超大基坑施工近距離平行地下供能管溝的變形控制

張敏華

（上海城建市政（工程）集團(tuán)有限公司，上海市 200065）

0 引言

隨著我國(guó)城市化的快速發(fā)展、建筑功能的綜合化與地下空間的集約化開(kāi)發(fā)利用，近年來(lái)超深和超大基坑工程在城市開(kāi)發(fā)新區(qū)的建設(shè)中不斷出現(xiàn)。與小規(guī)?；酉啾龋蟪罨颖旧淼氖┕わL(fēng)險(xiǎn)大大增加，需要在施工技術(shù)、工藝方法、管理模式、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控等方面不斷研究，完善、超越已有的理論和技術(shù)體系，形成一整套更安全、更成熟的施工工藝。同時(shí)隨著基坑工程區(qū)域地質(zhì)條件、環(huán)境條件、近鄰約束條件等日益復(fù)雜，尤其對(duì)于軟土地層的超大超深基坑，其施工階段鄰近地下管線因某種原因無(wú)法實(shí)施搬遷的，因影響時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍大，相鄰地下管線結(jié)構(gòu)的變形控制成為施工一大難題。

本文以上海虹源盛世國(guó)際文化城02-A區(qū)地下工程的超大基坑施工為例，結(jié)合工程的實(shí)際情況和相鄰管溝的保護(hù)要求，在超大基坑開(kāi)挖方案有限元分析設(shè)計(jì)、開(kāi)挖階段的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)、基坑開(kāi)挖和管溝保護(hù)措施等方面，闡述了超大基坑施工階段對(duì)位于錫虹路靠近基坑南側(cè)的近距離平行于基坑的地下供能管溝的變形控制技術(shù)，希望對(duì)類似工程施工提供參考。

1 工程概況

1.1 基坑與相鄰管溝概況

虹源盛世國(guó)際文化城工程位于上海市虹橋商務(wù)核心區(qū)一期02地塊，02地塊被錫虹路分為南、北兩塊，分別為02-A區(qū)、02-B區(qū)。本文所述的超大基坑工程位于02-A區(qū)，占地面積55 053 m2，周長(zhǎng)約964 m，開(kāi)挖深度15.3 m。相鄰的供能管溝位于基坑南側(cè)的錫虹路下，管溝外壁距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊線1.2～1.5 m，如圖1所示。

圖1 虹源盛世國(guó)際文化城02地塊平面圖

1.2 工程地質(zhì)水文與地下關(guān)系

工程場(chǎng)地地貌屬于濱海平原地貌，地基土在勘察深度范圍內(nèi)均為第四系松散沉積物，在基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)涉及的土層分別為①層、②層、③層、④層及⑤1-1層，其物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。其中的③層土含粉性土顆粒較重，易滲水，并可能產(chǎn)生流砂、管涌等現(xiàn)象，必須采取相應(yīng)的預(yù)防措施，尤其要注意止水、隔水、降水的可靠，以確保該工程深基坑的施工安全。地層典型分布及與地下結(jié)構(gòu)的關(guān)系如圖2所示。

表1 各層土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

圖2 工程地質(zhì)、基坑與管溝的地下關(guān)系（單位：mm）

對(duì)工程區(qū)有影響的潛水層和承壓含水層，潛水地下水初見(jiàn)水位埋深為2.50～3.10 m，穩(wěn)定水位埋深為1.68～2.27 m；埋深約30.0 m以下的⑦1-1和⑦1-2土層為承壓含水層，一般埋深變化范圍為3.0～11.0 m，勘察期間測(cè)得⑦1-1層承壓水位埋深約6 m。

基坑鄰近供能管溝側(cè)采用地下連續(xù)墻圍護(hù)，墻厚 1 000 mm，墻深 30.5 m，3?850 mm@1 200樁長(zhǎng)22.3 m高壓旋噴樁槽壁加固（見(jiàn)圖2），其余非管溝側(cè)則采用鉆孔灌注樁加三軸攪拌樁止水帷幕圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

