紧邻历史保护建筑和轨道交通的深基坑围护结构优化设计和施工技术

复旦大学 上海 200433

1 工程概况

1.1 工程建设概况

复旦大学枫林路校区新建1#科研楼位于上海市徐汇区，是一幢地下2 层、地上5 层单体建筑。地下建筑面积12 490 m2，地上建筑面积8 538 m2，总建筑面积21 028 m2，建筑物高度24 m。基础底板厚600 mm，工程桩采用φ600 mm钻孔灌注桩。基坑开挖面积6 100 m2，东西长约150 m，南北宽约42 m，周长约380 m，开挖最深深度11.75 m。本工程基坑安全和环境保护等级均为二级。

1.2 周边环境概况

本基坑工程周边环境极其复杂，紧邻历史保护建筑、老建筑、各种管线、轨道交通等。

1）周边建筑物：东侧与中山医院综合楼（地下1 层、地上22 层）相距15.9 m；南侧的东1#楼为上海市历史保护建筑，距基坑23 m；西侧的治道楼距基坑最小距离为6 m；北侧为建造于1936年的3 层砖混结构，与基坑最近距离11.2 m。

2）管线：在基坑西侧与南侧有大量消防、燃气、电力、通信等管线，均在开挖深度2 倍范围内。其中，西侧的各种管线共有6 种，距离基坑3.4～6.7 m，南侧的各种管线共有8 种，距离基坑5.7～21.8 m。

3）紧邻地铁：西侧外墙边线距轨道交通7号线肇家浜路站外边线约38.5 m，在地铁运营线50 m内，需要保护。

1.3 地质条件概况

本工程区域内杂填土普遍较厚，为1.00～3.50 m，平均1.76 m，且夹杂碎石，上部主要由碎石、砖块、水泥块及瓦片等建筑垃圾夹少量黏性土组成，土质差。受古河道切割影响，场地中缺失第⑥层暗绿色粉质黏土。

2 围护结构设计优化措施

原围护结构设计为外侧三轴搅拌桩止水帷幕+内侧钻孔灌注桩。针对以上复杂的周边环境及地质条件概况，为控制因基坑围护结构变形而产生对周边管线、轨道交通和建筑物的不利影响[1,2]，本工程对基坑围护方案进行了优化设计，具体措施如下。

2.1 加强重点保护部位基坑围护——设置地下连续墙

基坑东侧、北侧围护采用厚800 mm地下连续墙，南侧历史保护建筑和西侧轨道交通重点保护区域采用厚1 000 mm的地下连续墙，增加围护刚度，在栈桥处地下连续墙墙底注浆加固。地下连续墙槽段情况较复杂，槽段分幅宽度一般为6 m，局部敏感区域分幅宽度适当调整 ，共67 幅，以减少基坑变形对周边环境带来的影响。在地下连续墙内外侧采用φ650 mm@450 mm三轴搅拌桩进行槽壁加固，采用套接一孔法，水泥掺量20%，加固深度16.5 m。

2.2 基坑内土体加固

为减少基坑开挖过程中对周边环境的影响，对基坑内被动区采用φ850 mm@600 mm三轴水泥土搅拌桩进行加固，以增强被动区侧向抵抗力，减少基坑变形。西侧位于轨道交通运行保护区范围内加固宽度9.85 m，加固深度-1.35～-16.75 m，即第1道支撑底至坑底以下5 m区域满堂布置，水泥掺量25%，其他区域加固宽度4.42 m，加固深度从自然土至坑底以下5 m，呈格栅布置，中板以下水泥掺量20%，中板至自然土区域水泥掺量8%，局部坑中坑加固底板以下水泥掺量20%。

2.3 增设施工栈桥

在基坑内设置施工栈桥，施工栈桥厚250 mm，南侧道路加罩钢筋混凝土路面，所有重型施工车辆均行走在栈桥上，避免重型车辆反复振动碾压造成基坑南侧历史保护建筑沉降和地下管线破坏。

2.4 水平支撑体系

采用2 道水平混凝土支撑，支撑结构情况如表1所示，支撑现场实景见图1，支撑端部设琵琶撑和斜撑。

表1 支撑结构情况

2.5 竖向支撑体系

立柱桩采用φ800 mm钻孔灌注桩，共82 根，其中部分利用工程桩，支撑立柱采用钢格构柱，立柱桩及钢格构立柱情况如表2所示，钢格构柱插入立柱桩内，穿越底板范围内设止水钢板。在栈桥下的钢格构立柱与混凝土支撑节点处设厚10 mm钢托板，钢托板下设3 块加强肋，并用槽钢设水平和斜撑作加固（图2）。

图1 混凝土支撑

图2 栈桥下钢格构柱

表2 竖向支撑体系

3 主要施工技术

3.1 三轴搅拌桩槽壁加固

为了有效防止槽壁坍塌，在地下连续墙内外侧采用三轴搅拌桩进行槽壁加固[3-6]。

1）方法：相邻搅拌桩采用套接一孔法施工，搭接时间不超过24 h，桩间搭接250 mm。

2）技术参数：水泥掺量20%，水灰比1.5～2.0，搅拌下沉速度0.5～1 m/min，提升速度1～2 m/min，靠近西侧施工时要适当放慢速度。桩体28 d无侧限抗压强度≥0.8 MPa，地铁保护区≥1.0 MPa。

3）下钻及提升过程中，保护螺杆匀速转动，严格控制下沉、提升速度，为保证桩身强度和均匀性，严格控制水灰比，水泥浆液不得离析。

4）试件取样每个台班2 根，每根不少于2 点，在坑底以上1 m和最软土层处分别取样，28 d后钻孔取芯，数量不少于0.5%且不少于3 根，每根桩取5 个点，钻芯后孔隙要注浆填充。

