軟土地基超大型深基坑設計優化及施工關鍵技術

胡董超 王洪 姜波 趙家耀

【摘要】現今大型無內支撐深基坑圍護形式通常采用水泥土重力式擋墻，當基坑土層屬于軟土層時，普通懸臂結構易造成鉆頭無法工作，支護結構承受的豎向壓力較小。本文主要闡述在軟土地基下超大型深基坑采用內插PRC雙排樁的支護體系，該支護體系極大的提高了基坑支護強度及基坑安全性，同時該支護體系可承受較大的施工荷載，為后續基坑開挖與結構施工穿插及預制構件吊裝提供較大的便利。

【關鍵詞】無支撐雙排樁基坑支護;地下污水處理廠;軟土地基;PRC管樁

1、工程概況

1.1、工程簡介

竹園污水處理廠四期工程1.5標位于浦東新區高東鎮，用地南至華東路，東至洲海路，西至規劃高東二路，北至外高橋船廠，為新建半地下室污水處理設施，層高一層。

本工程包括新建70萬m3AAO生物反應池、平流式二沉池、雨水泵房、污水泵房、碳源投加間等構筑物。

本工程除AAO生物反應池缺氧池區域采用裝配整體式結構，其余構筑物均采用現澆框架結構。AAO生物反應池2座（單個尺寸214mX170m，層高10.1m）、平流式二沉池（單個尺寸223mX101m，層高6.4m）、雨水泵房、污水泵房、碳源投加間及管道箱涵等構筑物。

1.2、基坑概況

本工程基坑開挖總面積約為13.1萬m2，基坑平面形狀為矩形，基坑尺寸478×289m，其中AAO生物反應池基坑面積約為8.1萬m2，平流式二沉

池基坑面積約為5萬m2。AAO生物反應池開挖深度為5.1m～6.1m，平流式二沉池開挖深度為2.15m～5.15m。

1.3、水文地質概況

擬建 1.5 標場地有 4 條明浜分布，明浜局部區域回填后形成暗浜，明暗浜底多分布浜土，厚度約 0.7m～1.5m，含大量有機質，狀態差，對工程不利，主要涉及圍墻區域，基礎施工時應進行清除。

場地有一定厚度的③層灰色淤泥質粉質粘土夾粉性土、④層灰色淤泥質粘土、⑤1-1 層灰色粘土，為上海地區典型軟土層，呈流塑～軟塑狀，有壓縮性高、強度低滲透性小和靈敏度高等特性。

擬建場地內有居民住宅，地下分布有雨、污水排放管、給水管道、電力電纜，民宅拆除后，會遺留有大量舊基礎等障礙物對施工影響較大。有關地下管線和障礙擬建場地內有居民住宅，地下分布有雨、污水排放管、給水管道、電力電纜，民宅拆除后，會遺留有大量舊基礎等障礙物對施工影響較大。

2、難特點分析

2.1 基坑開挖面積大

生反池及二沉池基坑面積約 13.1 萬 m2，生物反應池挖深 5.1m-6.1m，平流式二沉池挖深2.15m-5.15m，基坑安全等級為三級，屬超過一定規模的危險性較大的分項工程。因此基坑開挖過程中需注重“時空效應”，以“分層、對稱、限時開挖”為施工標準，基坑按照分區分塊及施工工況進行土方開挖。

2.2 基坑開挖與結構施工穿插，施工要求高

工期緊張、開挖面積大是工程常有的施工難點，現本工程采用跳倉法進行挖土施工，且土方開挖完成后為避免基坑長期暴露在外部環境之下，需在開挖完成后立即進行墊層澆筑及結構施工。

除此之外，預制構件吊裝階段為方便吊裝施工，需利用壓頂行駛重車及預制構件臨時堆放（最大構件重量為10.520T），荷載較大。為滿足吊裝工況，相較于傳統的水泥土重力式擋墻，現內插PRC管樁的門式水泥土重力式擋墻可滿足較重構件的起吊及運輸車地耐力的安全性能要求，同時抬高圍護壓頂頂標高與施工便道頂標高齊平。

2.3 軟土地基土質情況下圍護施工難度大

本工程淺部粉土厚度較大，攪拌樁施工時，砂性土的沉積易造成攪拌樁埋鉆，漿液離析、漏水，導致圍護施工進度較慢，且圍護強度不能達到設計值。施工過程中需根據現場土質情況對攪拌樁水泥漿液配比進行優化，提高砂性土層的土性，提高砂性土層流動性和可塑性。對攪拌樁鉆頭切削性能進行優化改進，且每臺班結束時檢查鉆頭的外觀情況，存在破損的情況，及時更換，確保攪拌樁成樁進度及質量符合要求。

3、支護方案選擇及優化

3.1 原設計方案

生反池圍護原設計方案為采用1：1方式放坡+10mφ700的水泥土重力式擋墻及最外側內插12mφ500的PRC管樁的形式，且原設計降水措施為每2502設置一處疏干井進行降水施工。

