水务工程超大超深双基坑设计选型分析

摘要：上海某水务工程超大超深基坑在设计选型过程中，通过对基坑设计总体方案、开挖方案、围护方案、支撑结构、主体结构与支护结构结合方式、坑底加固等方面进行方案比选，最终明确了该超大超深双基坑的设计方案。根据工程实际，此次设计取得了良好的效果，为后续类似基坑设计选型提供了宝贵经验与参考。

关键词：水务工程；超大超深；双基坑；设计选型

1引言

上海某水务工程超大超深基坑，开挖面积35650m2，基坑开挖深度18.10m～26.00m，基坑工程安全等级为一级。基坑大面积开挖会引起坑内土体卸载隆起“时空效应”明显，导致基坑周边产生较大范围的土体沉降及水平变形等一系列问题，围绕着基坑支护结构施工要求高、施工组织难度大、基坑分区施工工期较长、地下水控制难度高、周边环境保护困难等设计、施工难题，在高水位软土地基中开挖如此面积和深度的基坑工程，存在较大的风险性，需要合理选择设计方案，确保基坑工程安全顺利的实施。

2基坑设计总体方案选择

针对本工程的基坑面积及基坑开挖深度，根据目前上海地区在基坑工程方面的设计、施工经验和科研技术水平，基坑工程总体方案可考虑采用以下几种。

2.1“顺作法”设计施工方案

“顺作法”设计施工方案即采用传统的板式围护结构+内支撑的方案，其中板式围护结构可选取地下连续墙，内支撑可选取钢筋混凝土围檩+支撑。“顺作法”的优点：施工工艺成熟，施工方式简单、便捷。目前绝大部分基坑均采用此种支护形式。“顺作法”的缺点：与逆作法相比，支撑刚度相对较小，变形控制能力较弱，对周边环境影响可能较大。

2.2“逆作法”设计施工方案

“逆作法”设计施工方案即考虑利用主体结构的楼板体系作临时挖土支撑系统，并在楼板上预留出土洞口，逆作法围护结构通常采用地下墙，且同时利用地下墙作为地下结构的外墙，即“两墙合一”，并利用地下结构楼板作为内支撑体系。“逆作法”的优点：利用刚度较大的地下结构楼板体系作为支撑，支撑体系刚度较大，围护结构及土体变形较小，更有利于保护环境安全；楼板施工完成后，可为施工提供作业场地，解决施工场地狭小的问题。“逆作法”的缺点：技术复杂，垂直结构续接处理困难，接头施工复杂；对施工要求高，例如对一柱一桩的定位和垂直度控制要求较高，立柱之间及立柱与地下墙之间差异沉降控制要求较高等；采用逆作暗挖，作业环境差，结构施工质量易受影响；基坑支护设计需与主体结构密切配合，需增加较多梁柱节点处理，基坑支护设计施工难度相对较高。选用逆作法，可节省部分临时内支撑体系的造价，降低能耗、节约资源，而且对周边环境影响也相对较小，当必须考虑地上、地下结构同步施工，或周边环境变形控制要求较高时，可考虑采用逆作法。

2.3“顺、逆结合”设计施工方案

充分发挥“顺作法”施工便捷和“逆作法”与主体结构相结合的优势，取长补短，结合工程自身特点而进行的组合方案。

2.4基坑设计方案选择

本工程顶板标高8.50m，底板顶标高-12.10m、-15.30m及-20.00m，顶、底板间并未布置楼板结构，采用逆作法施工无法体现支撑刚度较大的优点，而且“逆作法”、“顺、逆结合”等方案基坑支护设计与主体结构关联度高，“逆作法”节点设计复杂。根据基坑及主体结构的特点，考虑采用传统“顺作法”施工方案。

3基坑开挖方案选择

针对本基坑的特点，超大、超深基坑的开挖，所面临的主要问题是“时空效应”较为明显，坑底隆起量较大，基坑开挖引起的环境变形影响范围广，因此不建议采用一次整体开挖方案，现对分块开挖方案进行比较。

3.1二分区开挖方案

根据主体结构内部布置的特点，将基坑平面划分为南北两个分区开挖，北区基坑开挖面积19120m2，南区基坑开挖面积16530m2，按先南区后北区的次序分两次开挖，南区主体结构出地面后，北区支护结构方可允许开挖。

3.2三分区开挖方案

为进一步减少“时空效应”的影响，提高支撑刚度，控制基坑变形，提出将基坑平面划分为西区、东北区、东南区三分区开挖的方案，单个基坑开挖面积控制在13000m2左右，按先东南区，再东北区，最后西区的次序分三次开挖，前一区主体结构出地面后，后一区支护结构方可允许开挖。3.3基坑开挖方案选择从基坑计算成果分析，二分区开挖方案及三分区开挖方案稳定及变形验算均能满足规范要求，当然由于内支撑刚度的不同，二分区开挖方案的地墙内力及基坑变形量均较三分区开挖方案大。但根据初步估算，二分区开挖施工时的基坑工程施工总工期较三分区开挖施工时的基坑工程施工总工期可以节省约11个月。综合考虑，基坑工程采用二分区开挖方案。

