近年来, 随着城市建设的飞速发展, 地铁、轨道交通换乘、地下通道、地下商业街等地下空间的改造建设也越来越多。在对城区地下空间综合开发的过程中, 由于功能需求、利用深度的不同, 出现了很多内部开挖深度不一致的非对称基坑。针对基坑开挖降水过程中支护结构变形性状及其引起的环境效应的研究大都基于开挖深度一致的对称基坑, 然而非对称基坑支护体系的受力与变形往往比普通基坑复杂得多^[1,2], 支护结构承受荷载不对称甚至可能引起整体滑移, 造成地面沉降等问题。且该类基坑往往地处闹市区, 周边环境复杂, 甚至紧邻河道或地铁;地层基本为饱和含水流塑或软塑黏土层, 孔隙比及压缩性大、抗剪强度低、灵敏度高^[3];并且基坑形状不规则, 单一的中心岛式或盆式土方开挖方案较难适用。

以上海市普陀区某深大基坑工程为背景, 对内部挖深不一致的非对称基坑的设计思路和设计方法进行深入探讨。

上海某大型商业住宅综合项目位于普陀区长风生态商务区内, 占地面积约46 300m², 主体建筑单体类型繁多, 包括12栋多高层住宅及商业配套等, 整体设1~2层地下车库, 采用承台/筏板+桩基础。

基坑平面形状不规则, 基底高低落差复杂, 开挖深度各异, 主要由主体结构相连的地下1层区 (南侧, 23 100m², 普遍挖深5.75m) 和地下2层区 (北侧, 11 430m², 普遍挖深10.05m) 组成。建设方要求该项目的地下2层区和地下1层区的东南侧高层先期交付。基坑平面及其周边环境如图1所示。

基坑西侧和北侧均为现状道路, 路面下埋设有一定数量的市政管线, 其中最近的分别为西侧距坑边8.7m的高压管线, 及北侧距坑边12.3m的电力管线;基坑东侧50m外有一在建医院;南侧距基坑最近约6.7m有多栋空置待拆厂房需重点保护。

拟建场地属滨海平原地貌类型, 场地内的土层分布较为稳定, 主要由粉砂土、黏性土、砂土组成, 一般呈水平层理分布。基坑开挖所涉及的主要土层为①, ②₃和⑤₁层;其中②₃层厚度较大, 透水性强, 易发生流砂问题;⑤₁层为主要软土层, 状态软塑, 压缩性高, 抗剪强度低^[3]。表1给出了各土层的主要物理力学指标。

支护设计方案要根据实际情况, 通过对基坑特点的分析, 采用最优的设计方法解决基坑支护体系受力问题, 并采取可靠的工程措施使基坑开挖对周边环境的影响最小化, 同时尽可能地缩短工期、降低施工造价。

对于本工程基坑, 明挖顺作法与逆作暗挖法均是可供选择的施工方法, 考虑到基坑周边环境、空间条件尚可, 综合施工便捷以及节约投资等因素, 优先选择明挖法进行施工。

通常情况下, 对于非对称基坑的内部交界处:当深、浅区高差≤4m时, 可采用放坡、土钉墙或水泥土重力式围护墙作为支挡结构;当高差较大时, 宜采用板式桩撑支护体系。本基坑内部地下1, 2层区交界处高差约为4.3m, 按照上海地区的工程经验和文件要求, 交界处的支护结构首选钻孔灌注桩排桩结合内支撑的形式, 可结合工程桩进行布置, 不占用绝对工期, 且具有较好的整体刚度。

此外, 由于本工程地下1层区范围内建筑类型繁多、基础底板高低落差复杂, 中心岛式开挖结合斜撑的方案难以实施, 故在地下1层区也需设置钢筋混凝土水平内支撑, 来传递和平衡作用在围护结构上的水土压力。

基于以上考虑, 基坑开挖可供选择的施工方案主要有以下2种。

方案1中, 地下1, 2层区分别独立支护, 共用交界处的围护桩, 最快在地下2层区施工完成地下1层结构梁板及传力构件后, 可进行地下1层区的开挖 (见图2) 。

该方案能有效控制基坑变形, 保护周边环境;但结构受力转换复杂, 施工繁琐, 交界处施工缝较多, 不利于永久结构的受力与防水, 且难以满足本工程业主的工期进度要求。

方案2中, 地下1, 2层区统一布置第1道水平支撑, 并在地下2层区增设第2道水平支撑, 通过在交界处留设足够宽度的土台使得两区能够同时进行土方开挖 (见图3) 。

该方案能有效缩短总工期, 但由于基坑面积较大, 第1道支撑的变形控制能力一般;交界处围护桩的顶标高降低至地下1层区基底, 不仅节约了围护造价, 而且使交界处的主体结构能一次成型, 结构整体性较好。但是在方案实施中, 对交界处预留土台的范围和挖除时机需仔细斟酌, 并安排好分块开挖流程, 以策安全。