1.3 基坑開(kāi)挖與降水

02-A區(qū)基坑工程因規(guī)模超大，為確保施工安全，施工時(shí)采用?950 mm@1 150 mm樁長(zhǎng)29.5 m鉆孔灌注樁，將大基坑分割為A1、A2和A3三個(gè)分區(qū)進(jìn)行開(kāi)挖，開(kāi)挖順序依次為A1→A2→A3（見(jiàn)圖1），具體開(kāi)挖時(shí)再細(xì)分不同的開(kāi)挖工況。

由于③、④層為主要的軟弱土層，疏干降水重點(diǎn)考慮該兩層，疏干降水應(yīng)滿足水位降至開(kāi)挖面以下1 m的要求，井深應(yīng)在開(kāi)挖面以下6 m左右。實(shí)際施工時(shí)，A1、A2和A3區(qū)的疏干井分別設(shè)置了87口、59口和65口，降壓井分別設(shè)置了9口、9口和10口，坑內(nèi)滿足降壓要求時(shí)，坑外南側(cè)管溝處最大降深分別約為2.1 m、1.7 m和2.0 m。

1.4 相鄰管溝的現(xiàn)狀

相鄰供能管溝一般段深度為7.3～7.6 m，管溝外壁與相關(guān)地塊地下室外墻距離為3.4～3.7 m，圍護(hù)形式為“Ⅳ號(hào)拉森鋼板樁+兩道鋼支撐”，如圖3所示。在基坑施工階段，供能管溝施工完成且鋼板樁已被拔除，但管溝底板與鋼板樁設(shè)有1 m長(zhǎng)、400 mm厚的混凝土，制約了后續(xù)保護(hù)措施的實(shí)施。

圖3 錫虹路施工階段的管溝

1.5 供能管溝的保護(hù)要求

基坑南側(cè)緊鄰的地下供能管溝環(huán)境保護(hù)等級(jí)為一級(jí)，變形控制要求高，技術(shù)難度大，管溝變形縫間差異沉降必須不大于25 mm，管溝結(jié)構(gòu)的絕對(duì)沉降量及水平位移量必須不大于20 mm，日控制量要求不大于2 mm/d。

2 供能管溝的施工保護(hù)措施

2.1 基坑開(kāi)挖時(shí)的變形控制

2.1.1 基坑開(kāi)挖方案設(shè)計(jì)

為控制基坑開(kāi)挖對(duì)近距離供能管溝的影響，需選擇合理開(kāi)挖方案。以02-A1區(qū)為例，基坑分四層開(kāi)挖，其開(kāi)挖深度分別為3.5 m、3.5 m、4.7 m、3.6 m。第一層土方開(kāi)挖對(duì)周?chē)h(huán)境影響較小，重點(diǎn)探討第二、三、四層土方開(kāi)挖方案。為此設(shè)計(jì)了兩種土方開(kāi)挖方案，方案一以島式開(kāi)挖為主，方案二以盆式開(kāi)挖為主，將供能管溝同步考慮，建立如圖4所示的02-A1區(qū)基坑三維有限元模型。

圖4 02-A1區(qū)基坑三維有限元模型的具體構(gòu)成

按照基坑設(shè)計(jì)方案建立數(shù)值模擬分析步驟，方案一共計(jì)34個(gè)，方案二共計(jì)40個(gè)，進(jìn)行非線性求解；求解收斂完成后，后處理選項(xiàng)中，對(duì)基坑開(kāi)挖工序?qū)┠芄軠嫌绊懙挠?jì)算結(jié)果進(jìn)行相關(guān)處理，分別得到方案一、方案二基坑開(kāi)挖過(guò)程（各工況）地下連續(xù)墻和管溝的位移云圖及其最大位移隨著土方開(kāi)挖的變化情況，繪制管溝豎向位移與地下連續(xù)墻側(cè)移的關(guān)系并擬合相應(yīng)的關(guān)系曲線，如圖5所示?？梢?jiàn)，方案一的斜率為1.23，大于方案二的斜率，表明采用方案一時(shí)管溝更易受到地下連續(xù)墻發(fā)生側(cè)向變形的影響。綜上所述，考慮施工過(guò)程中土方開(kāi)挖對(duì)基坑本身及周?chē)h(huán)境影響的急劇變化程度以及相同土方開(kāi)挖量下對(duì)周?chē)h(huán)境影響的數(shù)值大小因素，最終確定選擇方案二作為虹源盛世A1區(qū)基坑開(kāi)挖施工方案。

