宋青君

1.同济大学 上海 200092；2.华东建筑设计研究院有限公司 上海 200002

1 基坑围护设计

1.1 工程概况

该项目地处上海市静安区繁华商业中心地段，主体建筑为63层塔楼和整体4层地下室。本工程基坑面积约为14 000 m2，基坑周长约480 m，基坑呈不规则方形。主楼采用片筏基础，基础底板厚3 500 mm，裙楼采用承台梁板式基础，承台及基础梁高约1 200 mm，底板厚900 mm，基底设置厚200 mm垫层，主楼区域基坑开挖深度19.40 m，裙楼及纯地下室区域基坑周边开挖深度17.10 m。

基坑南侧邻近市政道路，道路下方存在较多的市政管线，东侧和西侧为高层建筑，北侧有待拆迁的居民楼，东北角有3层民宅。其中待拆迁的居民楼和3层民宅建筑年代较长，经现场勘验，房屋存在较多裂缝，对地基变形较为敏感（图1）。

1.2 工程地质概况

拟建场地地貌类型属滨海平原，场地地势平坦，地面绝对高程为1.96～2.99 m。岩土层分布有：①填土，②黏土，③淤泥质粉质黏土，④淤泥质黏土，⑤1-1黏土，⑤1-2粉质黏土，⑥粉质黏土，⑦1f粉砂。

地下水属潜水类型，其主要补给来源为大气降水，水位补给随季节变化而变化，上海市年平均高水位埋深为0.50 m，低水位埋深为1.50 m，勘察期间所测得的地下水静止水位埋深一般在0.70～1.55 m之间，其相应标高一般在1.04～1.94 m之间。基坑围护设计水位取水位埋深0.50 m。

图1 工程总平面示意

1.3 基坑支护设计方案选型

基坑实施前根据开挖深度、周边环境条件等进行了多种围护体系设计方案的选型分析，方案一是常规的“周边地下连续墙＋坑内钢筋混凝土内支撑”的顺作法方案；方案二是将工期紧、基坑面积小的主楼区先通过顺作法实施，然后对主楼周边的裙楼区采用逆作法进行实施；方案三是采用周边逆作结合塔楼区域设置内支撑的方式将基坑开挖到底后，再进行塔楼区域结构的顺作施工。将工期紧、基坑面积小的主楼区先通过顺作法实施，然后对主楼周边的裙楼区采用逆作法进行实施[1,2]。

但工程的实际情况是：基地北侧部分建筑物尚未拆除，导致基坑工程不能进行整体开挖，因此必须采用分区实施的基坑工程方案；本工程中超高层塔楼的工期是控制总工期的关键，因此需要尽量缩短塔楼的工期。综合以上因素，为了达到尽早开工，控制总工期的目的，最终确定了采用方案二作为本工程的基坑实施方案。避开周边待拆迁建筑的影响，将塔楼进行单独围护，尽快进入塔楼的上部结构施工；塔楼地下结构完成后，根据拆迁的进度，分块进行剩余区域的逆作开挖，避免设置临时支撑，使用刚度较大的结构楼板作为水平支撑，在满足分块拆迁的情况下，可以最大化地减少基坑工程实施对周边环境的影响。

1.4 基坑支护设计总体方案

基坑周边全部采用两墙合一的地下连续墙作为基坑围护结构。为最快完成塔楼的地下结构施工，在基坑内部的塔楼周边设置临时围护结构进行隔断，与距离塔楼较近一侧的地下连续墙共同形成塔楼区域的围护结构，该区域内采用顺作法施工，设置临时支撑，先撑后挖至基底标高后及时浇筑基底垫层并进行基础底板的施工，再向上施工塔楼各层结构梁板，边施工结构构件边拆撑，直至塔楼地下结构施工结束。

塔楼进行地下结构施工的同时可以进行裙楼区域周边地下连续墙、主体工程桩和一柱一桩的施工。塔楼地下结构完成进入上部结构施工后，再进行周边纯地下室的地下结构逆作施工。利用地下结构梁板体系替代临时支撑，由上到下逐层施工各层结构梁板，其间进行逆作区域的土方开挖工作。逆作区域与顺作区域的每层结构梁板贯通时，逐层拆除中间的临时隔断围护桩。逆作区域开挖至基底后，施工基础底板，完成整个地下室施工。

