上海自然博物館基坑地下連續(xù)墻變形研究

李巖松，鄒吉聰

（1.上?？萍拣^自然博物館管理處，上海200127；2.同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

隨著城市地下空間的發(fā)展，城市當中出現(xiàn)了多種地下綜合開發(fā)的基坑工程，這些基坑有著“深、大、異形”等特點，甚至是坑聯(lián)坑、坑中坑。由于基坑工程的這些新特點，加上城市中各種環(huán)境較為復(fù)雜，與傳統(tǒng)基坑工程相比增加了基坑工程的風險，對其支護結(jié)構(gòu)也提出了更高的要求。地連墻是基坑支護結(jié)構(gòu)的重要組成部分，研究基坑開挖過程中地連墻的變形，對于預(yù)測施工風險、保證施工安全具有重要意義[1-2]。

坑中坑基坑工程中內(nèi)坑開挖對于控制整個基坑的穩(wěn)定是不利的，若考慮不周全可能引發(fā)重大工程事故。龔曉南[3]曾呼吁坑中坑工程應(yīng)該考慮內(nèi)坑開挖對外坑圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和變形的影響，但目前針對坑中坑基坑的研究相對較少。潘衛(wèi)成[4]對比了不同內(nèi)坑支護技術(shù)對外坑支護的影響，結(jié)合施工經(jīng)驗對內(nèi)坑圍護結(jié)構(gòu)的選取提出一些建議；陳樂意[5]、申明亮[6]運用數(shù)值模擬方法，探討了開挖計算深度的選取、內(nèi)坑位置對圍護結(jié)構(gòu)水平位移的影響和對各區(qū)域土體應(yīng)力變化的影響。其余則更多關(guān)注于電梯井、集水井等小型內(nèi)坑的支護設(shè)計、監(jiān)測與施工技術(shù)。

本文以新建上海自然博物館與地鐵13號線共建深大異形坑中坑基坑為背景，在基坑開挖深度和地下連續(xù)墻插入深度一定的條件下，通過數(shù)值模擬與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)研究該異形坑中坑基坑工程地下連續(xù)墻的變形特點。

1 工程概況

上海自然博物館擬建場地位于上海市靜安區(qū)，西傍慈溪路，東臨大田路，南為北京西路，北枕山海關(guān)路，基坑開挖面積約15 240 m2，最大開挖長度（南北向）為150 m，最大開挖寬度（東西向）為100 m，開挖深度為17.3 m。自博館地下室底板結(jié)合軌道交通13號線明挖區(qū)間段南北向穿越，地下室北側(cè)有南北向13號線自然博物館站，南部有一軌道交通盾構(gòu)始發(fā)井，基坑平面位置如圖1所示，剖面圖如圖2所示。

該場地內(nèi)除南北向穿越的軌道交通13號線明挖區(qū)間外，與自然博物館基坑同期施工的還有地鐵13號線車站、地鐵南端頭井、地鐵北端頭井基坑等共8個基坑。立面上地鐵13號線區(qū)間段基坑在自然博物館基坑的基礎(chǔ)上再落深開挖7.688 m，兩基坑共建順作開挖形成坑中坑基坑。工程位于市中心城區(qū)，周邊環(huán)境極其復(fù)雜。其中，大田路東側(cè)雕塑公園內(nèi)有500 kV世博變電站和10 kV變電站，世博變電站距本工程基坑邊約48 m，10 kV變電站距本工程基坑邊約20 m；場地西側(cè)為上海市育才中學(xué)教學(xué)樓及63弄居民樓多層房屋，房屋多為3～5層磚木結(jié)構(gòu)和混凝土框架結(jié)構(gòu)，為解放前建筑，房屋距基坑圍護墻邊最近距離約10 m，故場地西側(cè)保護等級最高。

圖1 自然博物館基坑位置示意圖Fig.1 Location of museum pit

圖2 基坑典型橫剖面圖Fig.2 Cross section of pit

坑中坑基坑地下連續(xù)墻的受力情況如圖3。其中Ea，Ep分別為外坑地下連續(xù)墻墻后、墻前土壓力，Ea'，Ep'為內(nèi)坑地下連續(xù)墻墻后、墻前土壓力，各土壓力采用朗肯土壓力理論計算，地面超載為q，F(xiàn)i為支撐軸力。由圖3可知，坑中坑基坑與常規(guī)基坑的不同之處，一是在于外坑開挖時內(nèi)坑連續(xù)墻的存在有助于控制外坑連續(xù)墻變形；二是在于內(nèi)坑的二次開挖形成的側(cè)向卸載，使得兩墻之間的土體在特定條件下由外坑開挖時的被動區(qū)變成內(nèi)坑開挖時的主動區(qū)，當開挖內(nèi)坑時，作用在外坑地下連續(xù)墻上的被動土壓力（Ep）較內(nèi)坑開挖之前有所減小，并最終會反映到連續(xù)墻變形上。而Ep的變化與內(nèi)、外坑地下連續(xù)墻之間的距離密切相關(guān)。