5）三轴搅拌桩桩位布置偏差≤50 mm，桩身垂直度偏差≤1/300。

3.2 钢格构立柱施工

钢格构立柱施工质量关系到竖向支撑体系立柱抗弯性能和竖向强度。

3.2.1 格构柱制作

1）格构柱对接焊接时接头错开，同一截面角钢接头不超50%，相邻错开位置≥500 mm。

2）柱身保证垂直度，柱身弯曲≤1/250，焊缝高≥10 mm，全部采用满焊。

3）格构柱在距底板底和顶250 mm位置处设置2 道止水钢板，宽100 mm（在施工底板钢筋时安装）。

3.2.2 吊装

1）吊装前先进行确定4 个定位点，定位偏差≤10 mm。

2）采用1 台500 kN吊机进行吊装，吊点位于格构柱上部，将吊起的格构柱慢慢放入钢筋笼内，进入钢筋笼不小于3 m（不包括锚入底板钢筋的长度45d）。

3）在格构柱四边的钢筋笼主筋上各焊1 根水平钢筋，距格构柱20～30 mm，使格构柱位于钢筋笼中间，保证四边与钢筋笼间距一致。

4）格构柱4 个面分别采用2 根长1 000 mm的φ16 mm钢筋斜向与钢筋笼主筋双面焊接，焊缝长度≥5d（图3）。

图3 格构柱与钢筋笼固定

5）在格构柱上标出柱顶标高标记，当下放到位时，用160 mm×60 mm角钢固定在事先安装好的校正架上，标高控制在±20 mm。

3.3 基坑降水

1）本工程降水采用真空疏干深井进行基坑降水，可以充分疏干土中的自由水，提高坑内土体强度，减少坑底隆起和围护结构变形量。疏干井数量一般按每180～220 m2设置1 口，本工程根据疏干面积，配备25 口疏干井，另设3 口观测井，这3 口观测井也作备用井。

2）降水井结构：孔径650 mm，孔深比管底深1 m左右。井管采用φ273 mm焊接钢管，长16 m，井深低于底板5 m左右，井管顶部比自然地面高300～500 mm。外包尼龙网，从井底向上至地面以下2 m范围内井管周围填粗砾滤料，排除积水，然后用不含砂的黏土填至地面并压实封口，以防漏气。

3）疏干降水井在基坑开挖前至少20 d开始，水位降至坑底开挖面以下1 m。

4）每3～4 口井配1 台真空泵抽气，在疏干井管内形成真空，加快土体中自由水流向井管，每口井用1 台潜水泵抽水。

3.4 土方开挖

为了保护轨交车站运行区间和历史保护建筑、管线等，针对本基坑特点，主要采取分区、分块、分层的方法进行本工程挖土施工控制。

1）施工段、层总体划分：由东往西依次分3 个工区，分别为一工区，二工区，三工区，再按支撑高度划分为3 层，共计9 个施工段。依次进行流水开挖和混凝土支撑及底板的浇筑施工。

2）时间控制：为确保将基坑对周边历史保护建筑、轨交车站及区间的影响减小到最低，基坑开挖时充分利用时空效应原理分为若干个单元小块开挖。一工区分4 小块，二工区分4 小块，三工区分3 小块，严格规定每个单元小块的挖土时间和支撑时间，以减少围护变形。

3）根据支撑体系的布置和大基坑的特点，整个基坑采用分仓抽条开挖的方式，严格遵循“分层分块、对称均衡、留土护壁、严禁超挖”的原则进行挖土。

4）配备充足结构队伍进行混凝土支撑的施工，做到每块土方的开挖和支撑施工在设计规定的时限内完成，减少基坑暴露时间，以控制围护变形。混凝土支撑采用静力切割拆除，以减少对周围建筑物及地下管线的影响。

5）第1层土开挖从东侧19轴中间向西开挖，从自然土至第1道支撑面，挖土深度650 mm，并抽条开挖至第1道支撑底下200 mm处。

6）第2层土开挖工序如下：

（1）待第1道支撑强度达到100%，土体加固达到设计要求强度，降水到开挖面以下1 m后，开始第2层土体开挖。

（2）配备长臂挖机2 台，EX-200挖机2 台，EX-60小挖机2 台。

（3）从第1道支撑面挖到第2道支撑面，挖土深度6 m（分3 小层开挖），每层2 m。

（4）挖土流程：根据划分后3 个工区，先从一工区（东）开挖，开挖完成后紧跟做第1道混凝土支撑，再开挖二工区（中），做混凝土支撑，最后挖三工区（西），做混凝土支撑。

7）第3层土开挖工序如下：

（1）待第2道混凝土支撑强度达到100%，基坑降水至开挖面1 m以下后，开始第3层土体开挖。

（2）配备长臂挖机2 台，EX-200挖机2 台，EX-60小挖机2 台。

（3）从第2道支撑面开挖到离坑底200 mm，其中深坑区开挖深度5.15 m（分3 小层），浅坑区开挖深度3.60 m（分2 小层）。

（4）挖土流程：同第2层土，每块开挖完后立即做垫层、底板。

4 实施效果

目前，复旦大学枫林路校区新建1#科研楼工程地下主体结构施工已完成。通过监测数据反映，设置在轨道交通7号线肇嘉浜路站通风井口的6 个监测点垂直位移（上抬或下沉））累计最小值0.4 mm、最大值1.4 mm，未达报警值，保证了轨道交通的正常运行，轨道交通通行不受影响； 周边各种管线没有出现较大的明显沉降和差异沉降；周边建筑物垂直位移没有出现较大的沉降速率或较大比率的不均匀沉降，较好地保护了历史保护建筑。因此，本工程实施效果良好，达到预期目标，可供类似复杂环境条件下基坑围护工程借鉴。