近20年来, 随着我国经济建设的高速发展, 各地尤其是沿海经济较发达城市兴建了大量的各类建筑。大规模的高层建筑地下室、地下商场的建设和大规模的市政工程如地下停车场、大型地铁车站、地下变电站、大型排水及污水处理系统等的施工都涉及深基坑工程。由于功能要求日益复杂、支护体系种类繁多、各种施工工艺的联合使用, 其复杂程度对深基坑工程的理论研究、设计与施工均提出了诸多挑战性问题。我国基坑工程领域的工程技术人员面临这些挑战, 开展了基坑工程相关的理论、设计、施工装备和施工技术研究, 发展出了一系列支护技术如水泥土重力式围护墙、土钉和复合土钉、钢板桩、灌注桩排桩、SMW工法、地下连续墙、土层锚杆、钢支撑和混凝土支撑等, 为各类基坑工程的支护提供了有效的技术手段。伴随着一系列规模庞大、复杂度大、难度高的基坑工程顺利实施, 我国深基坑工程的设计和施工技术水平取得了长足的进步。

本文简要概括了我国基坑工程呈现的新特点, 结合基坑工程技术的新进展重点介绍了若干技术, 包括支护结构与主体结构相结合技术、上下同步逆作法技术、超深地下连续墙技术、超深水泥土搅拌墙技术、节能降耗的基坑支护技术、复杂环境条件下的软土深基坑变形控制技术, 并辅以典型工程案例说明这些技术在工程中的具体应用;最后对我国深基坑工程的发展提出了展望。

近年来, 我国基坑工程不断发展, 呈现出新的特点, 主要表现为以下几点。

1) 规模越来越大主楼与裙楼连成一片、大面积地下车库、地下商业与休闲中心一体化开发的模式频频出现, 使得面积在10 000~50 000m²的基坑越来越多, 有些甚至>100 000m²。典型的工程如上海铁路南站北广场, 基坑开挖面积40 000m²;昆明恒隆广场, 基坑开挖面积达到53 000m²;天津117大厦基坑开挖面积达100 000m²;无锡火车站北广场综合交通枢纽项目基坑开挖面积达到125 000m²;天津于家堡金融起步区一期工程超大规模基坑群的基坑总开挖面积达到140 000m²;上海虹桥交通枢纽工程的基坑开挖面积更是高达400 000m²。

2) 开挖深度越来越大开挖深度达到20~30m的基坑越来越多, 有的甚至>50m。典型的基坑工程如广州地铁珠海广场站, 开挖深度27m;武汉绿地中心主楼挖深30.4m;国家大剧院基坑工程大部分开挖深度26m, 局部达到32.5m;上海世博500k V地下变电站开挖深度34m;润扬大桥南汊北锚碇深基坑的开挖深度达到50m;正在建设的为满足上海苏州河深层排水调蓄工程需求的竖井设计最大挖深达到70m。

3) 周边环境复杂敏感大量基坑工程邻近地下管线、建筑与地铁构筑物等。我国城镇化进程的加速、新一轮城市改造的推进以及城市轨道交通建设的飞速发展, 使得基坑工程的周边环境更加复杂敏感。典型的工程如南京紫峰大厦, 紧邻的南京地铁1号线隧道距基坑仅5m;上海兴业银行大厦, 周边紧邻8栋上海市优秀近代保护建筑且周边有年代久远的地下管线;上海太平洋广场二期基坑距地铁1号线隧道外边线仅3.8m;上海越洋广场基坑紧贴运营中的地铁2号线静安寺车站结构外墙, 开挖过程中暴露地铁车站的地下连续墙。

基坑支护方法不断革新, 新型支护方法和工艺得到迅速发展和应用。大量工程建设和复杂多变的工程环境以及市场竞争机制的引入, 给深基坑工程开挖与支护新技术提供了广阔的舞台, 在工程实践中不断地探索和应用新的深基坑开挖与支护技术, 形成了百花齐放的基坑支护结构。

目前我国大部分深基坑工程仍采用常规的临时支护方法, 即采用临时围护体如钻孔灌注桩挡土, 设置多道水平支撑或锚杆。临时围护体如钻孔灌注桩工程费用巨大, 而其在地下室施工完成后, 就退出工作并被废弃在地下, 造成很大的材料浪费;临时水平支撑及竖向支撑系统往往造价高、施工周期长、土方开挖与地下工程结构施工不便, 且混凝土支撑还需拆除, 而混凝土支撑拆除困难, 浪费了大量的人力、物力和社会资源;采用锚杆虽然可以避免设置内支撑, 但其在地下室施工完成后即被废弃在地下, 为后续工程留下了严重隐患。

支护结构与主体结构相结合是采用主体地下结构的一部分构件 (如地下室外墙、水平梁板、中间支承柱和桩) 或全部构件作为基坑开挖阶段的支护结构, 不设置或仅设置部分临时支护结构的一种设计和施工方法。与传统的深基坑工程实施方法相比, 支护结构与主体结构相结合技术具有保护环境、节约社会资源、缩短建设周期等诸多优点, 符合国家节能减排的发展战略, 是进行可持续发展城市地下空间开发和建设节约型社会的有效技术手段, 近年来在工程中得到了越来越多的应用, 产生了良好的技术经济效益。

