 mm×300 mm×13 mm×24 mm，桩长15.00、18.00、21.00 m。

2）3处转角部位采用“SMW工法桩＋1道钢混凝土角撑”的支护方式。

3）北侧区域采用二级放坡开挖，止水帷幕采用φ700 mm@500 mm双轴搅拌桩，桩长11 m，水泥掺量13%。

2 特点、难点分析

1）基坑超大超深，外形不规则，变形控制要求高。本工程属于超大超深基坑，基坑外形不规则，形状近似呈“公鸡形”，且存在多处直角、阳角部位。由于基坑阳角部位对变形较为敏感，成为了一个危险源，因此对基坑变形控制要求较高。

2）深-浅基坑相连，存在较大落差，合理组织施工是重点和难点。A坑与B坑相连，深-浅坑落差超过5 m，中间以1道支护墙进行隔离。相邻基坑不同开挖面积和开挖深度卸荷偏压的时空特性，将对支护体系的受力变形和周围地层变形产生一定的影响。因此如何合理安排组织施工，严格执行A坑影响区域的B坑与A坑联动施工，且避免因B坑靠近A坑区域的施工而导致A坑围护的失稳，是重中之重。

3）基坑围护存在多种支护方式的组合式围护体系。本工程基坑支护形式复杂多样，不同部位采用不同的支护方式，主要由SMW工法桩、钻孔灌注桩＋三轴搅拌桩止水帷幕、前撑注浆钢管斜撑等支护方式组成整个围护体系，不同的支护方式存在不同的施工技术要求和变形规律，给施工带来了难度。

3 总体施工部署和施工流程

3.1 总体施工部署

鉴于本工程深坑和浅坑相连的特点，将基坑划分为3个施工区域（图2），配3套施工班组实行分区同步施工，按照各区1—6的先后顺序组织有序施工。

图2 基坑分区示意

3.2 施工流程

总体流程：先形成A坑封闭围护，由A坑西南角逆时针施工三轴止水帷幕，然后进入B坑，按先施工西侧，再施工南侧，后施工东侧及东北角的总体流向。

1）A坑三轴搅拌桩止水帷幕和B坑SMW工法桩采用1台桩机施工，先施工A坑三轴搅拌桩，后施工B坑SMW工法桩，并配备1台履带吊插H型钢。

2）A坑三轴搅拌桩止水帷幕施工时，根据三轴搅拌桩桩机的进尺，随后施工双轴搅拌桩坑边加固。再根据双轴搅拌桩的进尺，搭接施工A坑围护钻孔灌注桩。B坑SMW工法桩施工后，跟进搭接施工双轴搅拌桩坑边加固，并穿插施工立柱钻孔灌注桩。

