軟土地區(qū)超深基坑施工監(jiān)測(cè)與分析

張 軍

(上海黃浦江大橋建設(shè)有限公司， 200090， 上?！胃呒?jí)工程師)

硬X射線自由電子激光裝置是我國(guó)“十三五”規(guī)劃中的重點(diǎn)科技項(xiàng)目。該項(xiàng)目土建配套工程位于上海市，將建設(shè)5座埋深逾40 m的超深工作井、10條盾構(gòu)隧道及18個(gè)地面單體建筑。本文以該項(xiàng)目的1號(hào)、4號(hào)工作井(以下分別簡(jiǎn)稱(chēng)“1號(hào)井”“4號(hào)井”)的超深基坑為研究對(duì)象，通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，研究其支護(hù)結(jié)構(gòu)受力與變形規(guī)律。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

1號(hào)井和4號(hào)井均采用1.2 m厚的地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑設(shè)置了多道水平混凝土支撐，其圍護(hù)設(shè)計(jì)信息如表1所示，圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖分別如圖1、圖2所示。

表1 1號(hào)井和4號(hào)井基坑的圍護(hù)設(shè)計(jì)信息Tab.1 Information of foundation pit enclosure design of No.1 and No.4 shafts

注：除注明者及標(biāo)高以m計(jì)外，其余單位均為mm;t為厚度；L為長(zhǎng)度。圖1 1號(hào)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫剖面圖Fig.1 Cross-sectional view of the enclosure structure of No.1 shaft

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

1號(hào)井的場(chǎng)地區(qū)域基本為上海市正常沉積地層，各土層基本以水平狀分布為主。土層自上而下依次為：①-1 層人工填土；②層褐黃色—灰黃色粉質(zhì)黏土；③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土；④層灰色淤泥質(zhì)黏土；⑤-1層灰色黏土；⑥層暗綠色—草黃色黏土；⑦-1層草黃色砂質(zhì)粉土，⑦-2層草黃色—灰色粉細(xì)砂；⑧-21層灰色粉質(zhì)黏土與粉砂互層；⑨層青灰色粉細(xì)砂。此外，1號(hào)井北側(cè)部分區(qū)域⑥層缺失，該處的⑤-1層與⑦-1層之間為⑤-3層灰色粉質(zhì)黏土。基坑坑底位于⑦-1層的草黃色砂質(zhì)粉土中。圍護(hù)墻墻底位于⑨層青灰色粉細(xì)砂中。

4號(hào)井的場(chǎng)地區(qū)域分布有⑥層暗綠色—草黃色黏土，各土層基本以水平狀分布為主。沿線區(qū)域受Q32晚期古河道切割影響，該處第⑥層暗綠色—草黃色黏性土缺失，且在局部切割較深處第⑦層亦缺失，沉積了溺谷相的⑤-3層灰色粉質(zhì)黏土、⑤-3a層灰色砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土和⑤-4層灰綠色粉質(zhì)黏土。4號(hào)井的場(chǎng)地區(qū)域地層分布不穩(wěn)定，局部區(qū)域?qū)游黄鸱^大。

注：除注明者及標(biāo)高以m計(jì)外，其余單位均為mm。圖2 4號(hào)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫剖面圖Fig.2 Cross-sectional view of the enclosure structure of No.4 shaft

1號(hào)井和4號(hào)井的場(chǎng)地區(qū)域有第Ⅰ承壓含水層(位于⑦-1層、⑦-2層)、第Ⅱ承壓含水層(位于⑨層)和第Ⅲ承壓含水層(位于層)。

2 工作井基坑監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)DG/TJ 08—2001—2016《基坑工程施工監(jiān)測(cè)規(guī)程》，本項(xiàng)目安全等級(jí)為一級(jí)，周邊環(huán)境保護(hù)等級(jí)為一級(jí)。因其地質(zhì)條件復(fù)雜程度為復(fù)雜，故工程監(jiān)測(cè)等級(jí)為一級(jí)。兩個(gè)工作井的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如表2所示，其測(cè)點(diǎn)布置分別如圖3、圖4所示。

