【逆作案例8】裙房深大基坑逆作開挖項目：上海中心（地上632 米，地下五層）

前言

上海中心裙房區基坑開挖面積大、深度深，採用逆作開挖，其設計和施工的難度大，因此上海中心採取相應的設計對策措施並信息化施工和動態設計，分級控制變形，從而確保了上海中心裙房逆作法深大基坑的安全順利實施。

1、工程概況

1.1 工程概況

「上海中心大廈」項目位於上海浦東新區陸家嘴金融中心區，四周均為主幹道，並與金茂大廈、環球金融中心相鄰。擬建主樓樓高632 m（121 層），裙房5 層。本項目基坑總面積約34960 m2，基地呈四邊形，每邊長約200 m，共設5 層地下室，塔樓區基坑開挖深度為31.1 m，裙房區基坑開挖深度為26.7 m，局部開挖27.7 m。本工程效果圖見圖1，場地鳥瞰圖見圖2。

1.2 工程地質條件

上海位於長江三角洲入海口東南前緣，屬三角洲沖積平原。地質土層主要由飽和黏性土、粉性土以及砂土組成，一般具有成層分布特點。本工程場地內除缺失第⑧層黏土層外，其餘各土層均有分布。深度27m以上分布以淤泥質黏土、黏土及粉質黏土為主的軟土層，具有高含水率、高孔隙比、高靈敏度、低強度、高壓縮性等不良地質特點。場地內淺層地下水屬潛水類型，水位埋深一般為地表下1.0～1.7 m。場地地表以下27 m處分布⑦層砂性土，為第一承壓含水層；⑨層砂性土為第二承壓含水層，第⑦層與第⑨層承壓水相互連通，水量補給豐富。

1.3 裙房基坑逆作開挖的優點

「上海中心大廈」塔樓施工工期是本工程進度控制的關鍵。為加快塔樓區施工速度，結合塔樓承台為正多邊形的工程特點，將塔樓基坑設計為外徑123.4 m（內徑121 m）的大直徑無內支撐圓形基坑。塔樓結構出±0.00 後再逆作施工裙房區基坑。裙房區基坑採用逆作的設計方案具有以下優點：①裙房區基坑逆作施工，可利用地下室頂板作為施工場地，解決了裙房區基坑開挖期間施工場地不足的問題；②裙房區基坑採用逆作法施工，利用結構梁板兼作支撐，節省了臨時支撐體系的工程量以及支撐拆除工程量；③裙房區基坑逆作可減少施工噪音、揚塵等，避免支撐拆除爆破，充分貫徹了綠色建造技術的要求。裙房區基坑逆作施工工況詳見圖3。

2、裙房基坑逆作設計要點及對策

2.1 深大基坑逆作法的設計要點及控制指標

上海中心裙房基坑開挖深度約26.7 m，開挖面積為23660 m2，共設5層地下室。本工程處於飽和軟土地區，位於城市中心，周邊環境複雜、基坑開挖面積大、深度深，根據工程特點，裙房基坑採用逆作法施工，並制訂了以下的設計要點及控制指標。（1）基坑逆作變形及控制指標在飽和軟土地區，由於深大基坑土方卸載，應力場、位移場的變化會產生較大的坑內土體回彈和隆起量，加之逆作施工樓板上的施工荷載分布不均，如設計施工應對不當，會導致過大的樓板立柱隆起與差異隆起，易引起樓板開裂，損害結構安全。因此，逆作基坑開挖需嚴格控制樓板立柱的絕對隆起量與差異隆起量。另外，本基坑開挖面積大、深度深，採用逆作法施工出土效率較低，加之飽和軟土的流變性特點，易產生較大的基坑變形。因此，圍護結構變形控制及周邊地表沉降控制也是本項目設計與施工的要點。針對本工程特點，確定裙房基坑逆作的主要變形控制指標如表1 所示。

