0 引言

随着城市低碳发展的需要, 地下能源站建设及与地下空间综合开发的重要性日益彰显。由于能源站功能的特殊性, 其层高要求较高, 且往往为层高高达10m左右的竖向大跨地下结构, 地下室深度也较常规建筑要更深。因此, 在地下空间综合开发时, 能源站区域和其他不同功能区间结构错层复杂、层高及基础埋深不一, 给深大基坑工程的设计与实施带来了挑战。

虹桥商务区是上海市政府首批批准建设的八个低碳发展实践区之一, 本工程北片区D08街坊 (东) 及北片区15号地块 (D08-03, D08-06) 项目作为虹桥区域唯一一个地下能源站与商业办公相结合的综合性开发项目其意义更是不言而喻。

本文主要以该项目的深大基坑工程作为背景, 针对基坑工程中所面临的复杂错层及竖向大跨层高地下结构问题、对紧邻管沟工作井的影响和保护、深厚承压含水层的承压水处理等核心问题, 重点介绍了项目的总体设计方案及解决上述问题的相关关键技术措施和实施效果, 以期对解决类似复杂条件下地下能源站项目深大基坑工程的相关问题处理提供积极的参考。

本项目主体地下结构主要由呈“T”字型的D08街坊 (东) 地下空间项目 (地下能源站区域) 及呈“凹”字型北片区15号地块 (D08-03, 08-06) (商业、办公区域) 两个地块和中部连通道组合而成 (见图1) 。其中, D08街坊 (东) 地下空间项目普遍范围地下两层, 为纯地下结构, 层高约10m左右;局部外凸区域为地下1层, 层高约12m左右, 也为纯地下结构。北片区15号地块 (D08-03, 08-06) 共地下3层, 层高4~6m。地下结构不同区域间存在较大高差和错层, 且在中部高差区域共墙, 结构体系复杂。

本工程基坑总面积约21 600m², 基坑周边延长约640m。其中, 基坑西侧 (北15地块及D08外凸区域) 基坑挖深约14.5m, 基坑东侧D08普遍区域基坑挖深约21m, 中部高差约6.5m (见图1) , 属大面积深基坑工程。

根据勘察报告显示, 本工程开挖深度范围内场地地层条件较为常规, 为虹桥地区比较典型的, 但基底附近由于受古河道切割的影响, 第 (6) 层粉质黏土层及第 (7) ₁层砂质粉土层局部缺失, 第 (5) 层以下即直接为第 (7) ₁层、第 (7) ₂层等承压含水层, 且承压含水层巨厚, 上下连通。

根据基底抗承压水突涌稳定性来看, 基坑西侧北15地块区域可以满足规范要求, 但东侧D08区域由于挖深达到21m, 距离第 (7) ₁层层顶较近, 根据估算, 基坑东半部对应第 (7) ₁层埋深约30m情况下, 至少需抽降10m左右水头方可满足基底抗突涌稳定要求 (见表1) 。因此, 本工程基坑支护设计除需考虑围护变形控制外, 尚面临复杂的承压水处理问题。

本工程基坑周边环境情况相对较为复杂。其中, D08区域基坑东南角、东北角存在已建的能源管沟工作井, 距离基坑边仅2~3m, 保护要求较高。同时, 基坑周边申虹路、淮虹路及润虹路下埋设有大量的市政管线, 也有一定的保护要求。因此, 基坑围护设计时将重点关注基坑开挖对管沟工作井、市政管线的影响, 以及如何采取针对性的措施进行保护。

针对基坑所面临的复杂结构问题、工程水文地质条件, 以及复杂的周边环境情况, 本工程总体采用了以下支护设计方案 (见图2) 。

1) 西侧15号地块 (D08-03, 08-06) 及能源站外凸区域:总体采用800mm厚“两墙合一”地下连续墙结合三道钢筋混凝土对撑、角撑体系。

2) 东侧D08街坊 (东) 地块 (能源站区域) 普遍区域:总体采用1 000mm厚“两墙合一”地下连续墙结合四道钢筋混凝土对撑体系、角撑体系。

3) 基坑中部高差区域:总体采用800@1 000钻孔灌注排桩、800mm厚等厚度水泥土搅拌墙止水帷幕结合局部第四道混凝土支撑体系。

其中, 第1~3道混凝土支撑体系整坑设置, 第四道混凝土支撑体系则用于东侧挖深21m的D08能源站区域。具体支撑布设如图3所示。

同时, 为应对基坑东侧D08区域的承压水问题, 减小基坑降水对环境的影响, 对该区域周边的地下连续墙统一加深至50m, 并采用隔水性能较好的H型钢接头;同时, 在西侧与北15地块高差交界处设置50m深的由TRD工法所构建的超深等厚度水泥土搅拌墙, 从而与周边超深地墙形成完整的超深隔水帷幕体系。