為滿足現場預制構件吊裝階段施工及開挖與結構施工交叉進行等因素，部分基坑外圍需要通行重車，另外基坑面積大，基坑內也需要通重車。所以基坑需要調整優化，滿足基坑安全的同時，滿足現場施工。

3.2 豎向支護優化

現針對工程施工特點、詳細剖析地勘報告及結合現有施工條件采用無支護雙排樁支護方案。內插兩根PRC管樁的雙排樁由于門架式結構相較于內插單根PRC的懸臂支護，其具有整體性強，可應用于較深的無內支撐基坑，且內插兩根PRC管樁的雙排樁門式支護有更強的支護強度，可上部可承受較大荷載，適用于本工程類似的圍護頂部壓頂需走重車等較大荷載的工況。

無內支撐內插雙排PRC管樁的支護方案，即在五軸φ700樁長15m水泥土重力式擋墻的最內側及最外側內插14m的PRC管樁，且PRC管樁頂部錨入冠梁300mm。同時基坑上部3.8m采用C30鋼筋混凝土板（面層鋼筋采用雙層雙向C14@150鋼筋網片），基坑底部采用Φ800高壓旋噴樁土體加固對水泥土重力式擋墻進行補強，減少擋土墻的變形。

3.3 坑內道路加固優化

本工程現場可利用場地較少，同時由于工期緊張導致結構施工與開挖需要同步進行，所以本工程將坑邊圍護壓頂與施工便道相連，形成環坑道路以便于構件運輸車輛行駛。除此之外，為便于挖土與結構施工同步進行，在基坑坑內設置入坑通道。

圍護頂部壓頂作為施工道路，該區域，圍護頂標高調整至標高3.8m處，與施工臨時道路同一標高，同時水泥土重力式擋墻頂部施工300厚C30壓頂，內配雙層雙向C14@150的鋼筋，PRC管樁頂部采用600厚、寬900mm，鋼筋在壓頂內配鋼筋基礎上增加8根C20的水平鋼筋和A8@200的箍筋，其中PRC管樁錨入冠梁300mm，每孔一根，經設計驗算后圍護強度滿足施工期間的施工荷載。

本工程因施工工期緊張及結構與挖土的同步施工，在坑內設置入坑通道。

入坑通道，寬18m，坡比1：10，長度106m，主要留設在A2-3、A3-3、A4-3、A5-3、A6-3、A7-3區，土方預留作為結構施工階段臨時入坑道路（詳見附圖），兩側做好放坡。入坑通道留設區域，使用φ800的高壓旋噴樁進行土體加固，標高-0.6m～1.9m區域內土體加固高度為5m，標高1.9m～3m區域內土體加固高度為7m。

3.4 基坑降水方式優化

根據本基坑降水層土質的實際情況，考慮到降水深度和實際效果，基坑開挖范圍內以粘土、粉土、淤泥質土為主。生物反應池開挖深度為5.1～6.1m，平流式二沉池開挖深度為2.15～5.15m。

原降水施工方案為AAO生物反應池布置298口疏干井進行降?？紤]到疏干井降水對周邊影響較大、施工工期相對較長，現針對AAO生物反應池采用318套抽條輕型井點降水，平流式二沉池采用222套輕型井點降水。

降水施工過程中應在基坑開挖前7～15天進行。型井點設計20米為一組，組間距為8米，井點間距為1.5米。

抽條輕型井點相較于原設計的深井施工方案，存在性價比高、施工便捷化、對周邊影響小等特點。先在原地面標高3.8m處開挖1m溝槽，溝槽開挖至2.8m時，再安裝輕型井點降水設備。抽條輕型井點降水最大程度的利用了該技術的降水效率，為后續進行挖土施工提供了便利。

4、關鍵施工技術

4.1 施工總體部署

本工程平流式二沉池樁基使用T-PHC管樁，其余區域為預制PHC管樁，由于預制樁的施工對土體有較大的擠壓效應，故施工時先打設管樁樁基，在管樁影響范圍外，再跟進施工圍護結構。

施工搭接順序為：樁基總體由南向北施工，先施工基坑周邊一圈兩排管樁，減小后期擠土效應對圍護的影響。然后從南側向北側進行樁基施工，樁長主要在26～32m，管樁擠土效應影響范圍在50m（圖7中陰影區），待陰影處樁基完成后跟進施工五軸攪拌樁圍護、高壓旋噴裙邊加固，攪拌樁施工結束后，等達到28天設計強度，可進行下一道施工工序。

4.2 施工道路設置

本工程沿基坑四周一圈設置臨時施工道路，環繞擬建建筑物鋪設臨時施工道路，并與大門連通。根據現場實際情況，南北向沿基坑設置3條長330m的施工便道，東西向沿基坑設置2條長490m的施工便道，平流式二沉池裙邊加固上設置1條長230m、寬8m的臨時便道及與生反池內插PRC雙排樁支護頂部施工的壓頂相連，形成坑邊道路。施工便道做法為C20混凝土內配鋼筋，且環坑道路底部先回填道渣，再回填碎石墊層，最后澆筑混凝土完成施工便道的設置。

