軟土超深大基坑工程施工監(jiān)測分析*

宗露丹，徐中華，王衛(wèi)東

(1.華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司上海地下空間與工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200002；2.上?；庸こ汰h(huán)境安全控制工程技術(shù)研究中心，上海 200002)

0 引言

基坑工程通常采用順作法或逆作法這兩種基本模式，但對于某些條件復(fù)雜的基坑工程，往往需要采用順作法與逆作法相結(jié)合的方案，才能同時(shí)滿足經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、工期及環(huán)境保護(hù)等多方面的要求[1]。對于復(fù)雜的深大基坑工程，現(xiàn)場監(jiān)測是保證工程安全的重要手段，實(shí)測數(shù)據(jù)也是分析基坑工程變形規(guī)律的基本依據(jù)。一些學(xué)者針對軟土地區(qū)基坑工程實(shí)施對坑外環(huán)境變形特性進(jìn)行了研究[2-3]，但對于順逆作分區(qū)的超深大基坑實(shí)施的變形及對環(huán)境影響的研究尚且少見文獻(xiàn)報(bào)道。

上海國際金融中心為上海市重大工程，其基坑面積接近5萬m2，挖深26.5～27.9m，為近年來上海地區(qū)規(guī)模和難度最大的深基坑工程之一。該基坑工程設(shè)計(jì)創(chuàng)新性地采用了順逆作交叉實(shí)施的總體方案，為了保障工程安全，對基坑工程的實(shí)施進(jìn)行了全過程監(jiān)測，取得了非常豐富的實(shí)測數(shù)據(jù)。筆者在文獻(xiàn)[4]中詳細(xì)地分析了該基坑工程實(shí)施過程中地下連續(xù)墻的側(cè)移及坑外地表沉降的變化規(guī)律。本文進(jìn)一步分析該基坑工程實(shí)施過程中坑外土體變形、立柱變形、支撐軸力發(fā)展、水土壓力變化等情況，以較全面地揭示順逆作交叉實(shí)施超深大基坑工程的變形和受力規(guī)律，為該類型支護(hù)基坑的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程簡介

1.1 工程概況

上海國際金融中心項(xiàng)目位于上海市浦東新區(qū)竹園商貿(mào)地塊，地面以上為3幢獨(dú)立的超高層建筑，分別為上交所、中金所和中結(jié)算塔樓，整體設(shè)置5層地下室，該項(xiàng)目為上海市重大工程?；涌偯娣e為48 860m2，周長約為950m，基坑普遍區(qū)域挖深為26.5m，上交所、中金所塔樓區(qū)挖深為27.9m，中結(jié)算塔樓區(qū)挖深為27.1m。

本工程用地范圍處于規(guī)劃竹林路以東，張家浜河以北，楊高南路以西，北與竹園商貿(mào)區(qū)2-16地塊緊鄰?；优c東南側(cè)楊高南路下立交以及楊高南路下方的市政管線最近距離分別為34.2m和27.8m，北側(cè)與同步施工且普遍挖深為11.45m的地下3層基坑最小距離約8.3m，南側(cè)距上海竹園工程有限公司最小距離約10.5m，其余周邊建(構(gòu))筑物均與本基坑工程有較大的距離。基坑平面及監(jiān)測點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 基坑平面及監(jiān)測點(diǎn)布置

1.2 工程地質(zhì)條件

本工程場地位于長江三角洲沖積平原上，地貌類型屬于濱海平原。土層分布均較穩(wěn)定，從地表至約29m深主要以淤泥質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土為主，為典型上海軟土；其下為砂質(zhì)粉土和粉砂，其中第⑦1層呈稍密～密實(shí)狀態(tài)，標(biāo)貫擊數(shù)>20；⑦2層和⑨層處于密實(shí)狀態(tài)，標(biāo)貫擊數(shù)>50。場地缺失上海地區(qū)第⑧層黏土層。

場地地下水有潛水和承壓水兩種類型。場地淺部地下水屬潛水類型，主要賦存于填土、黏性土和粉性土中，水位埋深約1.2～1.9m。深部第⑦層、第⑨層為承壓含水層，且兩者相互連通，水量補(bǔ)給豐富且滲透系數(shù)較大，承壓水水位埋深約為7.1～8.3m。各層土參數(shù)見文獻(xiàn)[4]。

