復(fù)合群坑與城市地下通道同步開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)控制研究

閆 威

1. 上海建工二建集團(tuán)有限公司 上海 200080；2. 上海建筑工程逆作法工程技術(shù)研究中心 上海 200080

隨著城市建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，越來越多的大型開發(fā)項(xiàng)目建設(shè)需要伴隨著周邊城市地下道路施工一同進(jìn)行。基坑開挖過程不僅涉及群坑之間存在的明顯耦合作用，還需要綜合考慮對(duì)城市地下道路開發(fā)的影響。復(fù)興地塊辦公用房項(xiàng)目為群坑施工，緊鄰黃浦江，周邊存在道路下管線及城市道路開發(fā)工程，環(huán)境復(fù)雜。文章以此群坑施工為研究對(duì)象，介紹了外灘濱江環(huán)境下復(fù)合群坑與城市地下道路同步開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)[1-2]。

1 工程概況

1.1 基坑布置及周邊城市道路概括

復(fù)興地塊辦公用房項(xiàng)目位于上海市外灘區(qū)域，北至新碼頭街，南至公義碼頭街，西至中山南路，東鄰?fù)怦R路，為狹長形基坑，南北長367 m，東西寬89～115 m，總占地面積33 680.2 m2，基坑開挖面積30 000 m2。基坑分為Ⅰ-1區(qū)、Ⅰ-2區(qū)及Ⅱ區(qū)共3個(gè)區(qū)。圍護(hù)體系采用地下連續(xù)墻，其中，四周地下連續(xù)墻厚1 000 mm，深46.1 m，中隔墻厚800 mm，深36.9 m?；?xùn)|側(cè)距離黃浦江85～91 m，基坑西側(cè)為城市道路開發(fā)工程，工程第1階段施工區(qū)域距離基坑約20 m（圖1）。

緊鄰基坑西側(cè)為城市道路開發(fā)工程（圖2）。城市道路工程的開發(fā)共分2個(gè)階段，其中第1階段施工區(qū)域的2層深基坑（－15.4 m）與本項(xiàng)目基坑的施工在時(shí)間軸上有交叉。本項(xiàng)目基坑與城市道路開發(fā)工程第1階段施工區(qū)域間預(yù)留有寬約20 m的城市道路，其下方有壓力管，分別是φ300 mm的給水管及φ300 mm的燃?xì)夤埽馁|(zhì)均為鑄鐵管。

圖1 基坑平面示意

圖2 項(xiàng)目與城市道路開發(fā)工程剖面關(guān)系

地下室基坑共3層，設(shè)4道混凝土支撐?；訉?duì)應(yīng)主樓區(qū)域挖深18.8 m，普遍區(qū)域18.5 m，局部深坑22.6 m。城市道路普遍區(qū)域挖深14.5 m。圍護(hù)設(shè)計(jì)概況見表1。

表1 支撐概況

1.2 工程地質(zhì)條件

場地距離黃浦江較近，淺部分布有第①3層黏質(zhì)粉土（江灘土），層頂埋深1.5～6.1 m。江灘土土質(zhì)松散，在水動(dòng)力等外力作用下易產(chǎn)生流沙及管涌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。影響深度范圍到第3道支撐標(biāo)高。深部受古河道切割，場地西部和東北角缺失第⑥層，沉積了一定厚度的⑤3層土。

1.3 地下水

上海地區(qū)淺層地下水屬潛水，主要補(bǔ)給來源為大氣降水及地表徑流，埋深一般為地表下0.30～1.50 m，黃浦江最高潮水位在5.70 m，實(shí)測(cè)地下水靜止水位埋深在1.00～3.30 m之間，相應(yīng)絕對(duì)高程為3.13～0.83 m。

場地內(nèi)承壓水主要為深部第⑦、⑨層承壓含水層，承壓水水位呈周期性變化，水位埋深3.0～12.0 m。第⑦層層頂最淺埋深28.1 m。下部第⑨層承壓水對(duì)本工程基坑沒有直接影響。

2 基坑潛在施工風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 群坑耦合作用可能引起基坑失穩(wěn)