圖5 管溝豎向位移與地下連續(xù)墻側(cè)向位移關(guān)系擬合曲線

2.1.2 開(kāi)挖階段的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)管控

上述數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)環(huán)境影響急劇變化的工況，作為實(shí)際施工時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)并采取相應(yīng)保護(hù)措施的依據(jù)。依然以02-A1區(qū)基坑開(kāi)挖為例：

從各工況管溝豎向位移的變化匯總可見(jiàn)，各工況下管溝最大位移發(fā)生在中部，每一層土方開(kāi)挖南側(cè)、北側(cè)各兩個(gè)角撐區(qū)域以及分層收底最后開(kāi)挖時(shí)管溝的位移變化較大，基坑開(kāi)挖完畢后管溝的最大豎向位移為46.2 mm。因此在實(shí)際施工中管溝中部是監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。

從各工況下地下連續(xù)墻最大側(cè)向位移匯總可見(jiàn)，開(kāi)挖過(guò)程中，地下連續(xù)墻的側(cè)向位移逐漸增大，第一層土方開(kāi)挖各工況側(cè)向位移變化相對(duì)平緩，之后各層土方開(kāi)挖變化較大，應(yīng)加強(qiáng)其側(cè)向位移監(jiān)測(cè)。

實(shí)際施工中，在錫虹路下供能管溝位置布設(shè)了間距為20 m的沉降監(jiān)測(cè)共計(jì)15點(diǎn)，在管溝側(cè)基坑止水帷幕3 m范圍內(nèi)布設(shè)了深度約35 m的坑外承壓水水位觀測(cè)孔、水位觀測(cè)點(diǎn)共計(jì)3個(gè)，南側(cè)地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)布設(shè)了6個(gè)測(cè)斜孔。

2.1.3 開(kāi)挖階段控制變形措施

在開(kāi)挖階段，根據(jù)管溝的保護(hù)要求，在常規(guī)基坑安全施工措施的基礎(chǔ)上，采取以下針對(duì)性措施來(lái)更有效地減少基坑開(kāi)挖對(duì)相鄰地下平行供能管溝的不利影響：

（1）嚴(yán)格按照分層、分段與分塊的開(kāi)挖設(shè)計(jì)方案，以對(duì)稱、均衡為原則進(jìn)行土方開(kāi)挖，充分利用時(shí)空效應(yīng)，隨挖隨撐、限時(shí)封閉、坑邊留土，減少基坑開(kāi)挖卸載變形，有效降低大面積開(kāi)挖的施工風(fēng)險(xiǎn)。

（2）基坑開(kāi)挖到底后，在靠近管溝的一側(cè)，立即采用200 mm厚C30混凝土配筋墊層，有效控制在底板結(jié)構(gòu)施工期間土體位移的進(jìn)一步發(fā)展。

（3）實(shí)施信息化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)來(lái)指導(dǎo)施工，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析地下連續(xù)墻和管溝的變形趨勢(shì)和位移速率，以管溝變形收斂為目標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)調(diào)整施工部署，一旦發(fā)現(xiàn)變形速率及變形量較大時(shí)，應(yīng)立即停止開(kāi)挖，按需降承壓水，并根據(jù)變形的部位和原因分析情況及時(shí)采取注漿等應(yīng)急措施。

（4）采用無(wú)線遠(yuǎn)程數(shù)字化水位監(jiān)控系統(tǒng)，隨時(shí)掌控基坑開(kāi)挖階段的地下水位變化情況，如圖6所示。