4基坑围护方案选择

上海地区常规基坑围护可采用的围护方案有地下墙、SMW工法、灌注桩等，各种围护方案的一般特点如表1所示。本工程邻近存在多处重要水处理构筑物，基坑本身变形控制及防水要求均较高，根据本工程的基坑面积、开挖深度等特点，考虑各种围护结构的适用性、环境影响情况，综合考虑基坑围护方案采用“地下墙”围护方案。

5基坑支撑结构选择

基坑支撑结构选择包括支撑材料的选择、结构体系的选择以及支撑结构的布置等内容。从支撑材料上来说可分为钢支撑、钢筋混凝土支撑、钢筋混凝土支撑与钢支撑结合等形式。从结构体系上来说可分为水平支撑体系和竖向抛撑体系。各种形式的支撑体系根据其材料特点具有不同的优缺点和适用范围。

5.1钢筋混凝土支撑的优缺点

钢筋混凝土支撑能有效加强支撑刚度，减少基坑变形，有利于环境保护，同时钢筋混凝土支撑布置灵活，便于分块施工，可以预留较大的出土空间，方便土方开挖，缩短工期。此外，钢筋混凝土支撑与挖土栈桥相结合，可以进一步加快土方开挖的速度，方便施工，缩短工期。但由于各层钢筋混凝土支撑的施工及养护均需要相当的时间，总体来说，钢筋混凝土支撑系统的施工工期较钢支撑长。

5.2钢支撑的优缺点

钢支撑的最大优点就是施工方便，安装速度快，支撑拆除方便，但钢支撑系统的支撑刚度较小，围护体变形较大，而且对于长、大基坑，要确保整个支撑体系的整体性和平直度，对施工质量要求较高。钢支撑系统的平面适用性不强，当作为对撑时，受力明确，效果较好，但作为角撑时，受力效果较差。钢支撑不适用于大面积基坑。本工程基坑面积大，开挖深度深，变形控制要求高，为确保工程安全、顺利地实施，选择采用钢筋混凝土边桁架结合对、角撑的支撑结构体系，钢筋混凝土支撑的竖向道数根据稳定及变形计算成果综合确定，基坑平面分为南、北两区，其中北区四道支撑，南区调蓄池部分四道支撑，南区泵房部分六道支撑。

6主体结构与支护结构结合方式选择

本工程主体结构主要功能比较简单，即分为调蓄存水功能及泵房提升出水功能，主体结构内部除贴近底板的水力渠道及拍门外，无其他设备布置，总体来说，主体结构内部布置的自由度较高。结构设计考虑主体结构及支护结构的受力特点，在满足主体结构及支护结构设计合理、安全可靠的前提下，也考虑到减少拆换撑、降低能耗、节约资源、便利施工的原则，提出主体结构与支护结构相结合的设计方案。主体结构与支护结构结合方式选择主要包括地下结构外墙与围护墙的结合方式选择、地下结构水平构件与支撑结构的结合方式选择。