4.3 PRC管樁支護施工技術

PRC施工順序為：五軸攪拌樁套接施工→起吊PRC管樁→機械輔助下沉PRC樁→沉樁至設計標高。

其具體施工方法為，PRC管樁使用前，在距管樁頂端中心處開一個圓形孔洞，孔徑約800mm，并在該處管樁兩面加焊厚大于等于12mm的加強鋼板。管樁長度不夠需兩節樁進行拼接的，焊縫應均為坡口焊，焊好后檢查焊縫是否飽滿，有無氣泡、夾渣等情況，如焊接不合格等情況應進行補焊，最后用砂輪機進行打磨，保證焊縫至與管樁面一樣平。

五軸水泥攪拌樁施工完成后，吊機應在規定吊點位置，準備吊放管樁，用50噸履帶吊起吊管樁。放置管樁翻轉架，待管樁起吊吊離地面后，拆卸翻轉架。將管樁底部中心對正樁位中心并沿定位卡靠管樁自重徐徐插入水泥土攪拌樁體內，樁體垂直度偏差不大于1/200，若管樁依靠自身重力插放達不到設計標高時，可采用機械進行輔助下壓。管樁必須在攪拌樁施工完畢后30min內插入，避免因攪拌樁初凝導致無法插入PRC管樁的情況。

4.4 跳倉法挖土施工技術

根據設計圖紙結構變形縫的設置，將生反池及二沉池分為98塊

基坑開挖按照劃分的區塊進行開挖，采用明挖法進行施工。生反池開挖前，在高低跨處二沉池區域開挖6.0m寬平臺至二沉池底標高，外側1：1.5放坡，然后再開挖生反池，高低跨處開挖完成后，本工程基坑A、B 區，總體由南向北施工，開挖順序如下：

A區：①首皮土開挖標高為3.8m至1.3m，挖深2.5米，由南至北退挖;

②第二皮土挖開標高為1.3m至-1.3m，挖深2.6m，由南至北退挖;

③局部坑中坑開挖標高為-1.3m至-2.3m，挖深1.0m，由南至北退挖;

B區：①首皮土開挖標高為3.8m至1.65m，挖深2.15米，由南向北退挖;

②局部坑中坑開挖標高為1.65m至0.65m/0.15m/-0.85m/-1.35m。

各區域挖土注重“時空效應”，以“分層、對稱、限時開挖，嚴禁超挖”為施工要求。第一皮先開挖2.5m，第二皮在開挖至設計基底標高，考慮到基坑土體應力無法在短時間釋放，導致坑底土體存在一定的隆起現象，影響現場施工進度，因此在開挖過程中設置應力緩沖區，緩沖區按照底板澆筑范圍邊3倍開挖深度范圍內的區域進行提前開挖。

5、監測數據分析

5.1 監測內容及方案

基坑監測項目主要有圍護結構頂部水平位移和豎向位移監測、圍護墻深層水平位移監測（測斜）、基坑外地下水位監測、坑周地表豎向位移監測等內容。

本工程變形監測點位共布置了96個圍護頂豎向位移、布置了195個地表豎向位移、布置了45個測斜監控孔。

5.2 數據分析

根據監測數據總評分析，測點CX4在施工荷載的作用下累計變形最大（19.5mm），其每日變化最大變化量為4.3mm，在累計最大變形量±50mm，但每日超過了最大變化量±4mm的允許變形范圍之外。

基坑圍護側向位移變形經分析后可得主要的變形因素為受基坑開挖土方卸載后，土壓力過大及預制構件吊裝階段施工動荷載較多等影響，導致一定區域內土體受到擾動，波及周邊土體產生一定程度位移，導致局部測斜點位累計量達到報警值，后續隨著結構底板及外側壁板的完成，基坑整體較為穩定，其數據變化速率趨于穩定。

7、實施效果及改進措施

本工程為給排水構筑物施工，存在基坑開挖面積大、坑邊縱向及橫向跨度大、基坑開挖深度大，且所處基坑土層多為軟性土等施工難點?，F采用無內支撐內插PRC管樁的雙排樁支護結構，極大的減少了圍護施工工期，且為圍護施工提供了極大的便利性。有效的解決了傳統地下式污水廠基坑圍護施工的經濟效益差、工期長、水平內支撐施工難度大等弊端，避免了因基坑存在水平內支撐導致施工困難、施工工期長等問題，也為地下結構施工帶來極大便利，為后續類似大面積、大跨度無內支撐的工程提供了基坑支護設計優化與施工提供了數據支持及現場施工經驗。

參考文獻

[1]龍騰.雙排樁支護結構研究現狀.株洲：湖南工業大學，2018

[2]建筑基坑支護技術規程..北京：中國建筑工業出版社出版發行，2012

作者簡介：胡董超（1991-），男，大學本科，工程師。

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