1) 帷幕深度控制原则

本工程能源站范围相对第 (7) ₁层基底抗承压水突涌稳定不满足规范要求, 需抽降承压水。根据估算, 承压水水头至少需抽降约10m。根据60m的勘察孔深度, 场地范围内不存在相对隔水层, 采用隔水帷幕完全隔断承压含水层并不现实, 且由于受到目前国内施工设备水平限制也难以实现。因此, 本工程基坑对东侧D08 (能源站区域) 不考虑采用隔水帷幕完全隔断承压水, 而采取未隔断的超深悬挂止水帷幕结合降压的措施来进行承压水处理。

结合我院在虹桥地区相关的超深帷幕工程的实践经验, 降压井滤头底部埋深至止水帷幕底7~8m, 承压水降深一般约10m。故本工程止水帷幕深度确定原则如下:止水帷幕底较滤头底部深10m左右, 考虑8~10m的滤头, 滤头顶部与普遍范围第 (7) ₁层埋深 (普遍约30m) 相平, 因此, 止水帷幕深度取为50m, 嵌入普遍区域第 (7) ₁层约20m。

2) 超深帷幕体系设计

对于D08区域东侧、南侧及北侧通过在1 000mm厚地下连续墙底部下接构造段来形成50m深的超深悬挂隔水帷幕, 墙深混凝土强度等级C35, 抗渗等级P10, 地墙接头采用隔水性能较好的H型钢接头, 而对于西侧与北15地块高差处, 50m深的超深隔水帷幕, 常规的三轴设备很难实现, 而采用地下连续墙经济性又较差, 故采用由TRD工艺^[1,2]所构建的等厚度水泥土搅拌墙来作隔水帷幕 (见图4) 。目前, TRD超深隔水帷幕工艺已在上海国际金融中心项目^[3] (帷幕深度56m) 、虹桥商务核心区域一期08地块D13项目^[4] (帷幕深度40~49m) 等诸多项目中得到成功运用, 实施效果良好。

结合现场试成墙试验, 等厚度水泥土搅拌墙固化液采用P·O42.5级普通硅酸盐水泥, 水泥掺量25%, 水灰比1.2~1.5;挖掘液采用钠基膨润土拌制, 每立方被搅土体掺入约100kg/m³的膨润土, 挖掘液水灰比3.3~20 (即每1 000kg水配置50~300kg膨润土) , 切割时匀速进行, 将挖掘液混合泥浆的流动度控制在180~240mm范围。

等厚度水泥土搅拌墙采用TRD-E型设备进行施工, 并采用3工序成墙施工工艺, 墙厚800mm。

3) 墙体强度检测

等厚度水泥土搅拌墙的墙身强度采用28d龄期后钻孔取芯来综合判定。根据28d龄期钻孔取芯检测的墙身强度0.81~0.91MPa (见图5) , 满足设计强度要求。从现场钻孔取芯芯样照片 (见图6) 来看, 芯样自上而下较为完整, 成柱状体, 胶结度及连续性较好, 破碎较小, 总体硬度、均匀度较好、含灰量较高。

4) 墙体抗渗性检测

采用室内试验和原位测试的方法对TRD墙体渗透系数进行测试, 相应土层的水泥土搅拌墙渗透系数如表2所示。从相关检测成果来看, 无论是室内渗透性试验还是原位渗透性试验, 搅拌墙墙体渗透系数普遍均可达到10^-7cm/s量级, 墙体基本处于不透水的状态。本项目基坑开挖后, 等厚度水泥土搅拌墙墙体墙面无渗漏, 隔水效果良好。

5) 承压水降水效果

结合已实施的上海国际金融中心项目等类似采用超深悬挂帷幕的基坑工程降水经验, 一般坑内外承压水头降幅比为2∶1~3∶1, 降幅比越大, 悬挂隔水帷幕的效果越好, 对坑外环境的影响越小。根据基坑群井降水试验期间的实测数据显示 (见图7) , 本工程承压水降幅比约达3∶1~4∶1, 超深隔水帷幕的设置, 较好地满足了隔水的需求, 有效地减小了降水对周边环境的影响。

