0 引言

　　 随着城市用地日益紧张,大规模开发利用地下空间的进程逐步加快,势必涉及到愈来愈多的基坑工程,且基坑的规模、深度、主体结构的复杂程度也日趋增大 ^[1]。

　　 对于超大深基坑的施工可以考虑的常规方法有:整体顺作、分区顺作 ^[2]、整体逆作 ^[3]和中心岛法 ^[4]等。在综合考虑工程安全、施工周期、经济性和环保性等因素后,本文提出一种整体顺逆结合设计思路,即:根据基坑大小和深度,在保证边坡安全前提下采用多级放坡至地下室某楼层标高处(如地下1层),中心岛区域结构顺作至地下室顶板,并与四周围护结构贯通,再逆作至地下1层顶板及下部楼板结构,通过楼板预留的大开孔出土。整体顺逆结合设计方法利用顶板、中板结构和四周留土共同约束围护结构,控制基坑变形。这一设计方法结合了顺作、逆作和中心岛法的特点,在泰和污水处理厂工程一体化箱体面积12.2万m²基坑中有成果应用。

1 工程概况

　　 上海市区内泰和污水处理厂工程,采用地下两层一体化箱体结构,基坑长和宽分别为350.0m和349.0m,基坑面积为12.2万m²,周长为1 398.0m。根据水处理工艺流程不同和基坑深度不同,整个基坑大致可分为2个深度区域:污泥区域A和生反池区域C,深度均为17.5m;进水区域B和二沉池及深度处理区域D,深度均为14.3m,如图1所示。

　　 图1 基坑深度及分区示意图   

　　 本基坑不仅面积超大、深度深,而且周边环境较为复杂。如图2所示,基坑北侧紧邻共富路; 基坑西侧为现状道路,路对面为单层厂房和低层砖混结构建筑; 基坑南靠联谊路; 基坑东侧为高压走廊带,高压电塔距离基坑约25.0m。上述已有道路下面均有给水、通信、雨水、电力管道,通信和电力管道距离较远,最近的雨水管和给水管距离基坑分别约25.0m和23.0m。

　　 图2 基坑周边环境示意图   

　　 本工程所在场地属滨海平原地貌类型,场地基本平坦,根据地勘报告 ^[5],基坑开挖深度及基坑围护影响深度范围内土层均为上海常见土层。拟建场地浅部地下水属潜水类型,地下水静止水位埋深一般为0.25～2.90m。

2 总体方案设计

2.1 方案比选

　　 根据类似基坑工程设计经验 ^[6],结合本工程特点,就分区逆作、中心岛法和整体顺逆结合法作方案比选,具体见表1。

　　 方案比选 ^[7]7]表1

　　 经过方案比选,分区逆作和整体顺逆结合法具有较强的适应性,再通过经济性分析得到,分区逆作因分隔支护费用增加近15%,综合以上分析,最终确定本工程基坑方案选用整体顺逆结合法。

2.2 设计方案

　　 本基坑面积达12.2万m²,深度14.3m～17.5m,构筑物地下1层的层高为6.5m左右,地下2层最大层高达10.3m左右,底板标高变化多,内部结构复杂,周边环境保护要求较高。

　　 本方案采用整体顺逆结合设计方法,即:采用多级放坡至地下1层标高以下,中心岛区域结构顺作至地下室顶板,并与四周围护结构贯通,再逆作至地下1层顶板及下部楼板结构,通过楼板预留的大开孔出土。基坑围护结构采用厚1.0m的地下连续墙(简称地墙),落深区采用水泥土搅拌桩重力式挡墙围护。整体顺逆结合设计方法利用顶板、中板结构和四周留土共同约束围护结构,控制基坑变形。

2.3 施工工序

　　 基坑施工工序分为以下九个步骤。1)工序一:场地整平,施工地墙、灌注桩、一柱一桩、裙边加固等;2)工序二:盆式开挖至地下1层中心岛区域,浇筑地下1层梁、板结构;3)工序三:顺作顶层梁、板,顶板预留出土口;4)工序四:盖挖四周预留土,浇筑地下1层四周剩余梁、板并预留出土口;5)工序五:盆式开挖至-9.80m(-8.30m),通过预留洞口出土;6)工序六:浇筑浅坑区域底板,施工临时斜抛撑,深坑区域浇筑临时混凝土支撑并施工临时斜抛撑;7)工序七:挖除四周预留土坡,浇筑浅坑区域剩余底板,浇筑深坑区域剩余临时混凝土支撑;8)工序八:拆除临时斜抛撑,继续挖除深坑区域土方至深坑坑底;9)工序九:浇筑深坑区域底板,顺作内衬墙、隔墙、外包柱等,拆除临时混凝土支撑。整体顺逆结合施工工序图如图3所示。