6.1地下结构外墙与围护墙结合方式选择

采用地下结构外墙与围护墙相结合（两墙合一）的地下墙时，一般采用地下墙作为围护结构，地下墙结构刚度大、整体性好、抗渗能力良好，使用阶段可直接承受主体结构的垂直荷载，充分发挥其竖向承载能力，减小基础地面地基附加应力，无需再施工换撑板带及回填土施工，“两墙合一”的结合方式主要分为“单一墙”“分离墙”“复合墙”“叠合墙”等几种。6.1.1单一墙地下墙直接作为主体结构外墙，既承受水平向水土压力，通常还应承受结构竖向荷载，地下墙槽段间应有较好的防渗性能，可在接缝位置设置结构壁柱以增加防渗止水性能，也可在地下墙内侧设置砖砌内墙，两墙间设排水沟，“单一墙”以防、排结合原则为主。6.1.2分离墙地下墙墙体应满足基坑开挖及永久使用两种不同阶段的水平受力和变形要求，主体结构外墙仅承受竖向荷载，与“单一墙”类似，“分离墙”防水也以防、排结合原则为主，但“分离墙”型式也可转换为在地下墙与结构墙之间增设柔性防水层，结构墙采用抗渗混凝土浇筑，从而使主体结构防水达到一级防水要求，以防为主。6.1.3复合墙地下墙作为地下结构外墙的一部分，以刚度分配的原则与内衬墙共同承受水平荷载及变形，但二者间不传递竖向剪力，即地下墙不承受主体结构竖向荷载，复合墙内衬通常采用抗渗混凝土浇筑，作为刚性防水层，地下墙与内衬墙间通常设置1~2层柔性防水层，增强主体结构抗渗能力，从而使主体结构达到一级防水的要求，结构防水以防为主。6.1.4叠合墙地下墙作为地下结构外墙的一部分，与内侧设置的结构内衬墙共同承受水平荷载及竖向荷载，地下墙与结构内衬墙间需设置抗剪钢筋及抗剪键，加强整体性，叠合墙的结构内衬墙采用抗渗混凝土浇筑，结构防水以防为主。6.1.5“两墙合一”方案对比分析①结构竖向受力。“单一墙”“分离墙”“复合墙”方案中地下墙只全部或部分承受水平水土荷载，无法承受竖向荷载，而本工程调蓄池使用阶段不同受力工况差异非常明显，调蓄池内水位变动幅度极大及频率极高。受建设用地限制，调蓄池顶板上不同区域还要叠加种植土、粗格栅池、细格栅池、提升泵房上部建筑及变配电间、除臭设备基础等建、构筑物，与调蓄池满水工况下的竖向荷载相叠加，调蓄池基础底面压力很大，需要考虑地下墙参与共同承受竖向荷载。而在调蓄池空池工况下，主体结构的自重抗浮验算又不能满足规范要求，需要考虑地下墙、主体结构、桩基共同承受竖向水浮力。因此，从结构竖向受力的角度来说，选择“叠合墙”方案显得更为合理。②结构水平受力。“单一墙”与“分离墙”方案均仅由地下墙独自承受施工阶段及使用阶段水平水土荷载，导致地下墙墙厚偏大，经济性不足，“复合墙”与“叠合墙”方案施工阶段仅由地下墙承受水平水土荷载，使用阶段由地下墙与内衬墙共同承受水平水土荷载，地下墙墙厚可以相对减小，经济性较强。③结构防水。“单一墙”以防、排结合原则为主，防水效果一般。“分离墙”“复合墙”“叠合墙”在采取相应措施后均能达到较好的防水效果。本工程防水等级为“二级”，“分离墙”“复合墙”“叠合墙”均能满足要求。6.1.6“两墙合一”方案选择综合考虑，本工程基坑采用“两墙合一”的“叠合墙”方案。地墙两侧采用Φ850水泥土搅拌桩作为槽壁加固，搅拌桩桩底标高以隔断3夹层灰色砂质粉土为原则，槽段接缝采用MJS墙缝止水措施。由于地下墙作“两墙合一”的“叠合墙”考虑，设计考虑对地下墙墙底作注浆加固，每幅地下墙绑扎钢筋笼时均应预埋三根注浆管，地下墙的墙身混凝土浇筑完毕并完成初凝后，通过低压慢速的渗透注浆，对槽底沉渣进行充填处理，提高地下墙的墙身竖向承载力，减少与主体结构间的差异沉降。本工程地下墙采用十字钢板作为刚性接头。

6.2地下结构水平构件与支撑结构结合方式选择

本基坑采用钢筋混凝土边桁架结合对、角撑的支撑结构体系，平面支撑体系设计时尽量考虑主体结构的内部布置特点，争取做到平面支撑体系杆件不影响主体结构内部设备布置，立柱位置不影响主体结构内部设备布置及水流流态，基坑平面支撑体系作为使用阶段主体结构水平框架的一部分，支撑系统的水平杆件的内力及配筋设计时，同时考虑承受水平向水土压力以及竖向结构荷载，支撑系统的钢结构柱外包钢筋混凝土作为使用阶段永久柱，在考虑承受基坑施工阶段的竖向荷载的同时，也考虑承受使用阶段的全部竖向荷载。

7基坑坑底加固选择

根据勘察资料中间成果揭示的土层分布，本工程基坑浅坑开挖面位于④淤泥质粘土与⑤1层灰色粘土的交界面，基坑深坑开挖面位于⑤1层灰色粘土中，而⑤1层灰色粘土仍属高压缩性的软塑土，含水量也较高。为控制基坑变形，对基坑坑底作加固处理，采用Φ800旋喷桩作裙边加固，根据基坑开挖深度的不同，裙边加固的宽度也作相应调整，裙边加固厚度为4m，南、北区坑底裙边加固一次施工，分区开挖。

8结语

本次设计选型最终确定了该超大超深基坑采用双基坑设计，总体方案采用传统“顺作法”施工方案，土方开挖采用双基坑分区开挖方案，围护结构采用“地下墙”围护方案，支撑结构采用钢筋混凝土边桁架结合对、角撑支撑结构体系，主体结构与支护结构相结合，其中“两墙合一”采用“叠合墙”方案，坑底加固采用Φ800旋喷桩裙边加固等。根据工程实际，该双基坑克服了软土地基、地下水位高、施工场地小、周边构筑物保护要求高等困难，基坑安全监测各项数据均满足规范设计要求。本次双基坑设计选型的成功，为后续类似基坑设计选型提供了宝贵经验与参考。

参考文献

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作者：柏宁 单位：上海城投水务工程项目管理有限公司