（2）兩牆合一地牆圍護結構體系本裙房地下室採用地下連續牆作「兩牆合一」結構形式，逆作開挖階段採用地牆作圍護結構，在永久使用階段兼作地下室外牆。因此需對地牆的接頭、地下室結構與地牆的連接構造以及其他設計施工措施進行專門研究，保證地牆的受力及止水性能滿足永久使用階段的要求。

（3）逆作開挖的豎向支撐

逆作開挖的豎向支撐體系一般採用鋼格構柱臨時托換地下室樓板樑柱節點。為控制工程造價，方便施工挖土，本裙房逆作法設計採用鋼管柱（內澆高強度混凝土），結合柱網設計，一柱一樁，鋼管柱作為永久結構的一部分，在開挖階段作為逆作法的豎向支撐體系，在使用階段作為裙房地下室柱的芯柱，因此對鋼管柱的設計以及施工精度有著嚴格的技術要求，並需對鋼管柱與梁的連接節點進行專門的設計研究。

（4）按需分級降承壓水

本場地內承壓水含水層埋深約29 m，承壓水頭埋深約在地表下10 m，而裙房基坑開挖深度約26.7 m，當開挖施工B3 層時（約16 m）需降承壓水。降低承壓水頭壓力，既有利於基坑的穩定安全，也有利於控制立柱的隆起量，保護已施工的結構樓板；但長時間和過量抽取承壓水會引起周邊路面過大的沉降，影響市政管線等重要公共設施的使用。因此，如何合理有效、按需分級降承壓水也是本工程安全實施的要點。

2.2 設計分析預測及應對措施

（1）基坑逆作的變形控制措施

為控制基坑開挖變形，針對上海地區飽和軟土的流變性特性，應用「時空效應」理論，設計提出盆式開挖方式。按「留土護壁，限時、對稱澆築墊層，施工樓板」的原則，及時形成南北向及東西向的素混凝土墊層支撐體系及結構體系（圖4 中灰色區域），控制圍護結構變形。開挖前設計針對設計工況進行了計算預測，以分級控制變形。在基坑開挖過程中，對整個開挖過程實行信息化管理，根據前一個工作日的基坑變形監測情況，調整基坑後續的挖土流程，以控制基坑開挖變形，保護周圍環境。

（2）兩牆合一地牆的設計措施

裙房區地牆為兩牆合一結構形式，為了達到控制基坑變形，確保基坑開挖階段的安全，採用了1.2 m厚，48 m深，混凝土強度等級為水下C40 的地牆，同時為滿足永久使用階段的要求，還採用了以下的設計措施：①採用地牆牆底注漿，以協調和控制逆作法開挖階段地牆槽段間、地牆與樁基間的差異隆起；②在地牆鎖口管鋼筋籠端部設置V形薄鋼板並在鋼筋籠外包止漿帆布，以保證地牆及接頭的施工質量和減少圍護結構的滲漏水；③在地牆槽段分幅位置處設置扶壁柱和止水帶等止水措施，以解決接縫處的防水問題。

（3）逆作法立柱的設計

裙房基坑逆作採用的立柱結合裙房柱網設置，為一柱一樁的形式；逆作施工結束後外包鋼筋混凝土作為框架柱使用。裙房的柱網尺寸基本為10.8 m×8.4 m，為滿足建築、結構尺寸以及承載力要求，設計採用了 550 鋼管立柱，內灌高強混凝土，插入鑽孔灌注樁。以滿足施工階段和使用階段的安全和使用要求。圖5為地下室結構梁與鋼立柱的連接節點作法。