基于以上综合分析比较, 选定方案2作为本工程最终实施方案, 施工便捷、经济合理、安全可靠。

本工程选用钻孔灌注桩排桩结合外侧三轴水泥土搅拌桩止水帷幕作为基坑围护结构, 全基坑统一设置第1道钢筋混凝土水平支撑, 地下2层区增设第2道钢筋混凝土水平支撑, 支撑平面布置采用对撑、角撑结合边桁架的形式。

图4为基坑各区域支护结构典型剖面。

对于非对称基坑, 通过简化的荷载-结构模型按增 (全) 量法对围护结构进行计算分析时, 仅能确定围护桩的受力情况, 不能反映基坑开挖过程中周边建筑物、现状道路、地下管线等的变形性状。为此, 本工程采用岩土工程有限元软件PLAXIS选取地下1, 2层区全断面对开挖过程进行模拟分析。

1) 计算模型及材料参数有限元分析中, 土体采用适用于基坑开挖的硬化土模型, 围护结构采用线弹性模型。在参数方面考虑:主偏量加载引起的塑性应变、主压缩引起的塑性应变以及弹性卸载/重加载的卸荷模量。

基坑外计算宽度为30~40m (即基坑开挖边线向外延伸4~5倍开挖深度) , 计算深度取地表下60m, 并模拟与基坑最近的西侧高压管线。之后根据实际情况采用中等粗糙程度网格对模型进行划分, 并对局部重要的点、线加密网格, 有限元模型如图5所示。

2) 基坑开挖工况有限元分析中分步降水开挖路径完全按照实际工况选取 (见表2) , 并采用程序中的单元“生死”功能来模拟土体开挖和支护结构施工。

3) 图6~7为基坑开挖至基底时的变形计算结果, 地下2层区围护桩身最大侧移23.17mm, 地下1层区围护桩身最大侧移20.04mm, 交界处围护桩身最大侧移19.35mm, 坑外管线最大沉降8.67mm, 上述变形值对照规范允许的控制值均有一定余量^[4,5], 表明本基坑工程采用的设计方案稳定可靠。

为了控制基坑开挖对周边环境的影响, 掌握同步开挖过程中基坑各区域的变形性状, 在本工程实施中, 对支护体系及其周边保护对象进行了详细的布点监测, 确保基坑全程信息化施工。

图8为地下1, 2层区具有代表性的测斜点在基坑不同施工工况下的侧向位移。可以看出, 随着挖深的增大, 各测点的侧向位移逐步加大, 并在底板浇筑完成时达到最大值。围护结构侧向位移均呈两端小、中间大的形态, 说明水平内支撑已经发挥作用;开挖至基底时, 围护结构侧向位移迅速增大, 最大变形点出现在坑底周围;底板浇筑完成后, 虽然基坑挖深没有增加, 但围护结构侧向变形仍有少量发展, 这说明软土地层的流变特性对基坑变形的发展有一定影响。地下1, 2层区的围护结构侧移最大值分别为21.23mm及25.11mm, 实测结果与数值计算结果吻合得较好, 两者均表明, 采用本工程设计方案可将基坑变形控制在允许范围之内。

图9为基坑第1层土体开挖至底板浇筑完成后基坑周边各地下管线的历时-沉降曲线。可以看出, 电力管线、高压管线的历时-沉降形态基本相似。随着开挖深度的增大, 各管线的沉降均发展较快, 在底板浇筑以后仍有所增长, 但趋势减缓。电力管线监测点的最大沉降发生在D4和D6测点, 最大沉降为24.58mm。高压管线监测点的最大沉降发生在GY7测点, 最大沉降为22.5mm。基坑施工期间, 由于周边道路未采取保护措施、控制重车碾压, 导致管线累计变形值偏大, 但均处于正常运行状态, 表明本工程的设计方案较好地保护了基坑周边的管线。

图10为基坑第1层土体开挖至底板浇筑完成后基坑周边建筑物沉降点的历时-沉降曲线。从图中可以看出, 随着基坑开挖的进行, 各测点的沉降逐步增加, 并在后期趋于平稳。图10a为4号楼测点的沉降情况, 最大沉降为14.86mm, 位于测点F1。图10b为1号楼测点的沉降情况, 最大沉降为13.44mm, 位于测点F5。表明本设计方案能较好地控制基坑施工对邻近建筑物的不良影响。

本项目中的非对称深大基坑工程地处滨海软土地区, 周边环境复杂, 设计中以加快施工进度和节约工程投资为目标, 结合实际情况, 采用了“深、浅区同步开挖, 整体顺作”的总体方案。与常规做法相比, 该方案能有效缩短工期, 降低工程造价, 且交界处主体结构能一次成型, 结构整体性较好;但交界处预留土台的范围和挖除时机尚需结合更多的分析方法与工程实例进一步研究完善。

为确保施工安全, 基坑开挖的全过程进行了详细的布点监测, 并将监测数据与理论数值及控制标准进行了对比分析。结果表明, 基坑开挖引起的位移值均在控制范围内, 周边建筑、管线也处于安全状态, 基坑设计意图在工程实施中得到了较好体现, 取得了良好的经济效益和社会效益。