緊鄰防汛墻基坑防汛安全影響研究

郝眩明

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

0 引言

隨著上海經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，上海市城區(qū)內(nèi)地下建筑物的數(shù)量逐漸增加，規(guī)模也逐步增大。在此情況下，地下基坑的開(kāi)挖對(duì)于河道防汛墻的安全將造成影響，從而也引出了一個(gè)必須考慮的防汛安全問(wèn)題。因此，合理地預(yù)測(cè)和評(píng)估基坑開(kāi)挖對(duì)河道防汛墻的影響顯得尤為重要，隨著上?！笆濉逼陂g的發(fā)展和“四個(gè)中心”的建設(shè)，該課題的研究必將成為城市建設(shè)中迫切需要解決的重大工程問(wèn)題。

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展、人口的膨脹和汽車(chē)的普及，上海的生活密度越來(lái)越大，為了充分利用不可再生的土地資料，房屋之間的間距越來(lái)越小，直接連通、共用一片場(chǎng)地的工程也屢見(jiàn)不鮮。同時(shí)，地下空間越來(lái)越受到重視并得到了充分的開(kāi)發(fā)。由此產(chǎn)生了新的工程問(wèn)題，即在復(fù)雜的周邊環(huán)境條件下，在原有無(wú)樁建筑旁邊進(jìn)行新的工程建設(shè)，深度較原建筑更深，并與原建筑直接連通的基坑工程設(shè)計(jì)和施工問(wèn)題。如何在復(fù)雜條件下確保原建筑和新基坑工程的安全，對(duì)基坑的設(shè)計(jì)、施工和管理提出了較高要求。處理好上述問(wèn)題，可以起到節(jié)約土地、保護(hù)環(huán)境、方便人們生活等作用。

1 工程概況

南濱江三角綠地綜合改造工程由于地處陸家嘴核心區(qū)域，東邊面臨正大廣場(chǎng)與香格里拉酒店，西面為南濱江公園，北起陸家嘴西路，南接?xùn)|昌路（見(jiàn)圖1）?？傆玫孛娣e41500 m2，總建筑面積14470 m2，其中地下車(chē)庫(kù)及商業(yè)配套用房建筑面積14275 m2。該地下地下車(chē)庫(kù)為地下一層，地上一層，結(jié)構(gòu)體系為無(wú)梁樓蓋+柱帽體系。該工程利用自重抗浮，不設(shè)抗拔樁。

圖1 工程地理位置圖

擬建場(chǎng)區(qū)地勢(shì)較為平坦，標(biāo)高在4.00 m左右。基坑開(kāi)挖前對(duì)場(chǎng)地表層土進(jìn)行整平后絕對(duì)標(biāo)高3.10 m，基礎(chǔ)底板頂面絕對(duì)標(biāo)高為-0.60 m，底板厚0.9 m，基底設(shè)置200 mm厚度墊層，則其基坑開(kāi)挖深度為4.80 m。

該項(xiàng)目基坑圍護(hù)墻體周長(zhǎng)約435 m，基地開(kāi)挖面積約8635 m2，基坑開(kāi)挖深度4.80 m，故該基坑定義為三級(jí)基坑?？紤]到該項(xiàng)目西面與富都世界一期車(chē)庫(kù)（即黃浦江大道段的箱體防汛墻結(jié)構(gòu)）的距離較近，并且車(chē)道下有一Φ2200雨水總管在兩倍開(kāi)挖深度范圍內(nèi)，故該基坑環(huán)境保護(hù)等級(jí)定為二級(jí)基坑（見(jiàn)圖2）。