1.5 基坑支护设计

1.5.1 塔楼顺作区域基坑支护设计

本工程塔楼区域单独围护，采用顺作法先行施工。塔楼位于基坑的南侧，单独进行支护设计的范围呈矩形，周边围护结构由南侧的厚1 000 mm地下连续墙与基地内部的临时隔断围护体组成。基坑内部临时隔断围护体采用φ1 100 mm@1 300 mm钻孔灌注排桩结合单排φ850 mm@600 mm三轴水泥土搅拌桩止水帷幕。顺作区域内部设置3道钢筋混凝土支撑系统（图2）。

塔楼基坑的形状比较规则，基坑内部采用钢筋混凝土对撑结合角撑的支撑布置形式。支撑平面布置中，主撑杆件避让塔楼主要竖向结构，使得基坑开挖到底后，可以在不拆撑的情况下进行塔楼地下结构的施工，进一步加快塔楼施工速度（图3）[3,4]。

1.5.2 纯地下室逆作区域基坑支护设计

周边纯地下室区域采用逆作法施工。因现场拆迁的原因，逆作区域也分为3个区分别进行逆作施工。逆作区域周边同样采用两墙合一的地下连续墙作为基坑围护结构。逆作法施工中利用4层结构梁板作为支撑传递水平力，围护结构为厚800 mm的地下连续墙（图4）。

图2 塔楼区域围护剖面示意

图3 塔楼区域支撑平面布置

图4 纯地下室区域围护剖面

逆作区域的每层结构楼板替代临时水平支撑，结合逆作土方开挖的需要，在楼梯间、结构开口等位置设置出土口。地下室首层结构楼板还需要设置逆作施工作业平台层，满足挖机、运土车等施工机械的作业荷载要求。各个分区的结构楼板施工时，与已形成区域的楼板相接，开洞较大的坡道、机电用房位置需设置临时支撑，确保水平力的有效传递（图5）。

图5 逆作区域结构楼板平面布置

2 顺逆作围护结构变形分析与实测

从上文的介绍中可以看出，塔楼区域采用厚1 000 mm的地下连续墙和φ1 100 mm@1 300 mm的钻孔灌注排桩，基坑内部设置了3道钢筋混凝土支撑体系。纯地下室区域采用厚800 mm的地下连续墙，基坑内部利用4层地下结构替代水平支撑。下面通过对围护结构的计算、数值模拟分析以及实测3个方面对围护结构的变形进行对比分析，了解在相同场地上不同的围护和支撑刚度对于围护结构变形的不同影响[5,6]。

2.1 围护结构的计算

基坑围护体的计算采用规范推荐的竖向弹性地基梁法，土体的c、值均采用固结快剪指标，围护体变形、内力计算和各项稳定验算均采用水土分算原则，计算中地面施工超载原则上取20 kPa。计算模型主要参数如表1所示。

表1 围护结构计算模型主要参数

从计算模型主要参数来看，两个区域的差异主要为围护体和支撑的刚度差异。塔楼顺作区域的围护体刚度较大；但由于采用3道临时支撑，而纯地下室逆作区域是4层地下水平结构替代支撑，故塔楼区域的支撑刚度较弱。

从图6的计算结果来看，塔楼顺作区域的变形较大，尤其是钻孔灌注排桩的临时围护结构变形最大（55.20 mm）。作为场地内部的临时隔断，因与周边需要保护的建筑距离较远，所以该变形值也是可以接受的。而从2个区域的地下连续墙的变形计算结果来看，厚1 000 mm的地下连续墙结合3道临时水平支撑的计算变形（44.10 mm）和厚800 mm的地下连续墙结合4层地下室结构梁板的计算变形情况（43.50 mm）基本相当。