从构件相结合的角度而言, 支护结构与主体结构相结合包括3种类型, 即地下室外墙与围护墙体相结合、结构水平梁板构件与水平支撑体系相结合、结构竖向构件与支护结构竖向支承系统相结合。

按照支护结构与主体结构结合的程度进行区分, 可将支护结构与主体结构相结合工程归为3大类, 即周边地下连续墙两墙合一结合坑内临时支撑系统采用顺作法施工, 周边临时围护体结合坑内水平梁板体系替代支撑采用逆作法施工, 支护结构与主体结构全面相结合采用逆作法施工。

大面积的深基坑工程采用常规的逆作法时存在施工速度慢和技术要求高等问题;超高层建筑的主楼与裙楼地下室连成一片时, 主楼由于其构件的重要性对施工质量要求高, 一般不适合采用逆作法, 但全部采用顺作法又限制了主楼的施工工期。对于这些复杂的基坑工程, 采用支护结构与主体结构相结合的新形式, 例如针对超大面积的深基坑工程发展了大开口水平结构梁板替代支撑形式和中心顺作周边环板逆作形式, 针对主楼与裙楼连在一起的基坑工程发展了主楼先顺作裙楼后逆作形式及裙楼先逆作主楼后顺作形式等。

上海世博500k V地下变电站, 是上海2010年世博会的重要配套工程, 建设规模位列全国同类工程之首, 位于上海市中心城区。变电站为全地下4层筒形结构, 地下建筑直径为130m, 基坑面积约为13 000m², 开挖深度34m, 为大型超深基坑工程。

基坑工程采用支护结构与主体地下结构全面结合的全逆作法方案。围护体采用1.2m厚两墙合一的地下连续墙, 地下连续墙内侧设置0.8m厚钢筋混凝土内衬墙, 内衬墙随逆作开挖分段浇筑, 通过预留的连接钢筋与地下连续墙形成复合墙体。基坑竖向利用4层地下水平结构梁板作为水平支撑系统, 逆作阶段顶层结构梁板作为挖土机、运土车等各种施工机械的作业面。地下1层、3层和4层的层高分别为9.5, 10.0, 7.5m, 为减小地下连续墙的竖向跨度, 改善基坑围护体系的整体变形和受力性能, 分别在以上3层结构层中设置了1道单环和2道双环临时水平支撑系统, 逆作阶段结构剖面如图1所示。逆作阶段设置大量的一柱一桩作为各层地下结构、临时支撑以及施工荷载的竖向支承系统。一柱一桩由立柱桩和钢管混凝土柱组成, 从地面一次性成孔施工形成, 立柱桩采用桩端后注浆的钻孔灌注桩, 钢管混凝土柱待逆作施工结束后外包混凝土形成永久的框架结构柱。基坑工程实景如图2所示。

上下同步逆作法是一种特殊形式的逆作法, 这种施工方法是先施工界面层, 向下逆作地下结构的同时向上顺作施工地上结构 (见图3) 。逆作时上部结构可施工的层数, 则根据桩基的布置和承载力、地下结构状况、上部建筑荷载等确定。

与常规的地下结构建造方法相比, 上下同步逆作法方案具有诸多优点, 如可缩短工程施工工期 (对比见图4) ;水平梁板支撑刚度大、挡土安全性高、围护结构和土体变形小、对周围环境影响小;采用封闭逆作施工, 已完成的首层板可作为材料堆置场或施工作业场;避免了采用临时支撑的浪费现象, 工程经济效益显著。

上下同步逆作法具有显著的技术优势, 近年来在国内各大中城市得到快速应用, 已经成为了逆作法的主要发展方向。上下同步逆作法一般适用于2层及以上地下室的基坑工程中, 对于地下室层数<2的工程, 采用上下同步施工对整体工期影响不大, 而相应采取的措施却可能会一定程度上增加工程造价。对于向上同步施工层数较高 (≥10层) 的逆作法工程, 对竖向支承桩、柱的承载力和沉降控制将提出较高的要求, 而且还需考虑逆作期间风、地震等水平作用, 需根据具体工程进行专项设计和施工方法论证。

南京青奥中心双塔楼项目位于南京市建邺区, 地上建筑包括1栋314.5m高的68层五星级酒店及办公楼, 1栋249.5m高的58层会议型酒店及配套设施;地下建筑共分为3层, 主要为地下停车场、部分商业及设备用房。基坑面积约为11 000m², 基坑开挖深度为14~21m。

南京青奥中心建成后首先用于第2届世界青年奥林匹克运动会会议中心及接待酒店使用, 2014年青奥会工期紧张, 根据河西指挥部、南京市政府对河西新城、青奥中心工程的整体部署, 工程主体结构及外立面幕墙施工需在青奥会之前完成。由于本工程主体结构存在2栋超高层塔楼, 塔楼工期占比较大, 如基坑采用传统的顺作法方案, 则塔楼地上结构需待基坑施工完成、地下室结构出地面之后方可实施, 远远无法满足工程工期要求。