1.3 基坑支護(hù)方案

基坑采用“前階段整體開挖，后階段塔樓先順作、純地下室后逆作”的順逆交叉實(shí)施方案，即基坑首先整體開挖至地下1層，繼而塔樓區(qū)域采用順作法施工完成后，純地下室區(qū)域方采用逆作法施工。

基坑周邊圍護(hù)體采用1.2m厚兩墻合一地下連續(xù)墻，插入至地表以下46m，為控制坑內(nèi)抽降承壓水對坑外環(huán)境的影響，在墻后設(shè)置深度為55m的TRD等厚度水泥土攪拌墻作為止水帷幕。塔樓周邊臨時(shí)隔斷地下連續(xù)墻頂標(biāo)高落低至地下1層結(jié)構(gòu)底，墻厚1m，插入至地表以下44.9m。

塔樓順作區(qū)域坑內(nèi)設(shè)置5道臨時(shí)鋼筋混凝土支撐，純地下室逆作區(qū)采用地下5層結(jié)構(gòu)梁板代替水平支撐，支撐混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C40，首道支撐體系平面布置如圖2所示。

圖2 支撐體系平面

2 基坑施工工況與現(xiàn)場監(jiān)測

2.1 施工工況

本工程根據(jù)分層開挖的步驟，可劃分為16個(gè)工況，如表1所示。基坑支護(hù)實(shí)景如圖3所示。

圖3 基坑支護(hù)實(shí)景

表1 施工工況

2.2 現(xiàn)場監(jiān)測

為了及時(shí)收集和反饋圍護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊土體及環(huán)境在施工中的變形信息，基坑施工過程中對各分區(qū)設(shè)置了如下監(jiān)測內(nèi)容及相應(yīng)測點(diǎn)編號(hào)：坑外土體側(cè)向位移監(jiān)測，T1～T12；地下連續(xù)墻墻體側(cè)向位移監(jiān)測，P1～P3；立柱豎向位移監(jiān)測，LZ1～LZ63，GLZ1～GLZ144；支撐軸力監(jiān)測，LYLi-1～LYLi-64(i=1，2，3，4，5，分別代表第1～5道支撐)；坑外潛水水位監(jiān)測，SW1～SW26；坑外承壓水水位監(jiān)測，CYSW1～ CYSW15；坑外水土壓力監(jiān)測，TY1。

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 墻后土體側(cè)向位移

圖4分別給出了上交所、中金所塔樓順作區(qū)及裙樓逆作區(qū)地下連續(xù)墻后土體的側(cè)向位移部分典型監(jiān)測點(diǎn)在各施工階段的變形情況。

圖4 地下連續(xù)墻及坑外土體側(cè)斜管在各工況下的側(cè)向變形

從圖中可以看出，各測點(diǎn)的變形量均隨著開挖深度增加而逐步增大，且最大變形發(fā)生的位置逐漸下移，變形整體形態(tài)為“紡錘形”。其中順作區(qū)測點(diǎn)(T1，T5)的變形增量主要發(fā)生在工況1～6的土體開挖階段，而在工況7～12的澆筑底板、施工地下結(jié)構(gòu)期間，測得的墻體側(cè)移增量仍較大，以T1測點(diǎn)為例，其增量值為42.4mm。順作區(qū)在工況7的坑外土體最大變形量為147.7mm(約為0.53%He，其中He為基坑開挖深度)，位于T5測點(diǎn)，可能與該側(cè)坑邊超載及運(yùn)輸通道相關(guān)。最大變形量位于上海地區(qū)采用地下連續(xù)墻的順作基坑工程的平均值變化范圍：0.10%He～1.0%He[5-6]。本工程土體側(cè)移變形量較大，但由于基坑開挖深度大，無量綱側(cè)移也僅約為0.53%He(其中He為基坑開挖深度)，仍與上海地區(qū)統(tǒng)計(jì)的地下連續(xù)墻平均側(cè)移量0.42%He接近。