3）每一区域的围护钻孔灌注桩桩间压密注浆，在围护桩和坑底双轴搅拌桩加固施工完毕后跟进施工。

4）施工前撑式注浆钢管斜撑。

5）跟进分段施工围檩、第1道混凝土支撑。

6）基坑预降水约3周，A坑开挖第2层土，施工第2道混凝土支撑。

7）A坑第2道混凝土支撑达到设计强度后，开挖A坑第3层土，再浇筑基础底板及传力带、垫层。

8）A坑基础底板和传力带达到设计强度后，拆除第2道混凝土支撑，施工换撑体系。

9）A坑拆除第1道支撑，施工地下1层主体结构。

10）B坑分区开挖，分区拆除前撑式钢管、角撑，分区施工地下1层主体结构。

11）拔除SMW工法桩H型钢，并跟踪注浆。

4 关键施工技术

4.1 前撑式注浆钢管斜撑

4.1.1 沉桩顺序

基坑南侧部位由东到西→基坑西侧部位由南向北→基坑东侧部位由南到北

4.1.2 主要工艺流程

场地平整→沟槽开挖→孔位测量→成孔→钢管管体加工制作→钢管打设→钢管注浆→填芯和补浆→钢管与圈梁连接处锚节点制作→后续圈梁施工、配筋垫层施工等

4.1.3 技术参数

前撑式注浆钢管斜撑为φ325 mm×8 mm，倾斜角度45°；水泥采用P·O 42.5水泥，水灰比0.5～0.6，宜取0.55；碎石为20～40 mm级配碎石。

4.1.4 施工控制要点

1）钢管加工制作。前撑式注浆钢管下料长度，误差不大于50 mm，壁厚误差应小于1 mm。第1节钢管的首端焊接十字桩尖，末端焊接长200 mm、φ351 mm×10 mm的外套管；第2节钢管的一端焊接长200 mm、φ351 mm×10 mm的外套管，作为2节钢管之间的连接，坑底附近及以上的部位外套管长度为300 mm。

2）注浆工艺。采用约束式工艺，根据钢管长度设置3个约束体，第1、第2个约束体设置在底部（图3），第3个约束体设置在第2节钢管靠上一点，每个约束体长度3 m，外侧包有囊袋。结合工艺要求布置出浆孔，每个约束体设置出浆孔数量不少于8个，孔径为8～10 mm。

图3 钢管加工示意

3）钢管施打。注浆钢管成孔采用振入注浆式，孔位偏差≤50 mm，孔角偏差≤1%。采用机械手振入至设计桩长，单节长度结合现场情况，一般控制在6～12 m，本工程长27 m的前撑钢管由3段且每段长9 m的钢管组成。

4）前撑式注浆钢管穿越地下室底板处（图4），设置厚6 mm、600 mm×600 mm的止水钢板，止水钢板与钢管进行满焊。

图4 前撑注浆钢管穿越基础底板止水示意

5）钢管注浆。采用分段＋约束式注浆工艺，按约束体位置由下到上依次单独实施，每根钢管注浆次数为2～3次，每次注浆间隔时间宜为15 min以上。注浆量≤150 L/min，注浆最终完成的标准，以单根桩水泥用量或最终注浆压力控制。单根φ325 mm桩水泥用量≥6 t，或最终注浆压力≥2 MPa。

6）填芯和补浆。注浆完成后，钢管斜撑内填满20～40 mm的级配碎石，并用纯水泥浆液进行满灌。

7）锚节点焊接。锚节点钢筋焊接必须满焊，保证焊缝质量。

8）完成后的前撑式注浆钢管的施工质量要求为：定位误差±50 mm，长度误差±100 mm，标高误差±50 mm，倾角误差±5°

9）检测试验。前撑式注浆钢管检测试验数量为3根；静载试验应在圈梁浇筑14 d以后，或圈梁混凝土强度达到设计值的80%，且注浆钢管完成21 d后方可进行。

10）前撑式注浆钢管拆除。在相应区域地下室底板及其传力带形成并达到强度后，经过设计复核允许，满足周边环境保护要求之后，方可实行间隔性拆除。

4.2 深井降水

4.2.1 降水井布置原则

本工程整个基坑布置采用真空深井降水，单井的控制面积约为220 m2。即疏干井成井数量共147口，其中井深12.5 m的为130口、18.0 m的为17口，各井点管间距约15 m。

4.2.2 降水井结构

A坑区域井深为18.0 m，B坑区域井深为12.5 m。孔径均为650 mm，井管和过滤器外径均为273 mm，过滤器为圆式的冲孔过滤器，外包30～40目（孔径0.50～0.35 mm）的滤网，管外回填滤料，上口2.0 m范围内用黏土进行填实封闭。

4.2.3 减压井设置

本基坑底设计标高以下存在较厚的承压含水层，开挖过程中为防止基坑发生突涌现象，须有效控制承压水水头埋深。按勘察值对第⑦层承压水安全水位进行计算分析，对A坑区域3.3 m落深基坑底开挖有不利影响，因此对第⑦层承压含水层需作泄压处理。因此，A坑区域内部均匀布置3口减压井，减压井井深为34.5 m。

减压井抽水派人全天候值班，并做好抽水记录，包括降压深井水头降幅和涌水量，并绘制好降水深度-时间曲线，以便掌握抽水动态，以此指导基坑降水在最优、最合理的范围内运行。减压井在地下室施工至上覆压力和地下水头的顶托力平衡后，方可停止降水。