结合工程的具体情况, 本工程基坑总体采用上下同步逆作法实施, 具体支护结构设计方案如下:基坑周边采用“两墙合一”地下连续墙作为围护结构, 兼作地下室主体结构外墙;基坑竖向利用地下3层结构梁板作为水平支撑;竖向支承体系普遍采用圆形或矩形钢管混凝土柱, 并对核心筒进行了托换 (见图5) , 局部位置采用临时角钢格构柱;在基坑逆作施工的同时, 同步施工超高层塔楼上部结构。工程自2012年4月底桩基、地下连续墙施工开始, 至2013年4月底基坑开挖至基底、地上塔楼施工至17层 (见图6) , 用时仅1年, 其进度是其他类似规模的基坑工程所无法比拟的。常规顺作法及顺逆结合施工方法均不可能实现此工期目标, 可见超高层塔楼上下同步逆作法方案对于工程工期的推进起到了决定性的作用。

地下连续墙被公认为是深基坑工程中最佳的挡土止水结构之一, 具有整体刚度大、支护结构变形小、墙身抗渗性能好、适用范围广、可作为地下室外墙等显著优点。地下连续墙作为深基础形式与深基坑围护结构的设计施工技术已经非常成熟。但随着城市地下空间开发利用朝着大深度方向发展, 地下连续墙亦有越做越深、越做越厚的趋势, 且穿越的地层也越来越错综复杂。一般50m以上深度的地下连续墙可称为超深地下连续墙。复杂地层下的超深地下连续墙施工难度大, 主要反映在如下几个方面: (1) 超深地下连续墙往往是上部为软土地层, 下部需穿越硬土层, 如密实砂土甚至需进入基岩, 如采用常规液压抓斗成槽则在硬土层及基岩中成槽, 掘进困难且工效低, 且抓斗齿易损坏、更换频繁; (2) 超深地下连续墙如采用常规锁口管接头, 起拔难度大, 巨大的顶拔力因管身材料焊接加工质量或导墙后座强度不够导致锁口管拔断或埋管的风险机率将大为增加; (3) 超深地下连续墙槽壁稳定与垂直度控制技术难度增加。

新型施工装备如铣槽机及新型接头技术为超深地下连续墙的施工提供了可能, 并不断地刷新地下连续墙成槽深度的纪录, 例如上海世界博览会500k V地下变电站地下连续墙深达57.5m, 上海轨道交通4号线原址修复工程中的地下连续墙深度已达65m, 而为上海苏州河深层排水调蓄工程而做的地下连续墙试验槽段深度更是达到了118m, 均取得了良好的技术效果。

超深地下连续墙抓铣结合成槽工艺即在上部软土层中采用液压抓斗成槽机成槽, 在下部硬土层中采用铣削式成槽机成槽。其施工主要原理是采用液压抓斗式成槽机和铣槽机的接力形式进行成槽, 如图7所示。具体操作过程为:针对上部较软的土层采用液压抓斗式成槽机成槽, 当进入下部的粗中砂、砂砾石、卵石层以及岩层时, 改用铣槽机进行配合接力成槽, 保证地下连续墙施工顺利完成。

铣槽机是目前国内外最先进的地下连续墙成槽机械, 最大成槽深度可达150m。铣轮刀可根据不同地层相应选配, 标准炭化钨刀齿 (平齿) 、合金镶钨钢头的锥形刀齿 (锥齿) 和配滚动式钻头的轮状削掘齿 (滚齿) 可分别适用于最大抗压强度为60, 140, 250MPa的岩石挖掘。相比而言, 锥齿轮可适用于不同地层的铣削, 而平齿轮在均匀较松散地层更能表现出其优越性。宝峨MBC30型铣槽机 (平齿) 铣轮刀设备如图8所示。利用电子测斜装置和导向调节系统、可调角度的鼓轮旋铣器, 可使地下连续墙成槽的垂直度高达1‰~2‰。铣削成槽施工过程如图9所示。

超深地下连续墙接头可采用H型钢接头方式, 施工时地下连续墙分为先行槽段和后续槽段, 先行槽段的地下连续墙钢筋笼两端为H型钢, H型钢与先行槽段钢筋焊接形成整体, 后续槽段可设置接头钢筋深入到接头的拼接钢板区;这种接头形式没有无筋区域, 止水性能良好, 且地下连续墙整体性好。超深地下连续墙也可采用铣接头, 即在2个Ⅰ期槽段中间下入铣槽机, 铣掉Ⅰ期槽孔端的部分混凝土后与II期槽段形成锯齿形搭接。

武汉绿地中心项目基坑主楼最大开挖深度30.4m, 采用1.2m厚的超深地下连续墙作为基坑的围护结构。地下连续墙穿过深厚细砂层、嵌入中风化基岩, 完全隔断坑内外承压水, 地下连续墙底部最大埋深达57m。深厚密实细砂层、含砾中细砂层和强风化砂质泥岩及细砂岩的标准贯入击数均远远>30击, 主楼区中风化细砂岩的单轴饱和抗压强度达17MPa, 采用常规的液压成槽机在工效、垂直度等方面均难以满足工程要求。

