随着以上海为代表的沿江沿海发达地区, 特别是大型、特大型城市的土地资源供求矛盾越来越突出, 向地下要空间成为近年及今后很长一段时间的发展趋势, 并且地下空间的开发同时向大深度和大规模方向发展, 带来大量的基坑工程^[1]。

　　 沿江沿海城市一般位于软土地区, 据不完全统计其基坑工程约有50%采用钻孔灌注桩排桩作为围护结构, 围护排桩沿基坑周边密集排布, 约可占到基坑支护结构工程造价的40%～50%, 但常规工程中, 围护排桩仅作为基坑工程的临时围护结构, 待基坑工程结束后即废弃在地下室周边土体中, 造成极大的资源浪费。同时水量丰富、水头压力高的深层地下水对基坑工程的安全和周边环境影响显著, 处理不慎将引发重大的安全事故和经济损失, 为减小抽降深层承压水对周边环境的影响, 深大基坑工程实施中往往需要设置高质量的超深止水帷幕。

　　 随着沿江沿海软土地区地下空间开发的安全、经济、可持续的推进, 亟需适应发展需求的基坑支护新思维的引入和新技术的应用, 在确保基坑工程安全的同时, 兼顾经济, 实现地下空间开发的节能降耗。

　　 本文以上海虹桥商务区D13街坊项目的设计和实践为例, 介绍了“桩墙合一”技术和TRD工法等厚度水泥土搅拌墙技术这两项岩土工程新技术在工程中的应用, 可为类似工程的设计施工提供参考。

　　 上海虹桥商务区D13街坊又名虹桥绿谷东区 (简称D13项目) , 位于申滨路以东、申长路以西、甬虹路以南、建虹路以北, 占地面积约46 090m², 地上由多栋2～10层多层建筑组成, 建筑面积148 141m², 地下整体设置3层地下室, 地下建筑面积123 410m², 采用桩筏基础。基坑总面积约4.6万m², 周边总延长米约892m, 基坑周边普遍开挖深度约17m。

　　 基地四周主要邻近市政道路、能源管沟、市政管线以及高架基础及结构 (图1) 。其中北侧甬虹路下分布有5.8m×4.0m能源管沟, 埋管顶深约3～5m, 距离地下室外墙最近约17m。南侧高架道路边线和高架柱距离地下室外墙最近分别约29m和36m, 高架承台尺寸为6.6m×4.8m, 埋深约3m, 采用直径600mm钻孔灌注桩, 桩长约50m, 采用⑧₂层粉砂作为桩端持力层。此外, 1倍挖深范围内分布有燃气和供水管线。

　　 围护体施工完成后, 因业主变更等客观原因, 工程实施期间发生多次长时间停工, 整体工期相对一般项目较长, 且周边环境条件发生一定变化。北侧甬虹路能源管沟在本项目停工期间投入使用;东侧连接D13项目与虹桥绿谷西区 (D23项目) 的连通道在停工期间基本施工完成;南侧建虹路地道接收井及出入口施工与本基坑工程发生交叉。周边环境保护要求进一步提高。

　　 开挖面处于④层淤泥质黏土层中, 在开挖深度范围内的土层有②层粉质黏土、③层淤泥质粉质黏土和④层淤泥质黏土, 其中③层土层中含粉性颗粒较多, 地下深部分布有⑤₂层砂质粉土微承压含水层、⑦层砂质粉土承压含水层和⑧₂层粉砂承压含水层, 如图2所示。

　　 本场地大部分区域⑤₂层微承压水、⑦层与⑧₂层承压水连通 (图3) , 基底以下存在深厚的微承压含水层及承压含水层, 勘察期间测得承压水头埋深为5～6m, 且⑤₂层微承压含水层埋深仅20m, 距离基底约3m, 经复核承压水抗突涌稳定安全系数远小于规范要求, 须采取相应的承压水处理措施。

　　 工程基地四周邻近市政道路及管线尤其是北侧能源管沟, 与高架距离约29m, 在基坑工程设计与施工中必须给予充分的重视和保护。工程场地水文地质条件复杂, 围护方案的一大重点是考虑如何降低大面积承压水降压对周边环境的影响。同时工程规模巨大, 基坑工程投资大, 在确保基坑安全的前提下, 如何尽可能节省基坑围护工程量, 减少资金投入, 也是必须考虑的问题。

