浅析基坑工程方案优化设计

浅析基坑工程方案优化设计

范桦

上海建瓴工程咨询有限公司上海200002

摘要：本文结合上海新江湾城N091101单元地块基坑工程设计方案，提出了对该设计方案中一些问题的思考和建议。在此基础上，进一步探讨了在确定基坑工程总体设计方案时，如何结合业主对项目的开发需求，从基坑工程的安全性、周边环境的保护以及技术经济性等方面进行综合分析比较，从而确定出最为安全合理的基坑支护结构设计方案。

关键词：基坑工程；设计方案；优化设计；基坑安全；技术经济

Analysisoffoundationpitschemeoptimizationdesign

FANHUA

(ShanghaiJianlingEngineeringConsultingCo.,Ltd.,Shanghai200002)

Abstract：ThispaperpresentsdesignschemeoftheNewJiangwanN091101plotinShanghai.Somedesignconsiderationsandsuggestionswereproposed.Accordingtotheclient’sdemands,severalschemesarecarefullycomparedfromaspectsonsafety,environmentprotectionandeconomyandareasonableschemewasgiven.

Keywords：excavation;designscheme;optimizationdesign;pitsafety;technicaleconomy

0引言

随着城市建设的高速发展，高层建筑越来越多。近些年，上海地区基坑工程呈现“深、大、紧、近”等特点。将商业休闲服务功能和步行、停车等交通功能有机结合的大规模地下综合体频频出现，使得面积在10000~50000m2的超大面积基坑工程越来越多，如上海铁路南站北广场，基坑开挖面积达40000m2。同时基坑开挖深度越来越大，深度达到20~30m的超深基坑也越来越多，如上海环球金融中心、上海世博500kV地下变电站等[1]。大规模基坑工程的出现给工程师们提出了新的挑战。

基坑工程的总体方案设计作为实现工程技术经济性至关重要的一环，值得工程技术人员乃至投资方密切关注。设计方案总体选型的合理与否对工程实施的安全性和经济性起到关键性的作用[2]。在开展基坑工程总体方案设计时，应首先对基坑工程在安全性、周边环境保护以及技术经济性方面的要求进行充分研究；同时，基坑支护结构方案设计也应利于节约资源，符合可持续发展的要求，实现综合的经济和社会效益。

本文结合杨浦区新江湾城N091101单元地块基坑工程设计方案，提出了对该方案中一些问题的思考和可能的优化建议，在此基础上总结在基坑工程设计中，如何结合业主对项目的开发需求，确定出安全可靠且技术经济的支护结构设计方案。

图1基坑平面布置图

Fig.1Planeviewofthefoundationpit

1工程简介

1.1工程概况

新江湾城N091101单元地块项目位于上海市杨浦区。地上主要包含多栋多层住宅，地下主要为一至两层地下停车场。建筑整体采用桩筏基础。

本工程基坑总开挖面积约37700m2，总周长约780m，基坑主体挖深地下1层约6.20m，地下2层约10.20m。各基区域挖深、面积及周长见下表1。结合业主开发顺序，本工程围护平面分区如下：地下1层区先施工（由南往北推进），待地下1层区地下结构出±0.000后施工北侧地下2层区，基坑分区平面如图1所示。基坑周边环境条件较为宽松，除南侧邻近河道外（与河道最近距离约12m，约两倍基坑开挖深度），其余各边基坑实施期间均为空地。

1.2工程地质概况

场地属长江三角洲入海口滨海平原地貌。地下一层区基底处于③2层砂质粉土层，地下二层区基底处于③3层灰色淤泥质粉质粘土层。基坑浅部分布较厚的③2砂质粉土层，渗透性较好，在水头压力作用下基坑开挖过程中易出现漏水、流砂、管涌等不良地质现象。基坑开挖深度范围内均匀分布有③3、④层淤泥质土，具有孔隙比大、含水量高、灵敏度高、强度低、压缩性高等不良特性，同时具有蠕变性和流变性特点，基坑开挖时，易发生坍塌。

场地地下水由潜水和承压水组成，地下水补给来源主要为大气降水和地表径流。浅部地下水属潜水类型，水位埋深一般在0.3~1.5m。地内⑤21层分布有微承压水，承压水水位埋深约3.0m~12.0m。场地⑤21层面埋深最浅约23.9m，本工程地下2层区基坑挖深10.20m，计算其抗突涌稳定性系数Pcz/Pwy=1.15＞1.05，满足规范要求[3]。该层微承压水头不会对基坑底板造成突涌影响。

