集成管理理论指导下的软土地区基坑群坑施工顺序优化研究—以上海闵行区九星城（九宫格）项目为例

集成管理理论指导下的软土地区基坑群坑施工顺序优化研究—以上海闵行区九星城（九宫格）项目为例

薛迎春

上海建科工程咨询有限公司 ，200032

摘 要：本文结合九星城（九宫格）项目群坑施工实例，运用集成管理理论，通过设置中坑，引入盖挖法，实现了安全裕度下的工期优化，证明了软土地区深基坑群坑布置和施工顺序的一条优化路径，实现了良好的效果。

关键词：集成管理；软土地区；基坑；超大群坑；施工顺序优化；盖挖法

1 引言

在目前建设项目中，建设项目集成管理的重要性越发明显，其核心在于以建设项目量化平衡及建立量化目标的建设项目的管理系统，保证建设项目目标总体的均衡性和成本最优。这种新型的建设项目管理模式向业主和其他受益者提供“项目价值最大化”的管理服务。

1.1建设项目目标量化集成

建设项目目标量化系统集成是集成管理的核心。一般而言，费用、进度与质量是建设项目基本的三大目标，形成集成管理基本的目标要素系统。然而，传统的建设项目管理方法强调一个目标要素的实现，实施目标的定性关系分析，事实上，这并不是实现项目目标的最优选择。需要综合运用了系统、集成、管理与控制的思想，基于目标三角原理、目标管理理论与动态控制方法，提出实现目标要素系统集成的前提条件，包括:“动态控制理论的运用、项目分解结构工作包的建立、系统管理数据库的建设及项目目标控制的统筹”等，以此为基础，运用系统工程原理，探索了基于“费用、进度、质量”的三维集成问题，分析“费用、进度、质量”多目标集成的线形规划与目标规划的定量模型，建立了“费用、进度、质量”三大目标三维集成的模型与方法。

1.2施工阶段方案论证

项目土建施工中工期直接与造价和质量相关联。从原理上讲，工期越短，造价越低，但实际情况比这复杂。 缩短工期的前提下要以保证安全和质量为主，否则造价低换来的可能是低质量的项目，其投资价值降低。其次，缩短工期的手段本是必须是低成本的，否则可能会带来更高的成本，与初衷相未必。由上述，本文主要内容是以优化工期为目标，针对原来设置的施工工序进行优化调整，从三阶段开挖、两阶段开挖二者中进行分析比较，在保证施工质量和安全的情况下，最后得出结论：用增加分坑的方法，二阶段开挖，以求从根本上优化施工工期实现总体建设目标。

2 九星城（九宫格）项目概况与水文地质条件

九星城（九宫格）项目位于上海市闵行区七宝镇七宝社区智联路以东、星风路以南、乐中路以西、宝兰路以北，基坑面积为187871㎡，开挖深度约14.01m，局部最大深度为17.9m。基坑东侧距虹莘路190m，西侧距环东一路88m，距S20外环高速公路约120m。该项目共囊括9个地块，为地下三层，地上六层，建筑高度36米。项目性质为商业。结构形式为框架+装配式结构。基坑安全等级为一级，环境保护等级为三级。该项目划分三个标段由三家总包单位同时施工。

项目场地土层表层①1层杂填土厚度 1m~4.3m，主要由碎石、砖块等建筑垃圾和少量黏性土组成，①2层浜填土厚度0.8m~2.7m，主要成分为灰黑淤泥质土，含有机质及腐殖物；浅层主要分布有粉质黏土②1层、粉质黏土②2层、淤泥质粉质黏土③1层、黏质粉土③1夹层、砂质粉士③2层、淤泥质粉质黏土③3层、粉质黏土夹黏质粉士⑤1，层场地内⑤2-1 、⑤2-2 为微承压水含水层，第一承压含水层为⑦1、⑦2层场地内大部分范围布有古河道，古河道区域⑤2-1层与⑦层相连。基坑不满足微承压水的稳定要求，⑦层与⑤2-1 、⑤2-2 或⑤2-3层连通的局部区域存在承压水突涌风险。基底主要位于③2层中。

3 进度计划的集成管理方案研究

3.1 软土地区深基坑群坑开挖及维护体系施工方案比较研究

根据基坑呈九宫格形状的情况，鉴于分坑面积均在2万㎡，需要进行比较的开挖方案有两种：三阶段开挖、两阶段开挖。

3.1.1 深基坑群坑三阶段施工方案概况

三阶段开挖是指拟开挖顺序为4-4-1，即第一阶段开挖四个角的05-01地块（1#基坑21028平方米）、07-01地块（3#基坑20000平方米）、13-01地块（7#基坑18429平方米）、15-01地块（9#基坑18358平方米），第二阶段开挖06-01地块（2#基坑22028平方米）、09-01地块（4#基坑21597平方米）、11-01地块（6#基坑17654平方米）、15-01地块（8#基坑20364平方米），第三阶段开挖居核心部位的10-01地块（5#基坑14495平方米）。由于根据基坑安全要求，必须在前阶段地下室结构顶板浇筑完成并达到规定强度后方可进行下一阶段的分坑开挖，根据初步估算工期为42个月。