结合场地中风化岩层的分布和土层“上软下硬”的特点, 主塔楼硬质砂岩分布区域1.2m厚地下连续墙采用了成槽质量高、工效快的“抓铣结合”的成槽工艺 (见图10, 11) , 即浅层采用抓斗式成槽机施工, 深层采用铣槽机施工。从成槽实施情况看, 浅部填土、黏土层及中部砂层采用常规抓斗成槽, 成槽工效约4m/h;进入强风化和中风化岩层后, 其中铣槽机成槽速度约0.5m/h。1.2m厚地下连续墙采用截面为H1 094×500×14×14的H型钢接头。

基坑开挖后地下连续墙内表面平整干燥, H型钢接头处基本无渗漏。监测结果表明, 坑内水位降幅达到20m左右, 而坑外潜水水位基本没有变化, 坑外承压水位变化幅度仅约2m, 即坑内外承压水位的变化幅度比例约为10∶1, 说明超深地下连续墙隔水效果非常良好。

随着地下空间开发向超深方向发展, 承压水处理成为一个棘手问题。对于环境条件苛刻的基坑工程, 有时需采用水泥土搅拌墙截断或部分截断深部承压水层与深基坑的水力联系, 控制由于基坑降水而引起的地面沉降, 确保深基坑和周边环境的安全。由于成桩深度大, 下层往往进入标准贯入>40击的砂土层。常规三轴水泥土搅拌桩施工设备仅适用于标准贯入击数≤30击的土层, 且最大成桩深度仅为30m, 无法满足这种隔水帷幕的成桩要求。这就需采用超深水泥土搅拌墙技术, 目前国内主要有超深三轴水泥土搅拌桩技术、超深等厚度水泥土搅拌墙技术 (包括TRD工法和CSM工法) 。如在水泥土搅拌墙内插型钢则可形成复合挡土止水结构。

目前国内已从日本引入预钻孔结合连续加接长钻杆法三轴搅拌桩新型施工工艺, 其施工设备采用大功率动力头, 并采用可以连续接长的钻杆和适用于标准贯入击数>50的密实砂土层钻进的镶齿螺旋钻头, 搅拌桩的深度可达到50m。该工艺在上海、天津等多个项目中得到了成功应用, 取得了良好的技术效果。

TRD工法 (trench cutting re-mixing deep wall method) 是由日本引进的一种新型水泥土搅拌墙施工技术, 近年来经消化吸收和改进创新已在上海、天津、武汉、南京、杭州等10余个地区的多项深大基坑工程中成功应用。该技术首先将链锯型切削刀具插入地基 (见图12) , 掘削至墙体设计深度, 然后注入水泥浆液与原位土体混合, 并持续横向掘削、搅拌, 水平推进, 构筑成高品质的水泥土搅拌连续墙。该技术适应地层广, 不仅适用于标准贯入击数<100的土层, 还可在卵砾石层和软岩地层中施工。由该技术构建的墙体水泥土搅拌均匀、连续无接缝, 且墙身范围内水泥土完整性、均一性、强度和隔水性能更好。根据国内不同地区十余项工程水泥土墙体强度和渗透性试验统计数据, 水泥土28d龄期无侧限抗压强度为0.8~3.2MPa, 普遍>1.0MPa;水泥土墙体渗透系数在砂性土中达10^-8~10^-7cm/s量级, 在黏性土中可达10^-7cm/s量级。国内施工设备主要有由日本引进的TRD-Ⅲ型工法机、中日合资的TRD-CMD850型和TRD-E型工法机以及国内自主研制的TRD-D型工法机, 施工机架最大高度一般≤12m, 重心低、稳定性好。

CSM工法 (cutter soil mixing) 是在德国双轮铣深层搅拌技术基础上经过改进创新研发的一种新型深层搅拌技术。该技术结合了液压铣槽机设备的技术特点和深层搅拌技术的应用领域, 可以应用到各种复杂的地质条件中。其技术原理 (见图13) 是在钻具底端配置2个在防水齿轮箱内的马达驱动铣轮, 并经由特制机架与凯氏钻杆连接, 当铣轮旋转深入地层削掘与破坏土体时, 注入水泥浆液, 强制性搅拌混合已破碎的土体, 形成矩形槽段的水泥土搅拌体, 并通过连续作业将各幅相互铣削搭接的水泥土槽段构筑成等厚度水泥土搅拌墙。铣削深搅水泥土搅拌墙目前已在上海、武汉、广州、福州、南昌等10余个地区近50项工程中成功应用, 适用黏土、砂土、卵砾石、岩石等各种地层, 成墙厚度一般640~1 200mm, 强度达到1~2MPa, 墙体渗透系数可达到10^-7cm/s量级。该技术具有高掘削性能、高搅拌性能、低噪声、低振动、低置换率、主机操控灵活等特点。目前国内应用较多的设备有上海金泰工程机械有限公司自主研制的导杆式SC系列 (SC-35, SC-45, SC-50, SC-55) 工法机, 以及引进的德国宝峨公司生产的导杆式和悬吊绳索式设备。