圖6 無(wú)線遠(yuǎn)程數(shù)字化水位監(jiān)控系統(tǒng)

（5）以基坑開(kāi)挖安全和供能管溝保護(hù)為控制目標(biāo)，結(jié)合開(kāi)挖設(shè)計(jì)方案、有限元分析結(jié)果和各項(xiàng)針對(duì)性措施，建立數(shù)字化三維的BIM管理平臺(tái)，集成所有相關(guān)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和施工數(shù)據(jù)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.2 地下供能管溝保護(hù)措施

從圖2可知，該工程南側(cè)錫虹路下供能管溝寬5.6 m，高3.2 m，側(cè)壁壁厚500 mm，底板厚600 mm。管溝下部未設(shè)置樁基，處于②層和③層，與南側(cè)地下連續(xù)墻近距離地下平行，受超大基坑施工影響較大。為達(dá)到其保護(hù)要求，除基坑開(kāi)挖需密切注意對(duì)其的變形影響外，在其本身所處的坑外位置，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施條件許可的情況下，采用了以下加強(qiáng)措施來(lái)最大限度地減低其變形：

（1）管溝完成后，回填土采用水泥土分層進(jìn)行壓實(shí)回填，管溝側(cè)壁的回填區(qū)域采用壓密注漿進(jìn)行加固，型鋼、鋼板樁拔除后須立即注漿充填密實(shí)，以強(qiáng)化其周?chē)馏w。

（2）靠供能管溝側(cè)，基坑內(nèi)采用高水泥摻量的3?850 mm@1 800 mm三軸攪拌樁進(jìn)行裙邊加固，加固深度范圍從基坑的第一道支撐底至坑底開(kāi)挖面以下4.0 m，使基坑內(nèi)側(cè)土體抗力可靠，以進(jìn)一步控制基坑施工階段管溝結(jié)構(gòu)的變形。

3 結(jié) 語(yǔ)

該工程基坑開(kāi)挖到底時(shí)，供能管溝的最大沉降量為12.0 mm，最大水平位移為15.0 mm，均小于20 mm的變形控制目標(biāo)；管溝變形縫間最大差異沉降量為9.0 mm，小于25 mm的變形控制目標(biāo)，超大基坑對(duì)相鄰管溝的影響實(shí)際可控。本文所述的超大基坑施工近距離平行地下供能管溝的變形控制技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中取得了預(yù)期效果，對(duì)類似工程有一定的參考意義。在今后的類似工程實(shí)踐中，還應(yīng)在以下兩個(gè)方面予以關(guān)注：

（1）對(duì)于地下連續(xù)墻，槽壁施工時(shí)若處理不當(dāng)，將直接引起管溝沉降；接頭處理同樣非常關(guān)鍵，若在開(kāi)挖時(shí)出現(xiàn)滲漏，可能使管溝與地下連續(xù)墻之間的土體流失，造成管溝沉降。對(duì)于超深基坑，地下連續(xù)墻的施工質(zhì)量尤為重要。

（2）該工程基坑施工，豎向設(shè)置三道水平混凝土支撐，采用對(duì)撐、角撐和邊桁架形式布置，采用臨時(shí)鋼格構(gòu)柱及立柱樁作為豎向支承構(gòu)件，因形式較簡(jiǎn)單，未做詳述。但隨著超大超深基坑施工技術(shù)的發(fā)展，新型基坑支撐技術(shù)不斷創(chuàng)新與應(yīng)用，如裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐體系（IPS工法）、基坑支撐軸力自動(dòng)補(bǔ)償新技術(shù)等，對(duì)基坑開(kāi)挖變形控制的作用越來(lái)越大。因此應(yīng)在今后超大超深基坑施工中予以積極關(guān)注，通過(guò)技術(shù)的不斷提高和更精細(xì)化的基坑施工管理，使超大超深基坑施工的安全性得到進(jìn)一步提升，可對(duì)周邊環(huán)境的影響更為降低。