表2 1號(hào)井、4號(hào)井的監(jiān)測(cè)點(diǎn) Tab.2 Monitoring items of No.1 and 4 shafts

圖3 1號(hào)井各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面布置Fig.3 Plane layout of monitoring points in No.1 shaft

圖4 4號(hào)井各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面布置Fig.4 Plane layout of monitoring points in No.4 shaft

1號(hào)井的監(jiān)測(cè)工作與實(shí)際施工同步開(kāi)展，如表3所示，1號(hào)井的監(jiān)測(cè)自2018-06-23圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工開(kāi)始，至2020-11-17地下結(jié)構(gòu)施工完成后結(jié)束。

表3 1號(hào)井施工工況統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistics of construction conditions of No.1 shaft

4號(hào)井的監(jiān)測(cè)工作與實(shí)際施工同步開(kāi)展，如表4所示。4號(hào)井的監(jiān)測(cè)自2019-02-22圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工開(kāi)始，在各階段施工過(guò)程中進(jìn)行了全面的跟蹤監(jiān)測(cè)，至2021-08-30地下結(jié)構(gòu)施工完成后結(jié)束。

表4 4號(hào)井施工工況統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Statistics of construction conditions of No.4 shaft

3 工作井基坑實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移對(duì)比分析

基于1號(hào)井測(cè)點(diǎn)P05的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制了該測(cè)點(diǎn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移曲線，如圖5所示。其中：取測(cè)點(diǎn)向坑內(nèi)方向的位移為正值。

由圖5可知，各階段工況下地下連續(xù)墻變形曲線都為鼓肚狀，發(fā)生水平最大位移的地方基本在每層的開(kāi)挖深度附近，且隨著逐層向下開(kāi)挖，其水平最大位移處也隨著開(kāi)挖深度逐漸下移。截至基坑封底，該測(cè)點(diǎn)發(fā)生最大水平位移的位置在開(kāi)挖面以上；底板以下深度范圍內(nèi)(⑦-2層、⑧-21層)的水平位移明顯減?。坏叵逻B續(xù)墻的累計(jì)最大水平位移為80 mm。

圖5 1號(hào)井P05測(cè)點(diǎn)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移曲線Fig.5 Deep horizontal displacement curve of the enclosure structure at P05 measuring point in No.1 shaft

繪制4號(hào)井基坑封底后地下連續(xù)墻P02測(cè)點(diǎn)的水平位移曲線，如圖6所示。其中：取測(cè)點(diǎn)向坑內(nèi)方向的位移為正值。

由圖6可知，第二層至第五層土方在開(kāi)挖階段發(fā)生最大水平位移的地方均在開(kāi)挖面以下約5 m，第六至第十層土方的最大水平位移基本在每層土的開(kāi)挖深度附近。造成這種差異的原因?yàn)榍?層土方開(kāi)挖深度范圍內(nèi)疏干降水影響較大，其地下連續(xù)墻的水平位移為土方開(kāi)挖和降水疊加共同作用的結(jié)果。

圖6 4號(hào)井基坑封底后地下連續(xù)墻P02測(cè)點(diǎn)變形曲線圖Fig.6 Deformation curve of measuring point P02 of diaphragm wall after completion of No.4 well foundation pit

截至基坑封底，地下連續(xù)墻發(fā)生最大位移的部位在深度35 m左右(⑤-3層)；在開(kāi)挖面以上軟弱土層內(nèi)，最大變形值為155 mm；底板之下深度范圍內(nèi)(⑤-4層、⑦層、⑧層)變形明顯減小。由于⑤-4層為上海軟土區(qū)域次生硬土層，土質(zhì)較好，⑦層、⑧層均為砂層，大底板位置及以下土質(zhì)的明顯改善大大提高了被動(dòng)區(qū)土體抗力，使地下連續(xù)墻的變形明顯受到了抑制。