上海国际金融中心项目位于上海市浦东新区, 基坑面积约为48 860m², 开挖深度为26.5~27.9m, 基坑采用顺逆结合设计方案。根据群井抽水试验, 基坑的降水井深度≥45m。由于本工程场地深部第 (7) 层、第 (9) 层中的承压水连通, 深度超过现有设备的施工能力, 无法采用隔断的处理方案, 因此考虑采用悬挂帷幕的方案。

采用700mm厚、53m深的TRD工法等厚度水泥土搅拌墙作为基坑外侧悬挂隔水帷幕, 墙底进入第 (7) ₂粉砂层, 以控制抽降粉土和粉砂层承压水对周边环境的影响。等厚度水泥土搅拌墙采用三工序成墙施工工艺, 水泥掺量为25%。各钻孔芯样28d龄期抗压强度检测结果随土层深度的变化曲线如图14所示, 浅层软黏土中芯样的强度平均值为0.9MPa, 深层粉砂中芯样的强度平均值为0.86MPa, 各土层中芯样的强度平均值0.81~1.22MPa, 墙体深度范围内强度指标差异小。从开挖第3层土方开始, 逐步开始抽降承压水, 坑外的承压水水位亦相应有所降低, 最大降深在开挖到基础底板的时候, 坑外水位最大降深约10m, 此时坑内水位降深约25m, 坑内外承压水水位降幅之比为2.5∶1, 与上海地区采用地下连续墙作为悬挂帷幕的工程一致, 且满足了工程的安全需要。

据不完全统计, 全国约一半的基坑采用排桩作为周边围护体, 但如此量大面广的围护排桩一般仅作为基坑临时围护结构, 在地下结构完成后即被废弃于周边土体中。然而事实上基坑工程结束后, 一般情况下围护排桩远未达到承载力极限状态, 其留存于地下室周边土层中, 即使不做任何构造处理, 依然天然地分担了部分土压力, 改变了地下室结构所承受的外荷载。不考虑围护排桩在永久使用阶段的作用, 既不符合实际情况, 也不符合建筑节能和可持续发展理念, 存在着能耗高、利用率低、资源浪费等问题。

桩墙合一是将原本废弃的围护排桩作为主体地下结构的一部分, 与其共同承担永久使用阶段荷载。得益于围护排桩在永久使用阶段的贡献, 可减小主体地下结构外墙的投入, 节约社会资源, 增加地下室建筑面积, 具有重大的经济、社会效益, 目前已在多项工程中成功应用。

不同于常规的围护排桩与地下室外墙之间预留1.0m左右的空间作为地下室外墙外防水施工操作空间, 并于永久使用阶段回填土的做法, 桩墙合一技术考虑将地下室外墙与围护排桩之间的间距缩小, 基坑开挖至基底后以围护排桩表面的挂网喷浆层作为施工防水及保温层的基层, 之后单侧支模施工地下室外墙, 形成桩与墙共同作用的挡土止水地下室侧壁, 在确保桩墙共同作用结构体系形成的同时, 满足永久使用阶段建筑防水、保温等功能的要求。根据围护排桩在永久使用阶段所分担荷载的不同, 可将桩墙合一分为不同的结合模式。当仅考虑围护排桩与地下室外墙共同分担水平向荷载时称为水平向结合 (见图15a) ;若采取措施使得桩墙间可传递剪力, 围护排桩在分担永久使用阶段水平向荷载的同时又可分担主体地下结构的竖向荷载, 则称为水平与竖向结合或双向结合 (见图15b) 。

在深基坑围护工程中, 土层锚杆技术占有重要的地位。锚杆体埋置于地下结构周边的地层中, 当工程结束后, 作为基坑支护结构的锚杆就失去了作用, 一般被废弃在地层中, 形成地下障碍物, 就会影响周边地下空间的开发与利用。拆除锚杆最简单的方法是回收杆体材料, 而锚固段灌浆体仍留在土层中, 基于此工程界开发出了可回收式锚杆。为确保回收效率, 可回收式锚杆要求杆体与灌浆体之间应隔离、无黏结。按照脱阻装置的不同, 可回收锚杆主要有3种类型:机械可回收式、力学可回收式、回转式。

锚杆目前主要应用于岩石及硬土层中, 对于软土基坑工程, 土的工程性质较差, 锚杆支护技术由于锚固力不高、变形控制效果不好, 其应用受到很多限制。基于此, 近年来, 工程界提出了一种旋喷搅拌大直径锚杆支护结构, 该技术是采用搅拌机械在软土中形成直径达到500~1 000mm的水泥土锚固体, 通过在锚固体内加筋, 并对锚杆体预先施加应力, 从而形成一种大直径预应力锚杆, 该技术对软土基坑的变形控制产生了较好效果。同时, 通过对可回收式锚杆技术的开发与应用, 实现了锚杆体的再利用, 减少或消除地下建筑垃圾的产生。旋喷搅拌大直径可回收式锚杆克服了普通锚杆在软土基坑支护中存在的锚固力不高、变形控制效果不好及不可回收的问题, 通过在上海、天津、武汉等地多个软土基坑工程的应用, 掌握了其设计和施工方法, 可控锚固力与锚固装置、脱阻装置和回收装置系统等达到应用水平, 且积累了一定的工程经验, 取得了良好的经济效益和技术效果。