圖2 工程環(huán)境剖面圖

2 地質(zhì)水文情況

擬建場(chǎng)區(qū)位置屬濱海平原類(lèi)型。土層自上而下可劃分為四大層及四個(gè)亞層，其中①1層為填土，②層～⑤層為全新世Q4沉積層。擬建場(chǎng)區(qū)①1層為填土，成分復(fù)雜，主要為粘性土，夾少量粉性土，含有較多的碎石、碎磚、煤渣等建筑垃圾；②層以粘質(zhì)粉土為主，上部夾粘性土，場(chǎng)區(qū)中均有分布，厚度較多；其中②0T層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，場(chǎng)地內(nèi)局部分布，流塑為主，高壓縮性，土質(zhì)較差；②0層為粘質(zhì)粉土，局部夾砂質(zhì)粉土，土質(zhì)松散、基本不成形、中壓縮性；④2層為砂質(zhì)粉土，局部夾粘質(zhì)粉土，場(chǎng)區(qū)內(nèi)均有分布，厚度有一定變化，稍密、中壓縮性，土質(zhì)較好；；⑤層可分為二個(gè)亞層，其中⑤1層為粉質(zhì)粘土，軟塑為主，高壓縮性，土質(zhì)一般；⑤3層為粉質(zhì)粘土，軟塑、高壓縮性，土質(zhì)相對(duì)稍好（見(jiàn)表1）。

表1 地基土特性表

根據(jù)勘察結(jié)果，地下穩(wěn)定水位埋深為0.9～2.45 m（標(biāo)高3.10～1.47 m）。設(shè)計(jì)時(shí)按均水位埋深0.5 m采用。

3 工程難點(diǎn)

該工程西側(cè)臨濱江公園和黃浦江，環(huán)境條件比較復(fù)雜，主要表現(xiàn)為：

（1）工程西側(cè)為濱江公園，該段黃浦江的箱體防汛墻結(jié)構(gòu)兼做濱江公園停車(chē)庫(kù)。箱體結(jié)構(gòu)的東側(cè)（即擬建車(chē)庫(kù)所在側(cè)）為敞開(kāi)汽車(chē)坡道，寬約9.0m。將來(lái)工程施工時(shí)將對(duì)箱體結(jié)構(gòu)的開(kāi)敞車(chē)道擋土墻及排水系統(tǒng)進(jìn)行改造處理，并連通新老兩建筑的地下室。新工程基坑挖深約4.8 m，比防汛墻箱體結(jié)構(gòu)車(chē)庫(kù)底板底標(biāo)高還要低2.35 m。

（2）濱江公園的西面是黃浦江，離開(kāi)該工程基坑邊距離僅60 m，黃浦江設(shè)計(jì)高水位5.86 m，設(shè)計(jì)低水位0.69 m，常年平均高潮位3.35 m。其中設(shè)計(jì)高水位高出該基坑底標(biāo)高7.56 m，即使是常年平均高潮位也要高出該基坑底標(biāo)高5.05 m?；觾?nèi)外水位差較大，而基坑西側(cè)圍護(hù)卻因?yàn)橐c防汛墻箱體結(jié)構(gòu)連通而施工困難。

（3）防汛墻箱體結(jié)構(gòu)的車(chē)道為敞開(kāi)結(jié)構(gòu)，主要靠底板自重、擋土墻自重和底板挑腳上部壓土來(lái)抗浮，詳見(jiàn)圖3所示。但是由于擬建車(chē)庫(kù)與箱體結(jié)構(gòu)之間要連通，導(dǎo)致擬建車(chē)庫(kù)基坑圍護(hù)墻體和止水帷幕必須得在箱體結(jié)構(gòu)車(chē)道內(nèi)部施工，鑿除車(chē)道擋土墻和部分底板后，車(chē)道抗浮計(jì)算無(wú)法滿(mǎn)足。圖4為防汛墻體結(jié)構(gòu)老車(chē)道實(shí)景。