3.1.2 深基坑群坑施工方案演化及优化研究

二阶段开挖是从三阶段开挖方案中演进而来的。为了实现第一阶段1#、3#，5#、7#、9#分坑同步开挖，同时为了解决5#分坑南侧两个转角位置应力集中的问题，拟在5#基坑和8#基坑之间增设一个小的分坑（10#基坑4700平方米），将上述两个基坑分开，从而在确保安全的前提下实现二阶段开挖的方案，即第一阶段1#、3#，5#、7#、9#分坑同步开挖，第二阶段2#、4#、6#、8#分坑同步开挖。由于其他小分坑开挖不影响关键线路，因此从根本上解决了时序较长的问题。初步估计可以将工期压缩6个月左右。

3.2 在集成管理理论指导下的群坑施工顺序及其影响量化研究

项目管理的三个基本目标的集成和优化是寻求平衡的，根据集成管理理论【7】的研究。集成理论需要量化才能进行比较。而由于进度和造价的基本单位不一致，而质量基本没有单位，为进行汇总，首先采用的相对值。即以市面标准工程而言，造价、工期、质量相对其而言的比值。这里，我们采用和九星项目体量、类型相近似的临空冰项目为标准，该项目建筑面积为92万平方米，以多层厂房为主，最高建筑为50米的主厂房，地下2层，地下部分造价为30亿，工期为30个月，质量为设计寿命为50年的民用建筑。

三阶段开挖方案，工期相对值为1.6，造价相对值为1，质量相对值为1。

二阶段开挖方案，工期相对值为1.2，造价相对值为0.8，质量相对值为1。

而根据质量工程价值调整公式，根据参照系项目的权重比例，工期：造价：质量的权重系数=1：1.2：0.5.各方案的调整后集成成本数为：

三阶段开挖方案：1×1.6+1×1.2+1×0.5=3.3

二阶段开挖方案：1×1.2+1×0.8+1×0.5=2.5

从上可知，二阶段开挖方案的集成成本数最低，证明其集成成本最低，从集成管理角度来讲，应选取二阶段开挖方案。

4 集成管理理论指导下的群坑项目的施工顺序、措施的具体安排及优化

4.1 群坑施工工序设置

根据基坑呈九宫格形状的情况，鉴于分坑面积均在2万㎡左右，在最保守条件下，根据对称开挖的施工要求，拟开挖顺序为4-4-1，根据初步估算工期为42个月，整体项目的工期较长，不利于项目的整体投资回报。因此需在现有基础上，在确保安全的前提下优化工序方案。

4.2 时空效应下的群坑施工工序调整研究

4.2.1 群坑施工的时空效应影响研究

原三阶段工序方案要求一阶段1#、3#、7#、9#基坑先进行土方开挖，在一阶段施工至地下室顶板浇筑完成并达到规定强度后，后续第二阶段2#、4#、6#、8#基坑方可进行土方开挖，在二阶段施工至地下室顶板浇筑完成并达到规定强度后，后续进行居中的5#基坑开挖施工。每个阶段启动施工间隔至少相差6个月，无法满足工期要求。随后，因建设单位放弃一标段和二标段之间的东兰路地下空间的整体开发建设，九个基坑变成了北侧1#、2#、3#基坑相对成为一个围护整体，南侧4#、5#、6#、7#、8#、9#基坑相对成为另一个围护整体。南北侧基坑仅以连通道相连（如图）

图4-1 三阶段施工方案中的群坑位置及传力体系

4.2.2 尽量较少时空效应目标下的二阶段调整研究

因此考虑对整体基坑施工方案作微调，即4-4-1三阶段施工调整为二阶段施工，但由于南面6个坑面积大，如按正常分割6个坑，则5#坑下面角部两个点要承受4个坑的支撑水平力，这会导致角部两个点应力集中，出于安全考虑，将原来的8#基坑从南北方向再分隔一个10#坑，角部加强成为一个加强区域，能够分担周边四个坑传的力，使得应力集中现象得到缓解。10#坑及连通道11#、12#坑最后施工，因不处于关键线路，对工期影响较小。由于整体工期紧张，各地块必须同时交叉作业，10#坑的土方开挖与相邻7#、8#、9#坑的结构PC吊装施工等诸多工序交叉施工都给项目的实施带来了很大的困难。为了能够方便出土及盘活整个三标段的场地运输，经与总包、设计讨论后10#坑拟采用盖挖法，设计出具设计方案并通过了专家评审。基于上述考虑，最终基坑施工方案顺序调整为第一阶段1#、3#、5#、7#、9#基坑，第二阶段2#、4#、6#、8#基坑，剩余阶段10#、11#、12#基坑。由于剩余阶段施工均为地下施工，不在关键路线上，从而有效缩短了施工工期。（如图）