綜上，本文進(jìn)一步對(duì)比分析了1號(hào)井與4號(hào)井圍護(hù)變形差異，其差異的原因主要為：①兩個(gè)工作井的層差異較大,1號(hào)井的開(kāi)挖面直接揭露⑥、⑦層土，開(kāi)挖深度到25 m以下時(shí)坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)已為硬土層，土體強(qiáng)度高，對(duì)圍護(hù)變形控制有利,而4號(hào)井的開(kāi)挖面以上均為軟弱土層，開(kāi)挖階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形持續(xù)較大，直至底板位置在⑤-4層土?xí)r其變形方有所減緩;②兩個(gè)工作井的基坑形狀不同，混凝土支撐的強(qiáng)度形成及發(fā)揮應(yīng)力補(bǔ)償作用不同,1號(hào)井為矩形基坑對(duì)撐布置，依次開(kāi)挖時(shí)開(kāi)挖面上方對(duì)撐已達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，能夠及時(shí)進(jìn)行應(yīng)力補(bǔ)償，從而較快地控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形,4號(hào)井為正方形基坑，采用邊桁架加十字對(duì)撐支撐，開(kāi)挖時(shí)需待上道支撐整體強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方能產(chǎn)生較好的補(bǔ)償效果，而在實(shí)際施工過(guò)程中存在本道支撐最后一段養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足便開(kāi)始下層土方開(kāi)挖施工的現(xiàn)象。

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)1號(hào)井與4號(hào)井變形規(guī)律的綜合分析研究發(fā)現(xiàn)，兩者圍護(hù)結(jié)構(gòu)的頂部豎向位移、支撐軸力和立柱豎向位移的實(shí)測(cè)變化規(guī)律類(lèi)似，故本文僅以4號(hào)井為研究對(duì)象，進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析。

3.2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部豎向位移分析

繪制4號(hào)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部7個(gè)測(cè)點(diǎn)的豎向位移時(shí)程曲線，如圖7所示。由圖7可看出，混凝土支撐通過(guò)圍檁和地下連續(xù)墻形成剛性連接，支護(hù)體系整體性較好，由于支撐約束和壓重傳遞到地下連續(xù)墻上，有效控制了地下連續(xù)墻上抬，因此在每次挖土過(guò)程中地下連續(xù)墻墻頂只有少量的抬升。在第七層至第九層土方開(kāi)挖階段，逐步開(kāi)啟⑦層、⑨層降壓井進(jìn)行減壓降水，是地下連續(xù)墻豎向位移趨穩(wěn)的主要原因。

圖7 4號(hào)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部各測(cè)點(diǎn)豎向位移時(shí)程曲線圖Fig.7 Time-history curve of vertical displacement of each measuring point at the top of the enclosure structure of No.4 shaft

3.2.2 混凝土支撐軸力分析

4號(hào)井第四道至第九道混凝土支撐的軸力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。

表5 4號(hào)井第四道至第九道混凝土支撐的軸力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.5 Statistics of axial force data of No.4 to No.9 concrete supports in No.4 shaft

分別繪制4號(hào)井各道支撐軸力時(shí)程曲線，如圖8所示。

由圖8 a)可知：在第二層土方開(kāi)挖階段，第一道支撐軸力增大至5 000 kN左右；第三層土方開(kāi)挖階段，第二道支撐軸力迅速增大，最大值達(dá)13 000 kN。由此可見(jiàn)，下層土方開(kāi)挖時(shí)，上一道支撐為坑內(nèi)土壓力損失提供了應(yīng)力補(bǔ)償。