逆作區(qū)測點(diǎn)(T9)在工況1下由于周邊留土作用，測點(diǎn)變形增量很小。工況2下，逆作區(qū)整平開挖至-9.650m，墻體周邊土體開挖深度劇增，從而導(dǎo)致工況2側(cè)移增量最大。從工況3～12期間為順作區(qū)施工而逆作區(qū)處于暫停狀態(tài)。受順作區(qū)開挖卸荷及時(shí)間效應(yīng)的影響，在此期間內(nèi)坑外土體側(cè)移增量有所增大，側(cè)移增量為37.6mm，占總側(cè)移量的22%，可見順作區(qū)開挖對逆作區(qū)的變形影響不容小覷。后續(xù)各施工工況(即工況13～16)隨著開挖的加深，變形也逐步增大，相對而言，變形增長幅度均較平穩(wěn)。逆作區(qū)在工況16的最大墻體變形為170.3mm。

將T9測點(diǎn)的土體側(cè)向位移量扣除工況3～12期間逆作區(qū)停工狀態(tài)的增量值，對應(yīng)因開挖引起的逆作區(qū)土體側(cè)向位移增量值為132.0mm，無量綱側(cè)移值約為0.50%He，同樣與上海地區(qū)統(tǒng)計(jì)的地下連續(xù)墻基坑平均側(cè)移量0.42%He接近。

此外，圖4中提供了T1，T5，T9對應(yīng)的鄰近地下連續(xù)墻側(cè)向位移監(jiān)測點(diǎn)P1，P2，P3的監(jiān)測結(jié)果(基坑各測點(diǎn)墻體側(cè)向位移規(guī)律參考文獻(xiàn)[4])，可以看出各測點(diǎn)地下連續(xù)墻的整體形態(tài)及最大變形位置均與墻后土體側(cè)向位移性狀相似，變形量均隨著開挖深度增加而逐步增大。對應(yīng)各測點(diǎn)開挖至基底工況下的地下連續(xù)墻最大側(cè)移值(分別為125.7，147.7，170.3mm)與墻后土體最大側(cè)移值(分別為122.2，137.5，175.1mm)基本一致，表明兩者變形相協(xié)調(diào)。

為比較垂直于地下連續(xù)墻的墻后土體剖面上，距地下連續(xù)墻不同位置處的土體側(cè)移變化情況，分別繪制了順作區(qū)的上交所、中金所及逆作區(qū)域墻后位于同一斷面上的土體側(cè)斜測點(diǎn)分別在工況7和工況16時(shí)的側(cè)移分布曲線，如圖5所示。

圖5 墻后與基坑不同距離的土體測斜點(diǎn)側(cè)向位移變化曲線

從圖中可以明顯看出，地下連續(xù)墻的側(cè)向位移與靠近地下連續(xù)墻的墻后土體側(cè)向位移值接近，且隨與基坑的距離增加墻后土體側(cè)移量逐步減小。

距離基坑地下連續(xù)墻最遠(yuǎn)處約16m(約0.6He)的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，塔樓順作區(qū)在工況7下的水平位移均值為55mm，約為靠近墻體測點(diǎn)水平位移量的42%，純地下室逆作區(qū)的最大水平位移還有約102mm，約為靠近墻體測點(diǎn)水平位移量的60%，表明坑外土體影響范圍遠(yuǎn)大于16m，且塔樓順作區(qū)的影響范圍要小于純地下室逆作區(qū)，正如前所述，這是由于逆作區(qū)受順作區(qū)施工影響及時(shí)間效應(yīng)，其變形大于塔樓順作區(qū)。

3.2 墻后土體應(yīng)變分布

根據(jù)墻后土體分層沉降和側(cè)向位移的量測，從而獲得墻后土體某點(diǎn)的位移矢量[7-8]。利用文獻(xiàn)[8]的方法計(jì)算得到順作區(qū)中金所在工況6下墻后土體的水平應(yīng)變、豎向應(yīng)變及剪應(yīng)變?nèi)鐖D6所示。