　　 经多方案比选, 工程最终确定采用整坑顺作, 周边设置大直径钻孔灌注桩结合超深止水帷幕作为围护体 (图4) 。基坑挖深约17m, 普遍采用ϕ1 250@1 450灌注桩, 为有效控制变形, 每条边中部区域围护排桩增大至ϕ1 300@1 500, 围护排桩普遍插入基底以下15.5m, 西北角地层较差区域插入深度18m。

　　 基坑竖向设置3道钢筋混凝土内支撑, 平面布置上综合了对撑体系与圆环支撑体系的特点, 采用双半圆结合对撑布置 (图1) , 无支撑面积达到55%左右, 挖土作业面条件较好, 同时利用首道支撑设置环通的施工栈桥 (图5) 。为减小基坑开挖对周边环境的影响, 采用ϕ850@600三轴水泥土搅拌桩对基坑被动区进行墩式加固, 加固体宽度约10m。

　　 如前文所述, 在工程基坑围护体施工完成后, 因长期停工, 周边环境发生了一定的改变, 针对不同区域的环境条件的变化, 基于计算分析, 针对性地采取了局部支撑杆件调整、设置支撑封板、增设配筋垫层等加强措施。由于篇幅关系, 此处不再详述。

　　 工程基坑面积大、挖深较深, 作为周边围护的钻孔灌注桩体量巨大, 如依旧仅作为临时围护结构则资源浪费严重。周边钻孔灌注桩作为基坑工程的围护桩, 含钢量高, 抗侧刚度大, 基坑工程结束后留置于地下室周边土体中, 客观上具有挡土作用, 不考虑其在永久使用阶段的贡献与实际情况也不相符合^[2]。

　　 因此设计时考虑将围护排桩作为永久使用阶段地下室侧壁的一部分, 与主体地下室外墙共同承担永久使用阶段的侧向荷载, 即采用地下结构外墙与基坑围护排桩相结合的“桩墙合一”技术。其构造如图6所示, 围护排桩开挖面设置挂网喷浆找平层, 为防水、保温层的施工提供作业面。

　　 为确保柔性防水层的连续贯通, 围护排桩与地下室外墙之间不设置钢筋连接, 仅考虑分担永久使用阶段水平向荷载。在设计计算时, 考虑按钻孔灌注排桩与地下室外墙的抗弯刚度比值分配侧向土压力^[3]。得益于围护排桩的贡献, 地下室外墙厚度由常规的800～1 000mm减小为400～500mm。

　　 从建筑节能角度, 在地下室外墙外侧设置了50mm厚保温层, 而保温层的弹性模量远远低于混凝土, 成为了围护排桩与地下室外墙之间的软弱夹层。为确保桩墙之间传力的可靠性和限制变形, 于基础底板和各层结构楼板标高处设置传力板带, 保温层在此区间断开。地下室外墙单侧支模施工, 桩墙之间预留250mm施工偏差和围护体变形空间, 随地下室外墙浇筑一并填实。

　　 本项目需抽降⑦层承压含水层, 由于普遍区域⑦层与更深部的⑨层粉细砂连同, 隔断承压含水层难度大, 因此止水帷幕普遍区域定为40m, 形成悬挂帷幕。高架一侧⑦层与⑧₂层之间存在相对隔水的⑧₁层, 同时出于保护高架考虑, 故将止水帷幕加深至45～49m, 隔断⑤₂层及⑦层, 不同区域的止水帷幕深度如图3所示。常规的三轴水泥土搅拌桩止水帷幕施工深度仅25～30m, 无法形成超深止水帷幕有效阻隔深层地下水, 搭接钻杆后工效低且成墙质量不易保障;而超深地下连续墙则工程造价高昂, 且槽段接头位置易发生渗漏。

　　 本工程周边环境保护要求高, 疏干及降压面积大、周期长, 对基坑工程期间围护体侧壁防水要求极高。经比选并结合邻近地块实施经验, 周边均采用800mm厚TRD工法等厚度水泥土搅拌墙作为止水帷幕, 其相比常规三轴水泥土搅拌桩具有成墙深度大、均匀性好、施工连续无接缝、墙身强度高、抗渗性能好等优点^[4]。