　　 图3 整体顺逆结合施工工序图   

3 关键技术措施

　　 本基坑工程主要采取了如下关键技术措施:地下两层板代支撑、预留土坡 ^[8]和一柱一桩。

3.1 地下两层板代支撑——水平支撑系统

　　 本工程基坑开挖面积大,基坑开挖深度深,基坑单边长度达到350m,采用楼板代替常规支撑并在四周预留土坡共同约束围护结构变形。考虑到地下两层均采用盖挖施工,出土效率受制于预留的出土口大小和个数,本方案采用预留9个边长约60m的超大出土口,四周预留28个边长约18m的出土口; 由于地下1层结构在污泥区域A大面积缺失,因此设置了临时平面桁架体系来代替楼板,确保整体平面刚度满足设计要求,如图4所示。

3.1.1 楼板平面刚度取值

　　 在基坑设计时,楼板支撑刚度取值大小会影响围护结构受力和变形,对于本基坑工程,因楼板中部有数量较多且面积大的开洞,使得楼板受力情况十分复杂,常规的支撑刚度取值方法已不适用。设计采用有限元数值分析方法,对地下1层板在侧向水土压力作用下进行计算分析,取四分之一模型计算可得跨中最大水平位移为2.8cm,平均水平位移约为2.0cm,见图5。这与采用荷载结构法按照剖面计算所得的位移值基本一致,见图6。基坑共设置四道支撑,第一、二、三、四道支撑反力分别为242.1,622.5,241.9,217.1kN。为此,该处楼板的平面刚度可以根据所受水平力与平均水平位移之比得到 ^[9],约为31.5MN·m^-1/m。

　　 图4 基坑总体方案平面布置图

　　 图5 地下1层楼板有限元计算水平位移云图/cm 

　　 图6 荷载结构法计算 基坑剖面位移及支撑反力  

3.1.2 洞口加固处理

　　 在基坑开挖过程中,楼板承受的水平和竖向荷载均较大,洞口角部区域存在应力集中现象,为了改善局部受力情况,所有超大出土口均做了加腋处理。根据楼板梁整体计算可知,最大压应力为10.02MPa,如图7所示。同时,所有洞口封边梁都做了加强处理,封边梁构造配筋图如图8所示。

3.2 预留土坡——中心岛式开挖

　　 由于本基坑深度较深,且地下2层层高不小于7.3m,为了控制基坑开挖过程中整个围护结构的变形,在施工中心岛底板区域时,基坑四周预留土坡,土坡平台宽8.0m,坡比约1∶3,坡面设置100mm厚喷射混凝土面层。为了防止土坡产生滑坡和蠕变,提高被动区土体抗力,采用高压旋喷桩进行了加固。此外,设置了一道斜抛撑,采用截面ϕ609×16钢管,在中心岛区域底板强度达到设计要求后施工,待预留土坡挖除后,施工四周剩余底板,基坑开挖典型剖面见图9。

　　 图7 地下1层楼板有限元计算应力云图/MPa   

　　 图8 洞口封边梁构造配筋图/mm   

　　 图9 基坑典型剖面图  

3.3 一柱一桩——竖向支承系统

　　 本基坑采用整体顺逆结合法施工,竖向支承采用一柱一桩形式,即在钻孔灌注桩内插钢立柱作为竖向支承结构。钢立柱采用截面ϕ500×16的钢管,柱下设置ϕ1 000mm的钻孔灌注桩,桩头扩径至1 300mm,钢立柱插入钻孔灌注桩内3m。

　　 在地下1层中心岛区域的钢立柱,柱顶仅至地下1层板顶,地下1层至顶板的格构柱采用顺作方式; 而四周留土坡区域的钢立柱,柱顶伸至顶板顶。钢立柱与楼板处连接采用钢筋混凝土环梁形式,保证节点处满足承载力和变形要求。

　　 图10 地墙侧移监测图   

4 主要监测结果

　　 图10为地墙两个典型监测点侧移发展基本稳定后监测的侧移,其中CX1位于基坑西南侧A区,挖深为17.5m,CX27位于基坑东北侧D区,挖深为14.3m,见图1。两个测点的侧移最大值均出现在底板附近,CX1侧移最大值约47mm,CX27侧移最大值约53mm。

　　 由于先盆式开挖至地下1层板,再顺作顶板、梁,所以顶板位置出现了一定变形,但均不大。由监测变形曲线可以看出,地下2层板的整体刚度对周边围护体的侧移变形起到了一定控制作用,围护体的变形规律与常规支撑情况下基本一致 ^[10]。

5 结论

　　 泰和污水处理厂工程一体化箱体基坑为软土地区面积达12.2万m²的超大深基坑,根据工程自身特点,从保证基坑安全和节省工程造价为基本出发点,结合顺作、逆作和中心岛法的特点,采用了整体顺逆结合设计方法,得到了以下结论:

　　 (1)本工程监测数据与设计计算结果较为吻合,且均在规范允许范围内,验证了设计方法的合理性。

　　 (2)本工程设置两层楼板代支撑,支撑刚度大,基坑四周预留土盆式开挖,基坑变形较小,保证了基坑的安全。

　　 (3)本基坑设计方法在降低了工程造价的同时,保护了周边环境,节约了一定工期,降低了施工风险,取得了较好的经济效益和社会效益。因此,本基坑工程设计的成功实践为软土地区超大面积深基坑设计与施工提供了借鉴。