圖6 坑外土體各工況下應(yīng)變分布曲線

中金所區(qū)域在工況6下的水平、豎向、剪應(yīng)變最大值分別為-1.16%，1.48%，1.31%。由于墻后土體的水平變形量隨與墻體距離增加而逐步減小，即土體位移均表現(xiàn)為拉伸，故土體水平應(yīng)變值均為負(fù)值，且水平應(yīng)變較大的區(qū)域主要集中于距墻體16m范圍內(nèi)，這與墻后土體側(cè)移規(guī)律一致。

豎向應(yīng)變最大值位置在水平方向與各工況地表沉降最大值附近，在豎向則與相應(yīng)基坑開挖面深度吻合。工況6下的土體豎向應(yīng)變影響區(qū)域擴(kuò)展到50m范圍附近，這與DG/TJ08—61—2018《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[9]提出的土體沉降主要影響范圍在2倍開挖深度范圍相吻合。

剪應(yīng)變最大值集中區(qū)域位于靠近墻體的基坑開挖面附近，且除靠近開挖面附近局部區(qū)域剪應(yīng)變值略大于1%外，其他均處于小應(yīng)變范圍[10-13]內(nèi)。也說明本工程基坑圍護(hù)的有效性。圖6所示的土體應(yīng)變都與文獻(xiàn)[8]的規(guī)律基本一致。

3.3 立柱豎向位移

順作上交所區(qū)域及逆作區(qū)域的立柱豎向位移隨時(shí)間的變化曲線如圖7所示。如圖7可知，由于基坑開挖引起基坑土體回彈，從而帶動(dòng)所有的立柱發(fā)生隆起。上交所區(qū)域、逆作區(qū)域最大隆起量分別為61.6，82.0mm，相鄰立柱間的最大差異隆起量分別為21.3，23.4mm。

圖7 立柱豎向位移歷時(shí)分布曲線

各區(qū)域立柱在工況2下的隆起量值均較??；并隨著各區(qū)域后續(xù)工況基坑逐步開挖，各個(gè)測點(diǎn)立柱的隆起量逐步增加，且順作區(qū)增長速率相對偏大，此外，在開挖淤泥質(zhì)土層工況(順作區(qū)的工況3及逆作區(qū)的工況13)的增長速率均為最大；最終隨著底板的澆筑，隆起量基本趨于穩(wěn)定。

其中逆作區(qū)域在工況2～工況12工況期間，受順作區(qū)施工影響和由于時(shí)間效應(yīng)引起的土體蠕變，導(dǎo)致各立柱均有一定的隆起，此期間增量均值為18.2mm，平均隆起增量占總量的23%，可見順作區(qū)基坑開挖時(shí)對位于其坑外的逆作區(qū)土體回彈影響不容忽視。

3.4 支撐軸力監(jiān)測

順作上交所區(qū)域各道支撐軸力隨時(shí)間的變化情況如圖8所示。第1～5道支撐的最大軸力值分別為：19 321，33 268，36 434，37 779，12 660kN，第3，4道支撐的軸力最大，第2道支撐次之，第1,5道支撐最小，這與圍護(hù)體側(cè)向變形的最大值分布形態(tài)基本匹配。且根據(jù)各道支撐軸力歷時(shí)分布形態(tài)可知，各道支撐軸力在支撐實(shí)施后其下鄰近約兩皮土方的開挖工況、鄰近下方2道支撐拆撐施工的工況下，支撐軸力增長速率最快。

圖8 上交所支撐軸力隨時(shí)間變化情況

3.5 墻后地下水位變化

坑外承壓水位變化對坑外土體應(yīng)力、變形變化等有一定作用，本工程采用新型TRD工法構(gòu)建的等厚度水泥土攪拌墻作為止水帷幕，以滿足坑內(nèi)潛水、承壓水位降低對坑外水位影響。施工期間基坑的坑外潛水水位、坑外承壓水水位測點(diǎn)的水位隨時(shí)間變化情況如圖9，10所示。

圖9 坑外潛水水位變化曲線

從圖9中可以看出，上交所、中結(jié)算、中金所的坑外潛水水位變化值分別為0.55，2.41，0.58m，均在上海潛水水位變化幅度范圍內(nèi)。且在整個(gè)施工期間坑外潛水水位一直很穩(wěn)定，表明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量較好，起到了很好止水作用。