图6 围护结构变形计算结果

2.2 数值模拟分析

为了较准确地预测基坑工程开挖引起邻近建筑的附加变形，采用通用有限元分析软件进行基坑开挖卸荷引起邻近建筑物附加变形的数值模拟，取典型剖面进行计算。

有限元数值计算中土体采用Hardening-Soil等向硬化弹塑性模型，混凝土梁板、柱结构采用弹性模型，同时采用Goodman接触单元考虑了土体和地下结构之间的相互作用。计算模型模拟了初始地应力场、邻近建筑对地应力场的影响、地下连续墙的施工和被动区加固作用等影响因素，并通过单元生死模拟“主楼顺作、裙楼逆作”的基坑开挖全过程，分别对基坑开挖卸荷作用产生的周边建筑物附加变形进行预测分析。分析主要结果如图7所示。

图7 数值模拟分析结果

塔楼区域距离需要保护的建筑较远，基坑开挖到底时，钻孔灌注排桩围护结构的最大水平变形达到62.77 mm，较前面计算的结果偏大一些；此时，邻近房屋的计算变形非常小。逆作区域地下连续墙的变形较计算结果相差较大。纯地下室区域逆作开挖后，由于水平结构楼板的刚度很大，围护结构的变形只有39.51 mm，此时邻近建筑的最大水平变形为19.87 mm，最大沉降量为22.89 mm。支撑道数和刚度的差异在数值模拟分析中对围护体变形的影响显著，逆作法进行基坑工程开挖，对于控制环境影响作用明显。

2.3 工程实测结果与分析

本基坑工程开挖深度深、面积大，环境保护要求高，施工难度较大。整个基坑工程分区较多，塔楼顺作区域从基坑开挖到地下室结构形成历时175 d；纯地下室逆作区域（一个分区）从基坑开挖到基础底板形成历时189 d。实践证明本工程的围护结构设计是合理而且有效的，为地下工程的顺利实施创造了有利条件。基坑开挖前布置的各个监测测点记录了基坑开挖过程中开挖、架撑、换撑以及拆撑等主要工况围护结构位移变化。各个工况概述如表2所示。

表2 基坑工程工况

总体来说，围护结构的实测变形均较理论计算值大，变形的规律与理论计算也吻合。通过信息化的监测数据反映，围护结构是稳定可靠的；环境监测真实准确地反映了实际的变形情况，及时提出预警，并采取了有效措施确保保护对象的正常使用。总体上，本工程的设计是合理的，为地下工程的顺利实施创造了条件，同时整个开挖阶段并未影响周边道路、市政管线以及建筑物的正常使用。

从计算结果可以看出，围护结构的变形基本与计算得出的变形形式吻合。随着土方开挖的不断进行，围护结构的最大变形位置也不断下降。开挖到基底以后围护结构的最大变形出现在基底附近。

塔楼顺作区域支撑刚度相对较弱，围护结构的变形值普遍都在60 mm以上，其中地下连续墙的最大侧向位移为63.70 mm，钻孔灌注排桩最大侧向位移为64.40 mm。围护结构的变形主要产生在开挖阶段，而在基础底板形成后的拆撑工况中，围护结构的侧向位移基本稳定。纯地下室逆作区域地下连续墙的最大侧向位移为48.50 mm，较塔楼顺作区域小。围护结构的变形值随开挖深度的变化较为明显，最大侧向变形的深度逐步加深（图8）。

3 结语

顺作法和逆作法作为基坑工程实施中主要采用的设计方案，其各自的特点较为突出。结合工程的实际情况将二者结合，能够更好地满足对于不同工期、工程量以及环境保护的要求[7,8]。

图8 围护结构的水平位移

本工程基坑面积较大，周边环境保护要求较高，塔楼工期紧张，但场地内部分建筑尚未完成拆迁。为加快塔楼施工速度，将塔楼区域单独围护，采用顺作法开挖基坑和进行地下结构施工。临时围护位于用地范围以内，且与需要保护的周边建筑拉开了距离，因此顺作基坑的环境保护要求可适当放松；塔楼基坑实施期间，周边区域可提供充分的施工场地。周边地下室区域分区进行逆作施工，利用逆作结构楼板替代临时支撑与已经形成的塔楼地下楼板连接，支撑刚度大，更有利于控制围护结构的变形。

通过合理分析工程特点、充分利用顺作法和逆作法方案的优势，相互结合，可以协调工程工期控制、工程量控制以及环境影响控制等几方面的不同要求，为城市地下空间的开发创造更为有利的条件。