2 工程地質(zhì)情況

圖3 坑中坑基坑地下連續(xù)墻受力示意圖Fig.3 Forces acting on the continuous wall of pit-in-pit excavation

根據(jù)勘察資料，擬建場地位于正常地層沉積區(qū)。在所揭露深度100.32 m范圍內(nèi)的地基土屬第四紀上更新世Q3至全新世Q4沉積物，主要由飽和粘性土、粉性土及砂土組成。土層性質(zhì)見表1。

表1 主要土層的物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of main soil

3 支護結(jié)構(gòu)簡介

1）自然博物館基坑。大基坑圍護采用兩墻合一1 000 mm與800 mm厚地下連續(xù)墻，永久使用階段作為主體結(jié)構(gòu)地下室外墻的一部分。西側(cè)墻厚1.0 m、墻深48 m，墻底穿越⑦層承壓水層進入⑧1層粘土層；東側(cè)墻厚0.8 m、墻深35 m，墻底位于⑦層承壓水層；北側(cè)墻厚0.8 m、墻深35～44 m，墻底位于⑦層承壓水層?；又尾捎秘Q向4道鋼筋混凝土支撐體系，第1道支撐截面為800 mm×800 mm，其余3道支撐主梁截面均為1 200 mm×1 000 mm。分4層開挖，開挖深度分別為5.7，9.9，13.7，17.3 m。

自然博物館基坑樁基均采用鉆孔灌注樁，工程樁樁徑均為?800，立柱樁樁徑非棧橋區(qū)分別為?800、?850，棧橋區(qū)為?900。

2）軌道交通明挖段。軌道交通明挖段開挖深度約為24.988 m，樁基為?800鉆孔灌注樁，主要為抗拔樁?；訃o采用800 mm厚地下連續(xù)墻。此坑中坑地墻底埋深35 m，墻頂標高位于自然博物館基坑底，落深較大，施工時采用C20素混凝土從低地墻頂面澆至地面。

車站中間段局部落深基坑采用豎向兩道支撐體系，第1道為1 000 mm×800 mm砼支撐，第2道為?609鋼支撐。

3）南端頭井基坑。南部端頭井開挖深度約為26.188 m，為軌道交通始發(fā)井，圍護采用1 000 mm厚地下連續(xù)墻，墻深48 m。

4 連續(xù)墻變形數(shù)值模擬

4.1 有限元模型建立

自然博物館基坑深、大、異形，且存在坑中坑開挖情況，內(nèi)外坑地下連續(xù)墻間距隨基坑位置變化。若坑中坑距離外坑圍護結(jié)構(gòu)間距較小，在開挖內(nèi)坑的過程中，內(nèi)坑連續(xù)墻產(chǎn)生的水平變形可能會傳遞到外坑連續(xù)墻上，因此，內(nèi)外坑連續(xù)墻間距會直接影響坑中坑式基坑工程的變形穩(wěn)定性。因基坑形狀不規(guī)則，計算時運用Plaxis 3D Foundation建立三維模型，西側(cè)外坑連續(xù)墻深度48 m，內(nèi)基坑圍護結(jié)構(gòu)為落深地連墻，落深段深度為35 m，內(nèi)基坑寬度為24 m，外坑開挖深度為17.3 m，內(nèi)基坑開挖深度為25 m，根據(jù)基坑開挖步驟，自然博物館基坑四道混凝土撐，分4層開挖；13號線明挖基坑兩道支撐，分兩層開挖。模型中土體采用硬化塑性模型（HS），地下連續(xù)墻采用墻單元（WALL）模擬，坑內(nèi)支撐采用梁單元（BEAM）模擬，基坑底板采用地板單元（FLOOR）模擬[7]。

模型中各土層的計算參數(shù)按照表1取值，連續(xù)墻、內(nèi)支撐的計算參數(shù)如表2，表3所示，自然博物館基坑底板厚度d=1.5m，軸向剛度EA=4.5×107kN。計算時完全模擬開挖步驟，模型如圖4所示。