圖3 防汛墻箱體結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀剖面圖（單位：mm）

圖4 黃浦江防汛墻箱體結(jié)構(gòu)老車(chē)道實(shí)景

（4）基坑開(kāi)挖將卸載防汛墻東側(cè)的土壓力，而西側(cè)的土體壓力將導(dǎo)致防汛墻箱體結(jié)構(gòu)兩邊土壓力不平衡。同時(shí)由于地下水的緣故，防汛墻底板與土之間的摩阻力較小，將難以抵擋防汛墻西側(cè)的土壓力，故該防汛墻在兩側(cè)土壓力不平衡的情況下有往擬建車(chē)庫(kù)基坑移動(dòng)的趨勢(shì)，將導(dǎo)致原防汛墻位移進(jìn)一步增大，乃至滑移破壞。

（5）箱體結(jié)構(gòu)老車(chē)道下有一Φ2200雨水總管，離開(kāi)擬建基坑邊線(xiàn)最小距離約為7.0 m，該雨水管在陸家嘴區(qū)域起著至關(guān)重要的作用，一旦發(fā)生損壞，不但影響到陸家嘴金融區(qū)的排水，而且由于管線(xiàn)埋于車(chē)道底板下，維修將非常困難。

綜上所述，因緊挨黃浦江防汛墻箱體結(jié)構(gòu)，擬建地下空間工程西側(cè)環(huán)境復(fù)雜、保護(hù)等級(jí)高，牽涉到的內(nèi)容廣、多、雜，尤其是基坑西側(cè)防汛墻箱體結(jié)構(gòu)的保護(hù)、車(chē)道下雨水總管的保護(hù)、老車(chē)道與擬建工程地下室的連通改造，以及抗浮問(wèn)題，均是該工程基坑該側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

4 基坑設(shè)計(jì)

4.1 圍護(hù)介紹

基坑北側(cè)、東側(cè)和南側(cè)三面圍護(hù)墻采用4.7 m厚Φ700@500水泥攪拌樁重力壩的圍護(hù)形式，水泥摻量為13%。圍護(hù)頂部按1:2放坡，放坡高度為0.5 m，重力壩頂施工鋼筋混凝土面板。壩體頂標(biāo)高2.60 m，底標(biāo)高-8.20 m?？紤]到防汛墻空箱結(jié)構(gòu)處老車(chē)道擋土墻在基坑開(kāi)挖過(guò)程中將被拆除，基坑西側(cè)與老車(chē)道共同改造處采取在車(chē)道底板下貼近擋土墻位置縱向施工一排咬合型旋挖樁，旋挖樁樁頂與老車(chē)道底板進(jìn)行有效連接，旋挖樁兼作擋土、止水和抗拔作用。

由于地下室有較多集水井需要超深度開(kāi)挖，對(duì)貼邊集水井周?chē)M(jìn)行攪拌樁加固并進(jìn)行坑底壓密注漿封底，對(duì)基坑中間集水井及電梯井周?chē)M(jìn)行攪拌樁加固。采用Φ700@500雙軸水泥土攪拌樁，水泥摻量為15%。

圖5為基坑平面布置圖，圖6為防汛墻空箱結(jié)構(gòu)車(chē)道側(cè)咬合樁圍護(hù)示意圖。

圖5 基坑平面布置圖（單位：mm）

圖6 防汛墻空箱結(jié)構(gòu)車(chē)道側(cè)咬合樁圍護(hù)示意圖（單位：mm）

4.2 圍護(hù)計(jì)算

為了較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)基坑工程開(kāi)挖引起已建西側(cè)防汛墻空箱結(jié)構(gòu)的附加變形，采用通用有限元分析軟件MIDAS進(jìn)行基坑開(kāi)挖過(guò)程的有限元數(shù)值模擬，取西側(cè)圍護(hù)剖面進(jìn)行彈塑性有限元計(jì)算，預(yù)測(cè)基坑開(kāi)挖卸載對(duì)周邊環(huán)境的附加變形。