当基坑采用传统钢支撑时, 杆件一般较密集, 挖土空间较小, 在一定程度上降低了挖土效率。预应力鱼腹梁装配式钢支撑系统 (IPS) 是一种以钢绞线、千斤顶和支杆来替代传统支撑的临时支撑系统。该技术在韩国、日本、美国等国家已得到运用, 近年来已被引进国内。

预应力鱼腹式钢支撑体系由水平支撑系统和竖向支承系统组成 (见图16) 。水平支撑系统包括对撑、角撑、预应力鱼腹梁、腰梁和连接件等;竖向支撑系统包括立柱 (立柱桩) 和连接件。预应力鱼腹梁装配式钢支撑系统采用现场装配螺栓连接, 不需焊接, 且大大增大了基坑的挖土空间, 可显著缩短基坑工程的施工工期, 材料全部回收重复使用, 彻底避免混凝土等建筑材料的使用, 降低了造价。预应力鱼腹梁可随时调节预应力, 便于周围土体位移控制和由温度变化引起的支撑伸缩量控制, 从而可以较好地控制深基坑的变形, 有效地保护基坑周边的环境。此外IPS支护结构的破坏模式为延性破坏, 因此针对可能发生的较大水土压力或突发荷载采取有效而及时的支护措施。在国内, IPS技术已在上海轨道交通5号线西渡站配套工程等多个工程中成功应用。

虹桥商务区08地块位于上海市虹桥商务核心区, 分为D13和D23 2个街坊, 地上建筑为多栋2~10层多层建筑, 均设置3层地下室。2个街坊基坑面积分别为4.6万m²和4.1万m², 开挖深度均约17m。在开挖深度范围的土层主要有 (2) 层粉质黏土层、 (3) 层淤泥质粉质黏土层和 (4) 层淤泥质黏土层。

该工程围护体采用旋挖成孔灌注桩, 普遍桩径1 250mm, 插入基底以下15m, 围护排桩外侧设置800mm厚TRD工法等厚度水泥土搅拌墙 (D13街坊) 或1 000mm@850mm三轴水泥土搅拌桩 (D23街坊) 止水帷幕, 坑内设置3道钢筋混凝土支撑系统支护。

该项目采用围护排桩与地下室外墙水平向结合的桩墙合一技术 (见图17) , 桩墙间采用传力板带型传力方式, 以满足外保温的设置需要。围护排桩与地下室外墙之间预留400mm空间, 依次设置挂网喷浆混凝土面层、防水砂浆找平层、防水卷材、保温及保护层和250mm施工偏差及开挖变形预留空间。桩墙之间通过地下室底板和设置于结构楼板同标高的300mm厚传力板带实现荷载传递和相互作用。

由于采用了桩墙合一设计, 地下室外墙由常规的800mm减小至400~500mm, 桩墙之间的空隙由常规1 000mm减小至400mm, 经估算2个街坊共节约工程造价约950万元。同时因地下室外墙减薄, 2个街坊共增加地下室使用面积约1 800m², 增加经济效益约7 200万元。

软土城市区域往往建筑物密集、管线繁多、地铁车站密布、地铁区间隧道纵横交错, 因此市区基坑工程的环境条件日趋复杂。在这种情况下, 基坑支护结构除满足自身强度要求外, 还须满足变形要求, 将基坑周边土体的变形控制在允许范围之内, 保证基坑周围建 (构) 筑物的正常使用要求, 是基坑工程设计和施工需重点关注的问题。

复杂条件下的基坑工程设计已由传统的强度控制转变为变形控制, 变形控制的关键是确定合理的基坑变形控制指标。严格地讲, 基坑工程的变形控制指标应根据基坑周边环境对附加变形的承受能力及基坑开挖对周围环境的影响程度来确定。由于问题的复杂性, 在很多情况下, 确定基坑周围环境对附加变形的承受能力是一件非常困难的事情, 而要较准确地预测基坑开挖对周边环境的影响程度也往往存在较大的难度, 因此也就难以针对某个具体工程提出非常合理的变形控制指标。此时根据大量已成功实施的工程实践统计资料来确定基坑的变形控制指标不失为一种有效的方法。上海市DG/TJ08-61—2010《基坑工程技术规范》就是采用这种方法并根据基坑周围环境的重要性程度及其与基坑的距离, 提出了基坑变形设计控制指标, 如表1所示。根据上海软土地区近8年的应用表明, 表1建议的变形控制指标可有效地指导基坑变形控制设计, 也可作为其他软土地区深基坑变形控制设计时的参考。

充分利用软土基坑的时空效应, 可有效地控制基坑的变形。对于长条形深基坑, 可采用分层分段开挖, 确定分层厚度和分段长度参数, 且每段开挖中又分层、分小段, 并限时完成每小段的开挖和支撑。典型长条形基坑的开挖方式和设计参数如图18所示, 图中分段长度L≤25m;每小段宽度B_i=3~6m;每层厚度h_i=3~4m;每小段开挖支撑时限T_r=8~24h, 在上海软土地区的地铁车站基坑开挖中具有良好的变形控制效果。