2基坑支护设计方案

2.1地下一层区支护结构设计

地下一层区基坑挖深约6.20m，面积约27700㎡。本工程支护采用“土工法+斜撑”方案。围护采用双轴水泥土搅拌桩内插H型钢的方式，2排14.0m长2Φ700@1000双轴水泥土搅拌桩，内插14.0m长H500×300×11×18@1000型钢。地下1层区支撑采用“角撑+钢管斜撑”的方案。常规钢管斜抛撑工艺须在坑边留土，坑内设置后浇带（施工缝），底板分两次浇筑。本工程主楼基本全部沿基坑边分布，采用常规斜抛撑工艺后浇带（施工缝）将会切主楼底板，若斜抛撑加长更会增加支撑、立柱、连杆等费用，经济性差。本工程创新性的采用了“前撑式抗压注浆钢管桩”支撑体系。该工艺有以下优点：施工速度快，可实现土方敞开式开挖，施工工期大大节约；无支撑施工、养护和拆除工况，地下结构施工可连贯进行；无换撑工序，节约成本及工期；支撑可在基坑回填后拆除，基坑变形完全可控。地下一层区支护结构剖面如图2所示。

2.2地下二层区支护结构设计

地下二层区基坑挖深约10.20m，面积约10000㎡。本工程支护采用“SMW工法桩+两道钢筋混凝土支撑”方案[4]。基坑周边采用φ850@1200三轴搅拌桩，内插H700×300×13×24型钢，插二跳一，搅拌桩有效长度21.2m，型钢有效长度22.0m，围护剖面如图3所示。

2.3地下一层和地下二层高低差区支护结构设计

围护采用落低钻孔灌注桩，采用φ850@1200三轴搅拌桩进行隔水，有效长度10.0m，搅拌桩水泥掺量20%。挡土结构采用φ700@900钻孔灌注桩排桩，钻孔灌注桩有效长度为12.0m。地下2层区首道支撑利用地下1层区结构顶板，地下2层区第二道支撑撑在落低灌注桩顶圈梁上。围护典型剖面图见下图4所示。

3优化设计

3.1施工工序优化设计

本工程业主对地下一层区施工进度要求较高，设计方案中提出待地下一层区主体结构施工出地面后，再开挖地下二层区基坑。当地下二层区开挖至基底时，地下一层结构面临着南北两侧土压力不平衡，可能出现整体倾覆破坏的风险。地下一层区桩基承受着由于土压力不平衡带来的剪力作用。此时地下一层区如果迅速向上施工地上结构，会增加桩基的整体应力水平，可能造成工程桩的破坏。此外根据土力学的基本原理，对于地下一层区底部土体，上部施工会增大其竖向主应力水平，邻近地下二层区基坑开挖卸荷则会减小土体的水平向偏应力水平，两者差值越大，土体所受剪切应力也就越大，土体接近于发生剪切破坏，进而影响上部结构的安全和稳定性。因此，对于地下一层区域内、邻近临时隔断围护桩的地上结构，建议在地下二层区域内的底板施工完成后，再进行向上施工。此时地下二层区域内的底板可提供较大的抗力作用，从而避免地下一层区结构发生整体倾覆。

3.2围护结构优化设计

地下一层区：本工程浅部分布较厚的③2砂质粉土层，渗透性较好，在水头压力作用下易发生管涌、流砂等不良地质现象，对基坑施工有一定影响。围护结构采用土工法桩，利采用双轴水泥土搅拌桩抗渗隔水。双轴水泥土搅拌桩最为隔水帷幕存在以下问题：（1）成桩质量和均匀性较差，成桩垂直精度也较难保证；（2）施工中很难保证相邻桩之间的完全搭接；（3）施工过程中一旦遇到障碍物，钻杆易发生弯曲，影响搅拌桩的隔水效果；（4）在较硬的粉土或砂性土中搅拌较困难，成桩质量差。因此，地下一层区域基坑周边的双排双轴水泥土搅拌桩建议调整为三轴水泥土搅拌桩，以确保施工质量和围护结构较好的隔水封闭性。

图4高低差区支护结构剖面图（单位：m）

Fig.4Thesupportingsystemprofileofthefallarea

地下二层区：本工程由于业主的开发建设需求，先施工地下一层区，待地下一层区主体结构施工出地面后再开始实施地下二层区。实际基坑工程实施过程中为避免施工设备二次进场，应首先完成基坑周边所有围护结构的施工，地下二层区如采用SMW工法桩，由于需待地下一层区施工完成后再行施工，会造成H型钢租赁工期较长，从而失去SMW工法桩的经济性优势，建议改为“灌注排桩+三轴水泥土搅拌桩止水帷幕”的围护形式。