　　 为确保成墙质量和成墙施工期间对周边环境的保护, 在正式施工前, 进行了非原位的TRD试成墙试验。验证施工设备在本项目土层条件下的施工能力、施工参数, 确定超深等厚度水泥土搅拌墙成墙质量、均匀性、强度及隔水性能。试验段的钻孔取芯结果显示28d强度可满足0.8MPa的设计要求 (图7) 。

　　 本项目实施过程中因建设方变更等原因, 经历了3次共15个月停工, 总体工期相对较长, 对围护体特别是止水帷幕质量提出了更高的要求。目前该项目地下结构已经施工完成, 整体效果良好。图8给出了开挖至基底时, 典型测点围护体深层水平位移分布曲线。最大变形位于开挖面附近, 角部约90mm, 中部约120mm, 表现出明显的空间特性。

　　 图9和图10分别给出了基坑实施期间南侧高架和北侧能源管沟结构的典型测点沉降时程曲线。高架单根立柱最大沉降量为3.8mm, 相邻立柱间的最大差异沉降量为2.4mm, 立柱最大倾斜为1.3‰。能源管沟在本工程基坑首次停工期间 (围护体施工完成) 自行发生沉降, 后采取了微扰动注浆措施对能源管沟下方土体进行加固, 在本工程基坑实施期间, 能源管沟普遍结构沉降约10～50mm。

　　 目前地下结构已经施工完成, 地下室内侧无明显渗漏水。实施期间也对“桩墙合一”结构体系开展了受力监测, 如图11所示。围护排桩桩身弯矩在基础底板完成时达到最大值, 在拆换撑完成后有所减小, 部分荷载转移至地下室结构承担。但由于围护排桩与地下室外墙之间通过设置于基础底板和结构楼板处的传力板带发生作用, 地下结构完成时, 地下室外墙受力很小, 相比围护排桩基本可以忽略。

　　 总的来说, 实测的围护排桩弯矩分布与常规理论计算结果较为一致, 但数值上有明显减小, 说明目前的围护排桩设计理论还存在优化空间。施工至地下结构出正负零, 地下室外墙所分担荷载较小, 一方面说明“桩墙合一”设计考虑围护排桩在永久使用阶段贡献的合理性, 另一方面也对更加符合实际的荷载分担模式的研究提出了需求。

　　 本工程停工时间长, 从TRD等厚度水泥土搅拌墙施工完成 (2013年6月) 至地下结构施工完成 (2016年5月) , 历时约3年, 超过了常规止水帷幕的使用周期, 效果依然良好。图12给出了降水井启动后的坑外潜水和承压水观测井的水位变化。

　　 在图12中一年半期间, 坑内潜水疏干至基底以下0.5～1m, 疏干深度约16m;坑内承压水水头降深约10m。坑外潜水水位累计变化幅度在757～-1 841mm之间 (“-”表示下降) , 变化幅度相对较小, 呈上下波动趋势。坑外承压水水头累计变化幅度在-91～-1 554mm之间。考虑到地下水位周期性变化的影响, 可认为本工程的止水帷幕隔水效果良好。

　　 针对虹桥D13项目的实际需求, 采用了节能降耗的“桩墙合一”技术和高效可靠的TRD等厚度水泥土搅拌墙技术。目前地下结构已经完成, 实测结果显示“桩墙合一”结构体系使用状态良好, 本项目后期将继续开展“桩墙合一”结构体系的长期受力监测, 为该技术的发展提供数据支撑。TRD等厚度水泥土搅拌墙作为止水帷幕, 成墙均匀, 抗渗性能好, 有效减小了降压对周边环境的影响。

　　 得益于“桩墙合一”设计, 地下室外墙的厚度由常规的800～1 000mm减薄至400～500mm, 节省钢筋混凝土用量约6 000m³;桩墙间距由常规的1 000mm减小至400mm, 可减小土方挖填量约6 000m³;同时因地下室外墙厚度减小, 增加了地下室使用面积约1 000m², 亦可产生不小的经济效益。

　　 岩土工程新技术在本项目的应用, 在确保该项目顺利实施的同时, 节省了大量资源, 取得良好的社会和经济效益。