对于大宽度深基坑, 可根据基坑形状、环境保护情况和支撑布置情况采用分层、盆式分块开挖的方式施工, 一个典型方形采用钢筋混凝土支撑的基坑开挖流程如图19所示, 其开挖顺序为:先开挖 (1) 分块, 施工支撑;然后对称开挖 (2) 分块, 并及时形成对撑;然后对称开挖 (3) 分块, 并及时形成对撑;最后开挖 (4) 分块, 并形成整体支撑系统。根据具体情况确定合理的分层厚度、分块大小、周边留土宽度、临时边坡坡度、支撑施工时间等, 也可有效地起到变形控制的作用。

将一个大基坑分成2个或更多的小基坑进行施工也是控制软土基坑的有效方式。分区施工可采用分区顺逆作和分区顺作2种方式, 可综合考虑基坑的规模、周边的环境状况等采用合理的分区方式。分区顺逆作结合施工一般是将大基坑分成2个面积具有可比性的小基坑, 2个基坑之间采用临时围护体隔断;一般在环境保护相对较低的一侧先采用顺作法施工, 待其开挖到坑底、依次拆除临时支撑并完成地下结构的施工后, 再在环境保护要求高的一侧采用逆作法施工。分区顺作施工一般是将基坑分成1个较大的基坑和1个长条形的很小的基坑, 并都采用顺作法施工;这种方法一般用于基坑一侧邻近地铁隧道或地铁车站等环境保护要求非常高的情况;远离保护对象侧的较大的基坑采用顺作法先施工, 在其地下室结构施工完成后再进行紧靠保护对象的狭长形小基坑的开挖, 狭长形小基坑一般可采用伺服轴力自动补偿系统钢支撑, 通过施加预应力控制变形。

通过对坑内被动区土体进行加固, 可以提高被动区土体抗力, 从而减小基坑的变形。目前的加固方法包括注浆法、高压喷射注浆法、水泥土搅拌法等。被动区土体加固常用的平面布置有满堂式、裙边、抽条、墩式等, 如图20所示, 应根据基坑形状、环境保护要求等综合确定土体加固的平面布置形式。被动区土体加固的竖向布置包括坑底以下加固方式和坑底与坑底以上土体同时加固2种方式, 根据环境保护的需要, 坑底以上部分土体加固可从第1道支撑底或第2道支撑底以下开始。

可采用钢板桩、地下连续墙、树根桩、深层搅拌桩等构成隔断墙的方法 (见图21) 来减小基坑施工对周边环境的影响。也可采用如图22所示的隔水墙法来减小基坑施工对周边环境的影响, 通过在基坑围护墙和周边建 (构) 筑物之间设置隔水墙, 然后在围护墙和隔水墙之间进行降水, 通过减小围护墙的侧向水土压力减小基坑的变形, 同时隔水墙隔断了地下水降落曲线, 从而减小基坑施工对周边环境的影响。

上海盛大中心基坑工程位于上海浦东新区2-11-1地块, 基坑面积约7 000m², 塔楼区基坑挖深22.15m, 裙楼区20.95m, 邻近地铁4号线区域挖深17.15m。在邻近地铁4号线区域设置3层地下室、其余区域均设置4层地下室。地铁4号线区间隧道走向与本工程地下室沿福山路侧外墙基本平行, 埋深约17m, 地铁隧道结构距离本工程地下连续墙约6.0m;地铁2号线隧道走向与本工程地下室沿世纪大道侧外墙基本平行, 自西向东埋深逐渐增加, 在本工程基地北侧范围内埋深16~17m, 地铁隧道结构距离本工程地下连续墙约38m;9号线隧道走向与本工程地下室沿世纪大道侧外墙基本平行, 自西向东埋深逐渐增加, 在本工程基地北侧范围内埋深约16~19m, 地铁隧道结构距离本工程地下连续墙约8.5m。场地南侧福山路对面为待建的宏嘉大厦工程, 与本工程距离约35m。另外, 周边世纪大道、向城路和福山路下均埋设有大量市政管线。基坑周边环境条件复杂, 环境保护要求极高。

考虑到对邻近地铁的保护, 基坑总体方案采用分区顺作实施方案。基坑周边设置两墙合一地下连续墙围护结构, 并在坑内主楼区与裙楼之间后浇带位置设置临时隔断地下连续墙, 将基坑分为Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区3部分 (见图23) 。然后采用顺作法在塔楼所在的I区架设5道水平内支撑系统 (见图24) , 顺作施工完成Ⅰ区地下结构后, 再同样采用顺作法依次在Ⅱ区和Ⅲ区内架设5道水平内支撑系统, 施工完成相应的地下结构, 最后从上至下凿除临时隔断地下连续墙并依次连接隔断墙两侧结构梁板, 施工完成全部地下室。Ⅰ区基坑竖向设置5道水平钢筋混凝土支撑系统, 采用对撑体系的布置形式;Ⅱ区、Ⅲ区基坑普遍区域竖向设置1道钢筋混凝土支撑系统和4道钢管支撑系统, 其中钢支撑采用伺服轴力自动补偿系统钢支撑。此外, 还对Ⅱ区和Ⅲ区坑内土体进行了满堂加固。