本项目地下结构不同区域间存在较大高差和错层, 结构体系复杂, 且周边存在能源管沟工作井, 保护要求较高。因此, 支护结构体系的设计及拆换撑工况控制对围护变形控制及环境保护至关重要。

1) 围护墙设计

围护设计时, 周边围护墙采用了刚度较好的“两墙合一”地下连续墙, 尤其对于东侧挖深较深的D08 (能源站) 区域, 结合计算变形控制的需要, 地下连续墙的厚度达到1 000mm厚, 且采用H型钢接头来增强地墙间的整体性和接缝的抗渗性。

2) 支撑及拆换撑设计

支撑体系平面布设时, 主要采用了对撑、角撑结合边桁架的形式, 且对撑体系主要沿东西、南北等保护要求较高的区域进行设置。

支撑体系在竖向布设时, 充分考虑后期与主体地下结构施工间的拆换工况, 尤其对于东侧层高10m左右的竖向大跨区域, 拆撑条件下较为不利, 故主要采取如下技术措施予以解决:

1) 东侧基础底板施工完成后, 即需要连续拆除第4, 3道两道混凝土支撑体系方能进行B1结构梁板的施工, 而在该工况下, 保留的第2道支撑至基础底板面间净距达到了13m, 如此大跨情况下围护墙的变形控制较为不利, 风险较高。为减小拆撑阶段围护墙的跨度, 在第4道支撑拆除后、第3道支撑拆除前, 采用双排型钢支撑作为斜换撑, 撑于基础底板与地墙间, 型钢斜换撑采用“一墙两撑”的形式。型钢斜换撑的设置, 使围护墙的竖向跨度降低到了7.6m左右, 有效了地控制了围护墙变形, 降低了基坑工程的风险。

2) 由于D08 (能源站) 区域为地下两层的纯地下结构, 故在其地下1层结构施工完成后, 将进行上部支撑的拆除跟进施工结构顶板。但支撑拆除后, 围护墙浅层的悬臂高度将达到9.3m左右, 悬臂较高, 对变形控制较为不利。故在首道支撑设置时, 考虑将其设置在首层结构梁板上部, 在首道支撑拆撑前, 先保证地下室顶板的施工, 从而确保能源站结构整体先形成, 利用结构体系进行浅层的支挡。

从基坑实施过程中围护墙的测斜数据来看, 基坑开挖至基础底板施工完成, 围护墙的最大变形在60~70mm (见图8) , 相对于本项目21m深的基坑工程而言, 总的变形量尚在可控的范围之内。但后期由于受拆撑及地下结构施工进度、天气季节等因素的影响, 围护变形尚存在一定的发展。尤其在第3道支撑体系拆除时, 围护墙变形增长速率较快, 主要原因是由于底部两道混凝土支撑拆除后, 围护墙竖向跨度较大, 虽然通过设置型钢斜换撑进行了约束, 但换撑刚度相对混凝土支撑而言尚有不足, 因此, 围护墙的变形仍有一定的发展, 但总体可控。首道支撑拆除时, 由于地下室顶板已施工完成, 依靠结构自身即可进行支挡, 故相对第2道支撑拆除时并无明显的变形增量。因此, 从监测数据来看, 本项目的支护体系设计及拆换撑工况控制对围护变形控制是较为有效的。

另外, 结合对邻近的能源管沟工作井的沉降监测数据来看 (见图9) , 基坑开挖至基底附近时, 管沟工作井沉降量最大, 在10~12mm;后期沉降量有一定的恢复, 最大沉降量在6~8mm, 主要由于地下结构施工阶段, 降水的需求已有一定的缓解, 坑外地下水位恢复对工作井的沉降具有一定的抵消作用。基坑工程对管沟工作井的影响总体可控, 可以满足其保护要求。

1) 通过采取合理的支护结构体系设计、拆换撑实施工况控制可以有效地解决类似复杂条件下深大基坑工程的变形控制问题。

2) 采用超深地下连续墙、超深TRD等厚度水泥土搅拌墙等超深悬挂隔水帷幕体系可以有效地解决深大基坑在巨厚承压含水层无法隔断情况下的承压水降水问题, 且坑内外降幅比越大, 悬挂隔水帷幕体系的效果越好, 降水对环境的影响越小。

3) 由TRD工艺所构建的超深等厚度水泥土搅拌墙成墙质量可靠、隔水性能良好, 尤其在标贯>50击的 (7) ₂层粉砂层中, 其墙体的抗渗性能可以达到10^-7cm/s量级, 为上海地区超深等厚度水泥土搅拌墙的应用提供了实践经验。