图4-2 二阶段方案中一阶段围护布置及传力体系模拟图

图4-3二阶段方案中二阶段围护布置及传力体系模拟图

图4-3二阶段方案中群体出±0.0布置及传力体系模拟图

同时，为了保证基坑整体的变形，将九个基坑外侧的连续围护桩更改为800厚地下连续墙，场地内部分坑之间的临时围护采用φ1000mm钻孔灌注桩+外侧φ850mm三轴搅拌桩+内侧φ800mm旋喷桩（相对预先开挖基坑），竖向设置三道钢筋混凝土支撑。基坑周边地下连续墙深度加深至36~42m，分隔墙止水搅拌桩和旋喷桩深度缩短至坑底以下7m。

4.3 施工保证措施分析与研究

（1）根据施工工期安排，适当提高基坑设计使用年限至2.5年。

（2）确保止水帷幕设于先行施工基坑的外侧。

（3）明确在完成周围地下连续墙和止水帷幕的情况下，才开始第一阶段5个坑的开挖。

（4）明确在前一阶段B2层顶板达到80%强度，并完成钢管换撑后才开始后一阶段的基坑开挖。

（5）细化明确基坑相邻转角处地下连续墙、排桩、搅拌桩的位置和施工顺序。

（6）补充斜抛撑计算书、补充楼板开大洞处临时换撑和做法。

（7）后期结合施工方案的运输道路、场地布置，梳理先期利用的地下室顶板，对结构提出施工荷载要求。

（8）对立柱桩和工程桩较近的区域进行调整。

（9）优化栈桥方案，并对荷载较大的塔吊、运输路径的围护结构进行复核。

4.4 新增10#基坑的盖挖法研究

新增10#基坑的方案调整后，施工路段的增加导致相邻地块施工面临更加复杂的关系，因此对整个施工工序进行了重新梳理。在重新梳理中发现，10#基坑的中间段正常开挖第一层土方时，周边的边界条件应为“4、6#坑施工完成B2层结构顶板，且换撑强度达到80%， 8#坑结构完成主楼区域B2层顶板施工完成（第一道支撑栈桥支撑暂未拆除），南侧-4.200~-10.100钢斜换撑安装完成。”这时10#基坑面临两个问题，第一是场内交通组织受限，10号坑被环绕居中，周边无施工道路，场内交通组织受限；第二是8号坑北侧没有支撑，因此存在缺口。为解决以上两个问题，可以将10号坑的开挖改为盖挖法，即先施工10#坑的B2层顶板，同时7#、9＃坑保留的北侧栈桥作为10#坑一阶段土方开挖的临时出入通道，栈桥仅作为开挖阶段时退挖施工时的出土道路，后续施工前将进行栈桥的拆除。同时，10#基坑首层土开挖时，10#基坑与7#、8#、9#基坑之间围护排桩随之逐步拆除，将7#、8#、9#基坑地下室顶板直接连通，利用市政道路下结构顶板作为场内施工道路，盘活后续施工的交通组织。

图4-4 10#基坑一阶段施工道路方案

4.5 刚性支护体系下的深基坑盖挖法的施工保障措施研究

（1）已增加格构柱垂直度控制措施，在格构柱吊装过程使用两台经纬仪分别控制构柱两个方向的垂直度，保证其小于1/300，保证格构柱施工质量。

（2）10#基坑首层土开挖完成、垫层施工完毕后停止坑内疏干井降水作业防止土体沉降导致的排架下沉，待顶板强度达到80%后方达到拆除模架条件，开始减压降水，做到按需降水。

（3）按设计要求对基坑施工临时道路的地下室首层梁板结构进行必要的加强。

（4）确保10#基坑B2层顶板与8#基坑主楼区域外B2层顶板同时浇筑施工，并留置取土口。

（5）分隔墙拆除方法为利用环切法拆除，缺少工作面的采用绳锯切割方法，确保拆除过程中水平荷载从楼板安全转移至永久结构柱上。

（6）盖挖法施工前将对排架超限梁按照危大方案编制高支模方案并进行专家评审。

（7）每层开挖深度控制在2.5m内，并按1:1.5放坡，开挖面的高差超过4米，则应设置二级放坡。

（8）细化针对10#基坑盖挖法的监测方案，对基坑监测点布置进行更新，并明确了各监测参数的报警数值。

5 结论与建议

综上所述，运用集成理论，在二个方案中挑选出二阶段方案是集合成本最低的方案。同时，运用线性规划方法，对二阶段方案进行具体推演。与原方案相比，优化后的方案大大压缩了工期，从而带来了工期和投资的双减省。

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