計(jì)算過(guò)程如下：

土體采用Hardening Soil model模型，該模型在巖土工程中應(yīng)用較多。計(jì)算中不同分層土體的重度、粘聚力、摩擦角等參數(shù)由勘察報(bào)告提供，彈性模量則根據(jù)大量類(lèi)似工程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反演得到。計(jì)算中考慮荷載為：西側(cè)防汛墻空箱結(jié)構(gòu)頂板及車(chē)道地面荷載為5 kN/m2。采用彈塑性無(wú)厚度Goodman接觸面單元模擬土體和建筑底板、旋挖樁之間的相互作用。計(jì)算區(qū)域?yàn)椋荷疃热≈磷銐蛏疃?，為地表以?5 m?；悠拭嬗?jì)算寬度為30 m；基坑外計(jì)算范圍為65 m。水平向?yàn)閄向，豎直向?yàn)閅向，且對(duì)X邊界施加X(jué)向位移約束，Y邊界施加Y向約束。采用等三角形六節(jié)點(diǎn)平面單元模擬土體。計(jì)算水位考慮最不利工況，取地下水位最大值。即與地面標(biāo)高相同。

計(jì)算模型見(jiàn)圖7～圖10所示。

圖7 計(jì)算土體初始應(yīng)力場(chǎng)圖示

圖8 開(kāi)挖土體至基底網(wǎng)格

圖9 開(kāi)挖至基底水平變形云圖

圖10 開(kāi)挖至基底豎向變形云圖

經(jīng)計(jì)算，黃浦江防汛墻箱體結(jié)構(gòu)水平位移最大值為25.2 mm，豎向位移最大值為23.5 mm。根據(jù)《上海市地下公共工程建設(shè)防汛影響專(zhuān)項(xiàng)論證報(bào)告編制導(dǎo)則》，對(duì)一級(jí)防汛工程設(shè)施，墻頂位移不得大于2 cm，二級(jí)防汛工程設(shè)施，墻頂位移不得大于4 cm。市區(qū)段黃浦江防汛墻均屬一級(jí)防汛設(shè)施，因此墻頂位移不得大于20 mm，目前計(jì)算值已經(jīng)超出理論允許值，但是在理論計(jì)算時(shí)考慮的是最不利水位（水頭高度取與地面高程一致），同時(shí)未考慮抽條開(kāi)挖、空間作用效應(yīng)等有利因素，實(shí)際計(jì)算值應(yīng)為最不利值，應(yīng)將實(shí)際工程的監(jiān)測(cè)結(jié)果與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，校核計(jì)算結(jié)果的置信度。

圖11、圖12為工程施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景。

5 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

在該工程的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，沿基坑西側(cè)黃浦江防汛墻箱體結(jié)構(gòu)墻頂?shù)谋O(jiān)測(cè)點(diǎn)共有10個(gè)，分別是C1點(diǎn)～C10點(diǎn)，見(jiàn)圖13所示。