由圖10可以看出，基坑實(shí)施期間抽降承壓水，懸掛帷幕未能完全隔斷承壓含水層，因此坑外承壓水水位亦相應(yīng)有所降低?；娱_挖至基底時(shí)，坑內(nèi)水位降深約25m，相應(yīng)坑外水位最大降深約10m，坑內(nèi)外承壓水水位降深比達(dá)到2.5∶1。

圖10 坑外承壓水水位變化曲線

3.6 墻后水土壓力分布

圍護(hù)墻坑內(nèi)外兩側(cè)的水土壓力分布是墻體受力、變形及穩(wěn)定的重要影響因素，位于逆作區(qū)的地下連續(xù)墻側(cè)壓力監(jiān)測孔對應(yīng)各施工工況下坑內(nèi)外側(cè)壓力變化情況如圖11所示，并將坑外開挖前的理論靜止土壓力、朗肯主動(dòng)土壓力以及坑內(nèi)朗肯被動(dòng)土壓力分布繪于圖中，計(jì)算采用的水位線高程為潛水水位。由圖可知，坑內(nèi)外的墻后側(cè)壓力(水、土壓力合力)分布形態(tài)均類似三角形分布，且坑外墻后側(cè)壓力均隨著施工工況而逐步減小。

圖11 基坑開挖過程中兩側(cè)水土壓力合力的變化情況

坑外墻后側(cè)壓力較理論朗肯主動(dòng)土壓力值要小?？觾?nèi)墻前側(cè)壓力分布表現(xiàn)為：工況2下在25m深度以上實(shí)測土壓力與朗肯被動(dòng)土壓力理論值大致相當(dāng)，而在25m深度以下，實(shí)測值較小朗肯被動(dòng)土壓力理論值要小。可能是由于朗肯主動(dòng)土壓力理論值計(jì)算方法以假設(shè)圍護(hù)墻與土體接觸面光滑為前提，從而高估了實(shí)際表面粗糙的圍護(hù)墻后土側(cè)壓力。

4 結(jié)語

本文以上海國際金融中心深大基坑為工程背景，主要分析了上海軟土層中順逆作分區(qū)交叉施工基坑周邊環(huán)境的變形特性及立柱的變形和支撐軸力變化情況，得到如下結(jié)論。

1)順作區(qū)和逆作區(qū)坑外土體側(cè)向變形規(guī)律相似，變形形態(tài)均為“紡錘形”，僅因開挖引起的最大側(cè)移量約為(0.50%～0.53%)He，與上海地區(qū)的統(tǒng)計(jì)值接近，且土體側(cè)移量隨距坑邊距離增大而逐步減少。受順作區(qū)開挖卸荷及時(shí)間效應(yīng)的綜合影響，逆作區(qū)墻后土體側(cè)向變形增量以及坑外土體影響范圍均不容小覷。

2)根據(jù)墻后土體分層沉降和側(cè)向位移的量測獲得的土體應(yīng)變分布形態(tài)，坑外土體應(yīng)變值基本集中在坑外0.5He的水平距離、開挖面深度范圍內(nèi)，且剪應(yīng)變基本處于小應(yīng)變范圍內(nèi)。

3)基坑土體卸荷回彈帶動(dòng)立柱發(fā)生隆起位移，隆起量隨開挖工況逐步發(fā)展。且受順作區(qū)開挖卸荷及時(shí)間效應(yīng)的影響，逆作區(qū)立柱隆起增量占總量的23%。

4)各道支撐軸力在支撐實(shí)施后其下鄰近約兩皮土方的開挖工況、鄰近下方2道支撐拆撐施工的工況下，支撐軸力增長速率最快。

5)基坑施工期間，坑外潛水變化幅度很小，坑內(nèi)外水位降深比達(dá)到2.5∶1，表明新型TRD工法懸掛止水帷幕遮攔作用明顯。

6)圍護(hù)墻兩側(cè)的側(cè)壓力分布形態(tài)類似三角形分布，且側(cè)壓力均隨著施工工況而逐步減小，且坑內(nèi)、外墻前后水土壓力較朗肯理論值均偏小。