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软土地区大型基坑施工与变形分析探讨

发表时间：2020/8/5 来源：《基层建设》2020年第10期作者：闵杰

[导读] 摘要：软土地区的大型深基坑施工，一般具有施工工艺复杂、作业条件差、制约因素多等特点。

        上海建工四建集团有限公司上海 201103
        摘要：软土地区的大型深基坑施工，一般具有施工工艺复杂、作业条件差、制约因素多等特点。且因其临时工程的性质，甲方一般对其预算投资相对紧张，设计安全储备较小，因此实际施工过程中对各种工艺工序需严格控制，从而将基坑变形控制在允许范围内。本文以上海某住宅项目深基坑实例，通过工程实践及过程中基坑变形分析，总结过程中的经验与教训，为今后类似工况下的基坑施工提供一定的借鉴意义。
        关键词：软土地区；大型基坑；施工控制；变形分析
        Construction and Deformation Analysis of Large-scale Foundation Pit in Soft Soil Area
        Min Jie
        Shanghai Construction No.4（Group）Co.，Ltd.   Shanghai   201103
        Abstract：Construction of large-scale deep foundation pits in soft soil areas generally has the characteristics of complicated construction technology，poor operating conditions，and many constraints. And due to the nature of its temporary works，Party A generally has relatively tight budget investment，so it has a small design safety reserve. Therefore，in the actual construction process，various process procedures need to be strictly controlled to control the deformation of the foundation pit within the allowable range. This article takes the example of a deep foundation pit in a residential project in Shanghai，through engineering practice and analysis of foundation pit deformation in the process，sums up the experience and lessons in the process，and provides some reference for the construction of the foundation pit under similar working conditions in the future.
        Keyword：Soft Soil Area；Large-scale Deep Foundation Pit；Construction Control；Deformation Analysis
        引言
        软土地区土质较差，含水量较高，而且淤泥层分布较广、厚度较深，基坑开挖工程施工条件相对较差，在基坑开挖过程中，软土地基的土体很容易产生坍塌或基底隆起，引起工程事故。
        且上海地区周边环境复杂，环境保护要求高，基坑变形控制更为严格。本文结合上海地区某大型基坑工程实例，为今后软土地区的深基坑施工提供一定的参考。[1]
        一、工程概况
        拟建项目位于上海市徐汇区中山西路、漕溪北路西南方向。本项目由1栋12层（23#楼）、1栋9层（24#楼）、10栋8层住宅（13#～22#楼）及一座地下1层的车库组成。基坑挖开挖面积约31622m2，基坑周长约800m；一般区域内开挖深度5.6m，号楼处挖深为5.50m，变电站挖深为7.80m。
        二、周边环境
        基坑东侧为项目一期（住宅已交付使用），住宅楼离本工程地下室最近处13m，东侧围墙离地下室最近处3.4m。南侧为拟建地下一层绿地车库。西侧围墙外是宽10m的田川路，道路下分部有信息、电力、雨水、燃气、上水等市政管线，其中燃气、上水管线离基坑最近距离仅有7.7m、9.2m，为此次基坑施工重点保护对象。北侧14.8m为空地，围墙外是宽20m的文定路，道路下也分部有信息、雨水、污水、上水等市政管线。

        图1 项目周边环境示意图
        三、水文地质条件
        拟建场地位于上海市徐汇区，属滨海平原地貌类型，地貌形态单一。本工程场地内对本工程建设有影响的地下水类型主要为潜水。场地潜水受大气降水及地表迳流补给。地下水稳定水位埋深为0.42～1.50m，相应标高为3.90～2.67m，平均标高为3.31m。具体土层特性详下表：
                  表1 土层物理力学性能指标表