基坑开挖阶段的监测表明, Ⅰ区地下连续墙最大侧向位移为44.9mm;Ⅱ区地下连续墙最大侧向位移仅18mm, Ⅲ区地下连续墙最大侧向位移仅15mm。地铁4号线上行线最大沉降为5mm, 下行线最大沉降为2mm。地铁2号线上行线的最大沉降为0.75mm。基坑施工期间, 地铁4号线和2号线处于正常运行状态, 表明本基坑工程的设计方案较好地保护了邻近地铁隧道的安全。

基坑工程技术伴随着我国近20~30年来的工程建设的快速发展而不断进步。在未来相当长一段时间内, 我国工程建设仍将持续快速地发展。由于城市建设用地日益紧张, 高层和超高层建筑仍将量大面广地建设。《中国交通运输发展》白皮书指出, “十三五”期间, 我国要建设现代高效的城际城市交通, 将新增城市轨道交通运营里程约3 000km。《全国城市市政基础设施建设“十三五”规划》指出, 我国将要建设地下综合管廊>8 000km。住建部《城市地下空间开发利用“十三五”规划》指出, 我国城市地下空间开发利用还将有相当大的规模。预计在未来相当长一段时间内, 高层建筑、轨道交通、地下综合管廊和城市地下空间开发利用等领域的建设还会持续涌现出大量的深基坑工程, 深基坑工程在基础设施建设中仍将占据重要地位。

深基坑工程是一门涉及工程地质、土力学、结构力学、施工技术、施工装备等多科学的综合学科。虽然多年来我国在深基坑工程的建设中积累了许多宝贵的经验, 其理论和技术水平得到了长足的进步, 但仍然不能满足基坑工程的技术要求。随着基坑工程进一步向大深度、大面积、周边环境更加复杂的方向发展, 工程中会不断出现新的挑战。展望未来, 深基坑工程可在以下方向进一步发展。

基坑工程历来被认为是实践性很强的岩土工程问题, 发展至今天, 迫切需要理论来指导、充实和完善。基坑的稳定性、支护结构的内力和变形以及周围地层的位移对周边建 (构) 筑物和地下管线等影响的理论计算分析, 目前尚难以准确地得出比较符合实际情况的结果。在理论上, 经典的土力学已不能满足基坑工程的要求, 加强考虑应力路径的作用、土的各向异性、土的流变性、土的扰动、土与支护结构的共同作用等的计算理论以及有限单元法等的研究;同时加强对土的相关强度和参数研究, 提高原位测试水平并重视从原位测试结果中确定合理的计算参数;针对有环境保护要求的基坑, 发展基坑变形控制设计理论等, 这些都是需要重点研究和发展的方向, 从而更有效地指导深基坑工程的设计和施工。

目前基坑工程大量采用泥浆护壁钻孔灌注桩、现浇地下连续墙和现浇钢筋混凝土临时支撑, 存在工业化程度低、生产效率低、作业条件差、施工质量不易控制、建造过程泥浆排放量大、能源和资源消耗大、环境污染严重等突出问题。发展预制装配式支护技术, 包括自凝泥浆预制地下连续墙技术、预制钢筋混凝土支撑技术、静钻根植桩技术等将是重要的发展方向。通过系统的研发达到预制装配式支护技术应用的标准化设计、工厂化生产、装配化施工和信息化管理的目标, 大幅减少泥浆排放, 提高施工效率和质量, 实现新技术的工业化。

我国幅员辽阔, 各地地质条件差异大, 我国工程技术人员根据各地实际情况开发出了很多具有我国特色的支护结构形式, 这些支护形式各具优点和适用范围。未来大量的深基坑工程建设也必将催生更多的新型支护形式出现, 并符合节能、减排、绿色、环保的发展需求, 以适应我国不同地质条件和环境条件的深基坑工程建设需要。

深基坑的不断发展, 在很大程度上取决于我国的工程机械设计和制造技术的不断进步, 伴随“中国制造2025”国家战略的实施, 机械制造行业有望为基坑工程行业提供精度高、质量可靠、适应性强、施工效率高的施工设备, 如大深度 (100m级) 大厚度地下连续墙施工装备、100m级超深水泥土搅拌墙装备、高效灵活的挖运土设备等, 为各类高难度和高复杂度的深基坑尤其是超深基坑工程施工提供装备和技术保障。

近年来, 随着计算机技术和工业化水平的提高, 基坑工程自动化监测技术也发展迅速, 目前国内一些深大险难的基坑工程施工开始选择自动化连续监测, 未来有望进一步推动自动化监测技术的应用, 并通过构架在Internet上的分布式远程监控管理终端, 把建筑工地和工程管理单位联系在一起, 形成高效方便的数字化信息网络;同时通过数据分析, 结合地质条件、设计参数以及现场实际施工工况, 对现场监测数据进行分析并预测下一步发展的趋势, 并根据警戒值评判出当前基坑的安全等级, 然后根据这些评判, 建议相应的工程措施, 确保工程安全、顺利地进行, 实现信息化施工。