（4）考慮立柱隆起影響的樓板結構設計

為控制裙房基坑土方卸載過程中相鄰立柱樁間的差異隆起，在設計過程中，我們對不同開挖工況以及不同荷載情況下，對坑內土體回彈導致的立柱隆起量進行了計算預測分析，並根據立柱與坑邊距離的遠近進行修正。對結構板跨，施加計算所得的位移荷載，進行有限元應力分析，以指導樓板的結構設計。

a）立柱隆起及差異隆起的分析預測

本工程中，我們採用Boussinesq 解和Mindlin 解，通過對土體附加應力及不同應力狀態下的回彈模量、立柱樁的正負摩阻力的計算，估算不同工況下立柱樁隆起，從而確定合理的立柱樁的樁徑、樁深等設計參數。圖6 為立柱隆起預測結果，其中A 樁為樁頂荷載較大的立柱樁（遠離取土口），B 樁為與A 樁相鄰的樁頂荷載較小的立柱樁（位於取土口邊緣的立柱樁）

根據分析預測結果，相鄰立柱樁差異隆起小於15mm。但考慮到地層分布的不均勻、立柱樁間剛度的差異以及樓板分塊施工導致的樁頂荷載分布不規律，樓板設計時，將基坑開挖階段的相鄰立柱差異隆起控制值定為20 mm。

b）逆作樓板在立柱差異隆起下的內力分析預測：

逆作結構樓板設計中，我們考慮了在立柱差異隆起20 mm影響下的樓板附加內力分析。圖7，8 為取土口中部B1 結構內力的計算分析結果。

根據計算預測分析可知，相鄰立柱樁差異隆起20mm的情況下，結構將產生較大的附加內力。為此，在計算預測的基礎上，設計加強了地下室主體結構梁板的構造和配筋。

（5）承壓水抽水降壓對基坑周邊環境的影響預測及對策

如何降承壓水以保證基坑開挖的安全穩定，防止基坑開挖過程中承壓水突涌破壞，同時又要控制長期大量抽取承壓水所帶來對周邊環境的影響，成為本基坑工程的重要問題。

本項目在設計階段，通過數值分析，分別模擬預測了基坑開挖以及降承壓水對周邊環境的影響，計算結果見圖9，10。由圖可知，基坑卸載導致的最大地表沉降為36 mm，如疊加降承壓水對周圍環境的影響，最大地表沉降達64 mm，對周圍環境有一定的影響。因此，在工程實施過程中需採取合理有效、按需分級降壓的措施，以控制長時間大量抽取承壓水對基坑周邊環境的影響，滿足周邊設施的使用要求。

3、工程實測值與計算值對比分析

3.1 地牆側向變形計算預測與實測的對比

表2 和圖11 為裙房基坑地牆側向變形計算預測與工程實測值（地牆測斜P07 孔）的對比分析。通過圖11 和表2 的對比分析可知計算預測結果與實測值較為吻合。

3.2 立柱隆起計算預測與實測的對比

圖12 為立柱樁隆起值與實測值的對比，圖13 為相鄰立柱樁差異隆沉實測值。由圖可知，立柱間的最大差異隆起<20 mm，基本滿足設計階段確定的立柱差異隆起控制指標。

3.3 降承壓水對周邊環境的預測與實測對比

圖14 為各開挖工況下的坑外最大沉降實測值與計算預測值的對比。由圖可知，模擬預測的沉降曲線及發展趨勢與實測數據較為吻合；特別需要指出的是當開挖至16 m左右，開啟承壓水抽水井後，場地周邊地表沉降有加速的趨勢。

通過工程實測數據與預測值的對比分析，說明通過嚴格控制挖土流程，按需分級降承壓水，降水井點分批啟動，控制承壓水降深及出水量，可將基坑開挖及降承壓水對周邊環境的影響控制在預期範圍內。

4、結語

上海中心裙房區基坑開挖面積大、深度深，採用逆作開挖，其設計和施工的難度大，在大量工程調研、理論研究和科學計算的基礎上，通過對設計要點、難點的深入分析，確定設計控制值，並通過大量和合理的設計分析預測，採取相應的設計對策措施並信息化施工和動態設計，分級控制變形，從而確保了上海中心裙房逆作法深大基坑的安全順利實施。

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