a) 施作第一道、第二道支撐

由圖8 b)—圖8 d)可知：在第四層土方開(kāi)挖時(shí)，第三道和第四道支撐同時(shí)受力增大；依次進(jìn)行第五層至第九層土方開(kāi)挖時(shí)，均為開(kāi)挖面以上兩道支撐軸力同時(shí)增加，即這兩道支撐同時(shí)提供反力，補(bǔ)償應(yīng)力損失。其原因是4號(hào)井采用十字對(duì)撐形式，每道支撐的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，需要分多次澆筑。在上一道支撐最后澆筑段的養(yǎng)護(hù)時(shí)間未完全滿(mǎn)足強(qiáng)度要求時(shí)即開(kāi)始下一層土方的開(kāi)挖，此時(shí)該道的支撐強(qiáng)度不足以提供足夠的反力，實(shí)際是由開(kāi)挖面以上兩道支撐共同提供了反力。

3.2.3 4號(hào)井立柱豎向位移

臨時(shí)立柱的豎向位移變化量反映了開(kāi)挖過(guò)程中基底的隆起量，是判斷基底是否發(fā)生隆起破壞的重要指標(biāo)。分別繪制4號(hào)井立柱各測(cè)點(diǎn)的豎向位移時(shí)程曲線，如圖9所示。

由圖9可看出，立柱的豎向位移變化趨勢(shì)與地下連續(xù)墻的變化趨勢(shì)類(lèi)似，這些豎向位移均是由于開(kāi)挖卸載導(dǎo)致坑底隆起所致。在土方開(kāi)挖階段，因受混凝土支撐約束和壓重對(duì)立柱的隆起有所抑制，立柱的隆起變形呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，無(wú)明顯突變。在第十層土方開(kāi)挖階段，開(kāi)挖深度達(dá)到40 m，由于立柱樁長(zhǎng)約為50 m，疊加⑦層、⑨層承壓水影響，立柱隆起變形明顯。在開(kāi)啟⑨層降壓井后，其上抬速率逐步減緩，最后趨于穩(wěn)定。最終立柱的最大隆起量與基坑深度之比為1.6‰。

圖9 4號(hào)井立柱各測(cè)點(diǎn)的豎向位移時(shí)程曲線Fig.9 Time-history curve of vertical displacement of each measuring point of No.4 shaft column

4 結(jié)語(yǔ)

硬X射線自由電子激光裝置項(xiàng)目土建配套工程中的1號(hào)井、4號(hào)井屬于上海軟土區(qū)域的超深基坑，具有超深圍護(hù)結(jié)構(gòu)、開(kāi)挖土層條件復(fù)雜和⑦層、⑨層承壓水降水等特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)本項(xiàng)目的成功監(jiān)測(cè)，為工程施工的安全保駕護(hù)航，同時(shí)初步總結(jié)提出了在超深基坑設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測(cè)等方面的控制措施和建議，可為類(lèi)似工程提供一定的參考：

1) 矩形基坑采用對(duì)撐時(shí)，在整體支撐養(yǎng)護(hù)時(shí)間有限的情況下發(fā)揮的作用要明顯優(yōu)于采用十字對(duì)撐加邊桁架的支撐。建議大面積基坑的支撐養(yǎng)護(hù)時(shí)間要滿(mǎn)足最后澆筑區(qū)域支撐強(qiáng)度的要求，方能保證體系的整體受力效果，同時(shí)應(yīng)做好支撐系統(tǒng)的軸力監(jiān)測(cè)，對(duì)綜合分析基坑本體的安全狀態(tài)具有較高的指導(dǎo)意義。

2) 軟土地區(qū)接近正方形的超深基坑大面積卸土?xí)r，圍護(hù)變形控制難度較大，主要為混凝土支撐施工速度較慢，不能在開(kāi)挖后應(yīng)力釋放初期提供有效的反力，變形控制需要預(yù)先在設(shè)計(jì)階段加以考慮。

3) 臨時(shí)立柱的隆起量能夠明顯的反映坑內(nèi)土體回彈、坑內(nèi)承壓水作用的情況，有基坑突涌風(fēng)險(xiǎn)的超深基坑應(yīng)做好立柱隆起變化監(jiān)測(cè)。