3.3支撑体系优化设计

本工程地下二层区第二道支撑在临时隔断位置利用地下一层区的基础底板作为受力支座。该支撑方式虽然有利于第二道支撑的受力和控制基坑变形，但不利于地下一层区域的底板与地下二层区域结构的连接施工。本工程周边环境条件较为宽松，临时隔断排桩的压顶梁及第二道支撑落低至地下一层底板底以下，从上海地区的实际施工经验来看，同样可以保证基坑支护结构的内力变形要求。此时应注意第二道支撑的内力变形验算需考虑各边水平荷载的差异。因此建议临时隔断排桩的压顶梁及第二道支撑落低至地下一层底板底以下，以便地下一层区域的底板与地下二层区域结构的连接施工。地下一层区：本工程创新性的采用了“前撑式抗压注浆钢管桩”支撑体系。该支撑体系虽解决了本工程主体结构施工过程中存在的问题，但在上海地区尚无成熟的应用经验，注浆钢管桩的承载能力只能参照抗拉锚杆的计算模式确定。此外，钢管桩注浆段位于③3淤泥质粉质粘土层和④层淤泥质粘土层中，该土层具有孔隙比大、含水量高、灵敏度高、强度低、压缩性高等不良特性，同时具有蠕变性和流变性特点。基坑实施期间由于土体的蠕变特性同样可能造成抗压注浆钢管桩斜撑体系承载能力的降低，无法有效控制基坑变形。为保证该支撑体系能够有效发挥抵抗围护结构变形的作用，进而确保基坑实施的安全，建议基坑实施前对注浆钢管桩通过抗压试验、蠕变试验等现场试验进一步检验其实际所能发挥的抗压承载能力。地下二层区：原支撑平面支撑布置如图5所示，在若干基坑阳角区域缺少双向支撑杆件约束，不利于控制基坑变形，也不利于支撑和邻近地下一层区基础底板的受力，建议调整或增加对撑杆件予以控制。此外，部分角撑在围檩位置的跨度等于或大于10m，建议控制于9m以内，从而改善支撑体系的受力。

图5原支撑平面布置图

Fig.5Profileoftheoriginalsupportingsystem

4结论

本文结合上海新江湾城N091101单元地块基坑工程设计方案，提出了对该设计方案中一些问题的思考和建议。主要结论如下：

（1）在确定基坑工程总体方案设计时，应结合业主对项目的开发需求，从基坑工程的安全性、周边环境保护以及技术经济性等方面进行充分的综合分析研究。在满足业主需求的同时，保证基坑实施的安全，并合理控制工程造价。（2）确定基坑设计方案的基本准则是保证基坑实施的安全。本工程原设计方案中地下一层区主体结构施工出地面后，再开挖地下二层区基坑。该构想虽满足业主的开发需求，但带了基坑的潜在安全隐患，应采取有效措施加以控制。围护结构双排桩止水帷幕设计虽节省工程造价，但并不利用围护结构的隔水封闭性，因此建议改为三轴水泥土搅拌桩止水。（3）好的基坑设计方案应充分考虑基坑实施过程。基坑实施过程中为避免施工设备二次进场，通常首先完成基坑周边所有围护结构的施工。因此地下二层区原SMW工法桩方案，由于需待地下一层区施工完成后再行施工，会造成H型钢租赁工期较长，从而失去工法桩的经济性优势。（4）基坑工程的主要作用是为主体结构地下室施工创造条件。原设计方案中第二道临时支撑利用地下一层区的基础底板作为受力支座，虽然有利于控制基坑变形，但不利于地下一层区域的底板与地下二层区域结构的连接施工。在满足基坑安全的前提下应尽量避免类似设计。（5）在应用新型施工工艺解决基坑工程中出现的新问题时，由于新工艺的实际效果未能得到实践的检验，因此需要我们通过经验类比、计算分析、数值模拟等多种手段进行分析，在此基础上通过现场试验进一步检验其可靠性。针对本工程中创新采用的“前撑式抗压注浆钢管桩”支撑体系，为保证基坑实施的安全，需要通过抗压试验、蠕变试验等现场试验检验其实际所能发挥的抗压承载能力。

参考文献：

[1]钱七虎,陈志龙.21世纪地下空间开发利用展望[J].中国土木工程学会第八届年会论文集,1998,162-168.

[2]刘国彬,王卫东.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[3]上海市工程建设规范.基坑工程技术规范(DG/TJ08-61-2010)[S].2010.

[4]国家行业标准.建筑基坑支护技术规程(JGJ120-2012)[S].2012.