圖11 咬合樁施工前準(zhǔn)備實(shí)景

圖12 箱體結(jié)構(gòu)車(chē)道處施工實(shí)景

圖13 邊環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

將基坑施工期間防汛墻墻頂?shù)拇怪?、水平位移監(jiān)測(cè)值匯總整理情況見(jiàn)圖14、圖15所示。

圖14 防汛墻墻頂各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直位移變形圖

圖15 防汛墻墻頂各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移變形圖

結(jié)合基坑施工的各階段工況：

9月17日～9月28日，施做基坑?xùn)|側(cè)、南側(cè)、北側(cè)攪拌樁；

9月29日～11月3日，施工搬遷防汛墻機(jī)動(dòng)車(chē)道下污水管，施做車(chē)道下高壓旋噴樁；

11月4日～12月4日，基坑進(jìn)行分區(qū)域開(kāi)挖并降水，并分區(qū)域綁扎底板鋼筋澆筑；

12月5日，底板全部澆筑完畢。

從圖14可看出，防汛墻墻頂?shù)拇怪蔽灰谱兓厔?shì)基本隨著施工階段分為三個(gè)階段。第一階段：在施做基坑?xùn)|側(cè)、南側(cè)、北側(cè)攪拌樁墻體期間，防汛墻墻頂位移隨著施工過(guò)程逐漸變大，至10 mm左右；第二階段，在防汛墻機(jī)動(dòng)車(chē)道處施工時(shí)，垂直位移變化基本穩(wěn)定；第三階段，基坑進(jìn)行分區(qū)域開(kāi)挖及降水，位移繼續(xù)增大至約20 mm，在底板混凝土全部澆搗完畢之前，垂直位移不斷增大，直至底板澆筑完畢，垂直位移變化曲線(xiàn)有收斂趨勢(shì)。其中，垂直位移監(jiān)測(cè)值最大值于12月1日出現(xiàn)在C4監(jiān)測(cè)點(diǎn)，最大值為-18.9 mm。

防汛墻墻頂?shù)乃轿灰谱兓€(xiàn)較垂直位移變化曲線(xiàn)相對(duì)平和，但也大致可以看出有三階段的趨勢(shì)，水平位移的最大值于11月20日C2點(diǎn)，最大值6 mm。

分析圖16、圖17中防汛墻墻頂各監(jiān)測(cè)點(diǎn)縱向的垂直、水平位移曲線(xiàn)的特點(diǎn)，呈現(xiàn)基坑南北兩端小、中間波浪形變化的特點(diǎn)。這與實(shí)際施工過(guò)程中采取了分塊、抽條開(kāi)挖的措施是緊密相關(guān)的。由于基坑開(kāi)挖是東西向、垂直于防汛墻分條開(kāi)挖，在先期開(kāi)挖的基坑南側(cè)，變形值較大，在后開(kāi)挖的基坑北側(cè)，變形相對(duì)較小。并且垂直、水平變形曲線(xiàn)的趨勢(shì)基本一致。

圖16 防汛墻墻頂各監(jiān)測(cè)點(diǎn)縱向垂直位移曲線(xiàn)圖

圖17 防汛墻墻頂各監(jiān)測(cè)點(diǎn)縱向水平位移曲線(xiàn)圖

經(jīng)綜合上述的位移變化情況，可見(jiàn)，防汛墻的實(shí)際最大垂直、水平位移變形均未超過(guò)允許值20 mm，同時(shí)小于計(jì)算值（垂直位移23.5 mm、水平位移25.2 mm）。主要原因可能如下：

（1）基坑施工時(shí)間為9月下旬至12月份，該段時(shí)間為枯水期，因此地面水位較低，防汛墻受到的水土作用力較小，因此實(shí)際沉降值小于計(jì)算值；

（2）土方開(kāi)挖是分段分塊抽條開(kāi)挖，由于合理的施工順序及施工措施，以及基坑的空間效應(yīng)，將變形曲線(xiàn)的沉降槽由理論上的拋物線(xiàn)型改變?yōu)閷?shí)際的波浪形，從而減小了基坑的實(shí)際變形。

6 結(jié)語(yǔ)

最終得出結(jié)論，有限元的計(jì)算模型可以相對(duì)較好地模擬防汛墻受基坑影響所產(chǎn)生的變形，根據(jù)最不利條件計(jì)算產(chǎn)生的最大變形值基本可以預(yù)測(cè)防汛墻的實(shí)際變化情況；經(jīng)過(guò)采取合理的施工步驟和施工措施，可以有效地減少基坑開(kāi)挖對(duì)防汛墻產(chǎn)生的影響。因此在實(shí)際工程中，防汛墻產(chǎn)生的實(shí)際變形較小，滿(mǎn)足規(guī)范要求，同時(shí)未發(fā)生墻體變形開(kāi)裂等損壞情況。

[1]JGJ 120-99，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程.[S].

[2]DBJ08-61-97，基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)程.[S].

[3]龔曉南,等.深基坑工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1998.

[4]曾遠(yuǎn)，李志高，王毅斌.基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵車(chē)站影響因素研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2005，8(4)：642-645.