        四、围护概况
        基坑围护一般区域采用搅拌桩重力坝内插型钢；东北角因施工空间有限，采用灌注桩+混凝土支撑；西侧贴边地下变电站采用重力坝内插灌注桩+一道钢支撑，东南侧变电站采用重力坝内插型钢+一道钢支撑。一期A区、三期B区间设有两级临时边坡。同时三期B区内原工程桩及临时边坡影响范围内的围护桩当时全部施工完毕。本项目（B区）存在已施工的工程废桩和双轴水泥土搅拌桩，拟施工的重力坝搭接不连续处以及新旧搅拌桩交界处采用高压旋喷桩进行连接，保证重力坝的整体性或者止水的连贯性。
        五、降水施工
        软土地区存在着含水量较高以及空隙较大的问题，因此，对于软土地区的深基坑施工，必须做好施工现场的内外水排水与降水施工。由于水会导致土体的抗剪强度减小，土体内摩擦力降低，影响软土地区的土体内聚力随之减小。通过在基坑外围布置降水管进行降水，同时管壁必须设置过滤网，以防止排水作业时抽走土颗粒。
        本工程一般区域内开挖深度5.6m，号楼处挖深为5.50m，采用轻型井点降水，基坑分块开挖前，随开挖进度在开挖区域布置。地下二层变电站挖深为7.80m。基坑降水采用轻井二次降水。每套轻井延长米控制在50 米以内，轻井布置避开深坑加固土体区域，降水周期约15 天，降至基底1m 以下，土方开挖前确保降水至开挖面以下 0.5m～1m并拔除。
        六、土方开挖
        由于本基坑长边较长接近300m，且西侧田川路下为重点保护的燃气、上水管线，因此实际施工程中，采用“跳仓开挖”，控制临近基坑分段暴露长度控制在40m以内，严格控制基坑开挖的宽度和深度。
        按此原则，将基坑由北向南整体分为A、B、C三大块。总体开挖流程为：A、C区开挖，B区待A、C出±0.00后开挖；A、B、C三区工况均独立，不互相影响，无相互关系。A-1、C-2处阴影区域为地下二层变电站区域，分两次开挖，第一次开挖至基础垫层底，第二次开挖至深坑底。现场土方开挖采取两级放坡，坡度比为1：2。土方开挖按照基础沉降后浇带、伸缩后浇带大致分块如下：

        图2 土方开挖分块示意图
        七、基坑监测与变形分析
        在软土地基中进行基坑开挖及支护施工过程中，每个分步开挖的空间几何尺寸和开挖部分的无支撑暴露时间，都与围护结构、土体位移等存在较强的相关性。这就是基坑开挖中经常运用的时空效应规律，做好监测工作可以可靠而合理地利用土体自身在基坑开挖过程中控制土体位移的潜力，从而达到保护环境、最大限度保护相关方面利益的目的。
        根据本工程业主单位的要求、周围环境、基坑本身的特点及相关工程的经验，按照安全、经济、合理的原则，测点布置主要选择在2倍基坑开挖深度范围内布点，主要监测项目为周边环境监测和围护结构监测。周边环境监测包括：周边地下管线竖向位移、水平位移监测、周边建（构）筑物竖向、水平位移监测、坑外地表竖向位移监测。围护结构监测主要内容为围护顶部竖向、水平位移监测、围护结构深层水平位移监测、支撑轴力监测、坑外潜水水位观测。同时，根据相关文件要求，各监测数值报警指标如下表所示：
                           表2 监测报警指标表

        而现场实际基坑施工过程中，周边地下管线竖向、水平位移本次及累计变化报警值和坑外地表竖向位移本次及累计变化报警值均超出报警值，其中分别出现在围护双轴搅拌桩施工阶段和土方开挖施工阶段。
        7.1 围护施工阶段
        围护施工阶段地表竖向位移超出报警值出现为基坑北侧双轴搅拌桩施工时，场地北侧地面出现隆起现象，表现为北侧施工围墙开裂、管线出现较大竖向变形。