圖4 模型三維網(wǎng)格圖Fig.4 3D mesh model

表2 模型連續(xù)墻計算參數(shù)Tab.2 Parameters of continuous model wall

表3 模型支撐計算參數(shù)Tab.3 Parameters of model support

4.2 計算結(jié)果分析

基坑西側(cè)保護等級最高，故西側(cè)連續(xù)墻變形為關(guān)注重點，提取西側(cè)內(nèi)坑外坑地連墻間距分別為10，15，20，30，50 m處的結(jié)果（對應(yīng)基坑位置如圖5所示），得到間距為15 m處每層開挖時地連墻的變形如圖6所示?？芍_挖至外基坑底時，外坑地下連續(xù)墻的最大水平位移隨著開挖深度的增加而增加，且發(fā)生位置逐漸下移，最大水平位移出現(xiàn)在開挖面以下0～2 m的位置。當外坑開挖至-13.7 m和-17.3 m時最大水平位移增幅較大，分別達到了70.6%和34.6%。而內(nèi)坑開挖對外坑地連墻的變形影響較小，開挖至內(nèi)坑底時變形僅增長4.2%。

圖5 結(jié)果分析示意圖Fig.5 Result analysis schemes

圖6 開挖地連墻變形計算結(jié)果（15 m）Fig.6 Calculating results of excavating continuous wall（15 m）

內(nèi)外坑連續(xù)墻間距為10，20，30，50 m時地下連續(xù)的最大水平位移變化規(guī)律與圖6相似，但最大水平位移量值有所變化。計算得不同地墻間距各開挖工況最大水平位移變化規(guī)律見圖7。由圖7可知，基坑開挖到外坑底時，當內(nèi)外坑地連墻間距小于20 m時，外坑地下連續(xù)墻的最大水平位移隨地下連續(xù)墻間距的增大而增大，當內(nèi)外坑地連墻間距大于20 m時，內(nèi)外坑間距對外坑地下連續(xù)墻的最大位移影響不大；開挖至內(nèi)坑底時，外坑地連墻變形增長很小。

圖7 連續(xù)墻最大水平位移隨內(nèi)外坑間距變化曲線Fig.7 Curves of maximum horizontal displacement of continuous wall with the changing distance of internal and external pit

5 自然博物館坑中坑式基坑開挖實測分析

實際工程中地連墻水平位移監(jiān)測點中的CX14，CX15，CX16，CX17和CX19五點（對應(yīng)內(nèi)外坑連續(xù)墻間距分別為9.5，14，21，27，48 m，圖4），根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)整理各層開挖的地連墻實際水平位移變化如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場監(jiān)測連續(xù)墻實際水平位移Fig.8 Displacement of on-the-spot monitoring data

從實測連續(xù)墻變形圖中可得出以下結(jié)論：

1）變形隨著開挖的進行而逐漸增加，墻體的最大變形值位于基坑開挖面附近，這與軟土地區(qū)深基坑地連墻變形特征相一致[8]。

2）支撐施作完成位置連續(xù)墻的側(cè)向后續(xù)變形較小，這也是連續(xù)墻的一般變形規(guī)律。

3）開挖第3層土?xí)r，地下連續(xù)墻的變形增量較大，與前文數(shù)值分析結(jié)論一致，分析原因認為，第3層土主要為淤泥質(zhì)粘土，土體強度低，壓縮性大，開挖產(chǎn)生的變形大。

4）數(shù)值模擬所得地連墻變形規(guī)律與實測數(shù)據(jù)較為吻合，數(shù)值模擬預(yù)測的連續(xù)墻變形結(jié)果對于控制工程安全是有利的，內(nèi)坑開挖對外坑地連墻變形影響較小。圖9同樣反映出當內(nèi)外坑間距大于20 m時，內(nèi)外坑連續(xù)墻間距變化對外坑地連墻最大水平變形影響不大。

圖9 實測連續(xù)墻最大水平位移隨內(nèi)外坑間距變化曲線Fig.9 Curves of maximum horizontal displacement of continuous wall with the changing distance of internal and external pit

6 結(jié)語

通過對自然博物館坑中坑式基坑工程中連續(xù)墻隨內(nèi)外坑間距變化的開挖模擬計算，與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)相對比，可以得出如下結(jié)論：

1）數(shù)值模擬與實際工程監(jiān)測得到的連續(xù)墻水平變形規(guī)律基本一致。

2）基坑開挖第3層土過程中地連墻水平變形較大，在施工中要嚴格遵循“分層、分塊、留土護壁、對稱限時開挖、快速支撐”的總原則，堅決貫徹先撐后挖，減少基坑無支撐的暴露時間，保證基坑施工及周圍環(huán)境的安全。

3）在本工程中，坑中坑內(nèi)坑開挖對外坑地連墻水平變形影響較??；當內(nèi)外坑間距小于20 m時，外坑地連墻最大水平變形隨內(nèi)外坑連續(xù)墻間距增加而增大，但當內(nèi)外坑間距大于20 m時，內(nèi)外坑連續(xù)墻間距變化對外坑地連墻最大水平變形影響不大。

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