為了減小大面積卸載對(duì)周圍環(huán)境的影響，本工程基坑采取了分坑措施進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)施工，即Ⅰ-1、Ⅰ-2區(qū)先施工，Ⅱ區(qū)后施工。Ⅰ-1、Ⅰ-2區(qū)開挖過程中，Ⅱ區(qū)土體形態(tài)類似孤島。由于Ⅰ-1、Ⅰ-2區(qū)2個(gè)基坑工程量相差較大，Ⅰ-1施工進(jìn)度可能滯后于Ⅰ-2區(qū)。此時(shí)，兩側(cè)土體的高差會(huì)引起堆載效應(yīng)，產(chǎn)生較大的水平土壓力（圖3），可能引起基坑失穩(wěn)。

圖3 土體高差引起的堆載效應(yīng)

2.2 基坑開挖可能導(dǎo)致附近管線破壞

本工程基坑與鄰近城市道路開發(fā)工程施工區(qū)域之間存在壓力管，分別是φ300 mm的給水管及φ300 mm的燃?xì)夤埽馁|(zhì)均為鑄鐵管。基坑施工可能對(duì)管道產(chǎn)生不利影響。

2.3 潮汐水位對(duì)基坑降水的影響

本工程基坑開挖深度較深，降⑦層承壓水時(shí)，黃浦江潮汐水位可能會(huì)對(duì)基坑降水造成不利影響。

3 基坑施工風(fēng)險(xiǎn)的解決方案

3.1 控制群坑之間開挖深度差以減少主動(dòng)土壓力

在施工過程中，Ⅰ-1、Ⅰ-2區(qū)基坑開挖采用盆式開挖，一般情況下距各自中隔墻15～20 m范圍內(nèi)土方，為各自區(qū)域最后開挖，同時(shí)采用對(duì)稱開挖。另外，應(yīng)確保Ⅰ-2區(qū)基坑與Ⅰ-1區(qū)基坑的最大高度差為1道支撐距離，以減少Ⅱ區(qū)兩側(cè)基坑土體的主動(dòng)土壓力差。

為了確保基坑在上述開挖過程中的穩(wěn)定性，使用通用有限元軟件ANSYS對(duì)開挖過程進(jìn)行模擬分析，開挖過程中Ⅰ-2區(qū)基坑與Ⅰ-1區(qū)基坑的高度差為1道支撐距離。計(jì)算模型中，土體和地下連續(xù)墻采用平面應(yīng)力單元模擬，支撐采用桿單元模擬。土體采用Drucker-Prager理想彈塑性本構(gòu)模型，地下連續(xù)墻和支撐假設(shè)為線彈性材料。為了真實(shí)地模擬支撐結(jié)構(gòu)和土體之間的共同作用及不同施工方案對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，本文使用了ANSYS的單元“生死”功能來模擬土體開挖和支護(hù)施工。計(jì)算模型在基坑側(cè)向和底部均留有8倍開挖深度的距離，用以消除邊界條件的影響。模型包含節(jié)點(diǎn)數(shù)39 192個(gè)，單元數(shù)39 982個(gè)（圖4）。

計(jì)算結(jié)果顯示，開挖過程中坑底最大隆起量為23.5 mm，基坑土體未出現(xiàn)明顯的塑性變形及失穩(wěn)現(xiàn)象（圖5）。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為該開挖方案是可行的。

圖4 基坑開挖穩(wěn)定性分析（局部）

圖5 基坑豎向位移云圖

3.2 與城市道路開發(fā)工程錯(cuò)坑施工以保護(hù)管路

結(jié)構(gòu)底板的完成通常被認(rèn)為是基坑的穩(wěn)定性及對(duì)周圍環(huán)境影響的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，底板完成后的后續(xù)結(jié)構(gòu)施工對(duì)周圍環(huán)境的影響大大減少。結(jié)合基坑開挖過程中先深后淺原則，在合理規(guī)劃復(fù)興地塊基坑與中山南路城市道路開發(fā)工程的施工順序時(shí)，采取了錯(cuò)坑開挖措施，減少二者之間的相互影響，即Ⅰ-1、Ⅰ-2區(qū)基坑施工完成后，開挖城市道路開發(fā)工程基坑；對(duì)應(yīng)Ⅱ區(qū)范圍城市道路開發(fā)工程基坑大底板施工完成，且Ⅰ-1、Ⅰ-2區(qū)基坑工程完成后，開始施工群坑范圍的Ⅱ區(qū)基坑。