4.3 土方开挖

土方开挖阶段对基坑围护的变形影响最大，也是最危险的施工阶段，本工程基坑开挖深度较深，其中A坑普遍开挖深度11.85 m，B坑普遍开挖深度6.75 m，开挖量也较大，总土方开挖量约22万 m3。既要减少基坑围护变形，确保基坑围护安全，同时又要考虑施工进度，因此合理安排开挖流程及顺序显得尤为重要。

4.3.1 施工流程

1）A坑：开挖第1层土方→施工第1道支撑→开挖第2层土方→施工第2道支撑→开挖第3层土方→施工垫层。

2）B坑：开挖第1层土方→施工第1道支撑→开挖第2层土方→施工垫层。

4.3.2 施工控制要点

1）分区分块：A坑、B坑分一、二、三区3个独立的挖土班组同时作业，再根据A坑、B坑不同的施工工况，A坑采用盆式挖土，B坑采用跳仓式挖土。3个区各分为6块，分别按顺序同时开挖，总体流向均为由南向北。

2）B坑内的一区-5、一区-6分块贴近A坑，而距A坑50 m内土方须等A坑斜抛撑换撑完成后方可开挖。

3）分层开挖：A坑基坑垂直方向实行3层土方开挖，B坑基坑垂直方向实行2层土方开挖。第1层土方开挖厚度为1.80 m；A坑第2层土方厚度5.60 m，分2皮开挖，每皮2.80 m；A坑第3层土方厚度4.45 m，分2皮开挖，每皮2.20 m；B坑第2层土方厚度4.40 m，分2皮开挖，每皮2.20 m。

4）坑中坑土方开挖：待A坑第3层和B坑第2层土方开挖至垫层面时，留200 mm，及时跟进基坑集水井和电梯井等落深区的土方开挖，开挖深度最深处落深2.7 m。

5）开挖过程中严格控制开挖面的高差，严禁超挖。最下层土方开挖时，混凝土垫层随挖随浇，暴露时间不超过24 h。

4.4 基坑监测分析

从基坑安全施工的监测角度分析，对围护墙体进行测斜和位移、周边环境的安全监测，是基坑监测工作的重点。本基坑经过近16个月的监测表明，在开挖阶段极少数监测点变形量超过了设计的报警值，但通过采取相应的变形控制措施后，基坑始终处于受控状态，安全稳定，对周边环境未产生任何不良影响。

4.4.1 周边管线监测

污水管线累计最大变化量为－6.03 mm，电力管线累计最大变化量为－5.25 mm，燃气管线累计最大变化量为－10.51 mm（M2测点），仅燃气管线1个测点稍稍达到设计报警值10 mm。

4.4.2 围护墙顶位移监测

垂直位移累计沉降量在－33.16～1.80 mm，所有测点均未超设计报警值40 mm。水平位移累计沉降量在9～40 mm，所有测点均未超设计报警值40 mm。

4.4.3 支撑轴力监测

A坑区域第1道支撑轴力值9 009 kN，超过设计报警值8 000 kN，第2道支撑轴力值8 860 kN，未超过设计报警值12 000 kN；B坑区域支撑轴力值3 719 kN，未超过设计报警值8 000 kN。

4.4.4 墙体测斜监测

墙体位移点超过设计报警值40 mm，其中B坑区域位移量最大67.9 mm，底板浇筑后位移速率减小，基本处于稳定状态。

4.4.5 地表垂直位移监测

地表垂直位移累计下沉量在－13.13～－1.17 mm之间，所有测点均未超设计报警值30 mm。

5 结语

针对本工程基坑深-浅、开挖面积较大及采用组合式围护体系的特点，通过合理组织安排，进行分区施工，优化施工工艺，既保证了施工进度要求，又确保了围护结构的安全，对周边环境未造成不良影响。对监测数据的分析可知，本工程深基坑施工实施效果较为良好，达到了预期目标，可为今后类似工程提供借鉴。