        图3 管线竖向位移历时曲线图
        由变形图分析可知，4月3日~4月10日期间管线出现较大竖向变形，于4月11日达到最大变形量，而此期间北侧正进行双轴搅拌桩及高压旋喷桩施工且按照施工顺序即将施工至此处。由此判断，分析原因为双轴搅拌桩注浆压力较大，导致地面出现隆起。因此，现场马上采取以下措施来控制基坑变形，确保施工安全：
        1）降低旋喷桩和搅拌桩的施工速率，施工方向背离围墙和管线；
        2）高压旋喷桩注浆压力有20~25Mpa调整至10Mpa；
        3）搅拌桩严格按照两喷三搅工艺施工，搅拌桩下沉和提升喷浆速度放慢，建议一台桩机每天施工搅拌桩量不超过50方（每天施工12h）。
        通过采取以上措施后，由位移曲线可以直观看到地表隆起迅速下落，变化值趋于正常。这说明现场判断方向正确，且采取了切实有效的措施。
        7.2 土方开挖阶段
        土方开挖阶段围护水平位移日均变化最大出现在西侧围护水平位移监测点，此时A-1块变电站开挖至围檩底，钢支撑尚未形成时，虽然区域北侧底板已完成，但变电站处尚未开挖至底，垫层尚未施工且区域南侧也已开挖。围护水平位移累计最大值出现在B-1块开挖至底板垫层底，由于施工场地的局限性，挖土顺序调整，仅保留B-5\6区域，区域北侧均依次开挖，此时B-1处垫层暂未施工，且B-1处北侧底板也未施工完成。

        图4水平位移日均变化最大值示意图

        图5水平位移累计变化最大值示意图
        为控制基坑变形，现场采取以下措施：
        1）将原先200厚C20素砼基础垫层改为300厚C20配筋垫层；
        2）严格控制基坑暴露时间，开挖至坑底后相应底板需在7天内完成；
        3）对表面已出现裂缝的围护结构进行修补，防止围护结构进水；
        4）西侧围护结构上移除工具间、仓库等临房，严禁一切堆载。
        明确以上原则后，后续C区基坑开挖中未出现如此大的围护水平位移变化值。
        八、经验与教训
        1）对软土地区基坑施工需有直观、全面的认识。软土地区由于土质大多为淤泥、冲填土和杂填土及其他高压缩性土，具有含水量较高、孔隙比较大、抗剪强度较低以及流变性明显的特点，土体强度较低，容易流动失稳，很容易产生坍塌或基底隆起，引起工程事故。因此，对于软土地区的深基坑施工，必须做好基坑施工前的技术与各种机械材料的准备工作，科学合理地确定基坑支护形式以及开挖方式，加强施工过程中的动态控制管理。[2]
        2）土方开挖需严格遵守“时空效应”，按照施工方案顺序进行。土方开挖的顺序及后续垫层、基础底板形成的时间快慢对基坑变形控制有着决定性的影响因素。且随着基坑开挖深度和宽度的增大，墙体的弯矩也明显增大，基坑围护结构的变形愈发明显。尤其是大型基坑中，由于“长边效应”的影响，更需严格控制基坑分段暴露长度。因此，土方开挖必须严格按照土方开挖施工方案的顺序进行，不得乱挖、超挖，以确保支护体系受力均匀。有条件的基坑，应待基坑开挖至底后，应尽快施工垫层和周边支撑，减小周围支护结构的变形。[3]
        3）加强基坑变形监测，做好动态施工。实施动态施工是处理基坑开挖变形的较好途径。基坑设计属于采用定值的静态设计，但基坑开挖过程中，最大的特点是动，施工过程中，土的应力支护变形以及土体变形都是在不断变化的，这就导致了施工实际情况与设计的差别。通过现场监测，可以根据现场情况及时调整设计方案，尽可能将基坑风险处理在萌芽中。
        九、结语
        软土地区土质的复杂性以及深基坑施工过程中众多因素的影响，软土地区深基坑施工过程中通常会出现一些无法估量的问题，导致施工进程受到影响。因此，在软土地区深基坑的施工过程中，掌握并熟练运用施工技术，及时获取现场最新动态尤为重要。这不仅关系到整个工程的施工质量，更与基坑安全及周围环境安全息息相关，需要我们相关人员在施工过程中引起足够重视，切实加强基坑施工的动态管理。
        参考文献：
        [1] 徐中华.上海地区支护结构与主体地下结构相结合的深基坑变形性状研究[D].上海：上海交通大学，2007.
        [2] 任家，许昕.深大型基坑开挖变形监测分析[J].施工技术，2019（3）：5~6.
        [3] 张俊.软土地区基坑施工变形影响因素和控制措施[J].企业技术开发，2012（7）：43~44.
        作者简介：
        闵杰（1987—），男，本科，工程师。