3.3 調(diào)整降水方案

根據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果，工程范圍下伏第⑦1、⑦2-1水位受黃浦江潮汐影響，每日水頭波動(dòng)在60 cm以內(nèi)。承壓降水井布置呈梅花形，充分結(jié)合基坑內(nèi)的局部深坑、局部缺失⑥層土及水頭與黃浦江潮汐的關(guān)系進(jìn)行布置。

減小黃浦江潮汐對(duì)承壓水降水影響的措施如下：

1）黃浦江一側(cè)的基坑外增設(shè)5孔觀測(cè)井（間距不大于100 m）。

2）黃浦江側(cè)的4個(gè)塔樓局部深坑側(cè)，各增設(shè)1口減少黃浦江潮汐影響的降水井（圖6），深度至⑨層承壓水。

圖6 降水井設(shè)計(jì)

4 方案的實(shí)施效果評(píng)估

4.1 基坑土體穩(wěn)定性評(píng)估

Ⅰ-1區(qū)、Ⅰ-2區(qū)同一橫截面的地下連續(xù)墻測(cè)斜變化趨勢(shì)（圖7、圖8）顯示：Ⅰ-1區(qū)、Ⅰ-2區(qū)地下連續(xù)墻的測(cè)斜趨勢(shì)相同，基坑開挖期間最大變形量分別為64.77 mm及61.82 mm，群坑施工變形有耦合性[3-4]。

圖7 Ⅰ-1區(qū)橫截面地下連續(xù)墻測(cè)斜

圖8 Ⅰ-2區(qū)橫截面地下連續(xù)墻測(cè)斜

Ⅰ-1（LZ10）、Ⅰ-2（LZ30）區(qū)的基坑隆起變化趨勢(shì)（以立柱隆起替代）顯示（圖9），群坑的基坑隆起趨勢(shì)及隆起量有耦合性，最大值分別為28.88 mm及27.32 mm，略大于有限元模擬得到的變形結(jié)果。

綜合以上觀測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，基坑的變形量處在安全允許范圍，基坑土體穩(wěn)定性良好。因此，本工程采用的開挖方案是合理、安全的。

圖9 立柱隆起變化趨勢(shì)

4.2 鄰近管線安全性評(píng)估

通過采取錯(cuò)坑開挖措施，群坑與城市道路工程中間約20 m范圍內(nèi)道路下的φ300 mm給水管最大沉降為32 mm，φ300 mm燃?xì)夤茏畲蟪两禐?8 mm，在安全允許范圍內(nèi)。上述2根管線的沉降變化之所以超過設(shè)計(jì)給出的10 mm報(bào)警值，主要是前期1根φ2 000 mm的污水合流管搬遷，對(duì)上述2根管線產(chǎn)生了一定影響。所以，本工程采取的錯(cuò)坑開挖措施也得到了較為理想的結(jié)果。

4.3 降水方案合理性評(píng)估

在降水實(shí)施過程中，基坑與黃浦江間預(yù)留的觀測(cè)井起到了掌握黃浦江潮汐水位變化對(duì)⑦層承壓水頭影響的作用。

當(dāng)觀測(cè)到坑外承壓水頭受黃浦江水頭的影響在變大時(shí)，主樓局部深坑各增加的1口降壓井及時(shí)進(jìn)行開啟。

在開挖過程中，降水井的有效布置一方面保證了在黃浦江潮汐水位的影響下坑內(nèi)承壓水位可降至安全水位，另一方面，坑外預(yù)留的觀測(cè)井又做到了按需降水，最大化地減少了降承壓水對(duì)周邊環(huán)境的影響。

綜上所述，本工程采取的降水方案也是合理有效的。

5 結(jié)語

復(fù)興地塊辦公用房項(xiàng)目的群坑施工過程表明，運(yùn)用施工過程有限元分析、優(yōu)化群坑開挖順序以及增設(shè)觀測(cè)井、降壓井等措施，可以有效解決濱江環(huán)境下復(fù)合群坑與城市地下道路同步開發(fā)過程中潛在的施工風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)今后類似工程的風(fēng)險(xiǎn)控制具有重要的參考價(jià)值。