基坑施工變形與工況分析

葉 平

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

近年來，隨著城市化建設的加速進行和建筑技術的突飛猛進，超大型建筑項目大量出現，導致基坑規(guī)模越來越大、越來越深，這是城市建筑大型化及充分利用地下空間所帶來的必然結果。作為像上海這樣的一線城市，地下管線錯綜復雜，基坑施工過程中如何做好基坑變形監(jiān)測以及周邊管線的保護顯得尤為重要[1-2]。本文對上海世博會地區(qū)A片區(qū)“綠谷一期”地下空間工程項目基坑施工過程中不同階段的基坑變形及管線沉降進行分析，尤其當管線沉降較大時，采取了有效的補救應對措施，確?；庸こ贪踩?/p>

1 工程概況

1.1 基坑工程概況

本工程位于上海市浦東新區(qū)世博園區(qū)A片區(qū)，博成路以南、白蓮涇路以西、國展路以北、高科西路以東，基坑用地面積38 000 m2。基坑整體呈長方形，形狀規(guī)則，基坑各區(qū)域開挖深度在11.40～18.60 m之間?；訓|、西、北三側環(huán)境保護等級為一級，南側為三級。

本工程采用樁筏基礎，整體設置2～3層地下室，地上4幢高層建筑采用框架-核心筒結構體系，裙房采用框架結構。地下2層區(qū)域底板面設計相對標高為－10.60 m，基礎底板厚度為800 mm，地下3層區(qū)域底板面設計標高為－14.10 m，局部為－17.60 m，基礎底板厚度為1 000 mm。

基坑采用地下連續(xù)墻作為圍護結構，分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3個區(qū)進行施工，其中Ⅱ區(qū)又分4個小基坑，各基坑采用明挖順作法先后施工（圖1）。

圖1 基坑分區(qū)示意

基坑圍護均采用地下連續(xù)墻，其中東、北、西三側墻厚1 000 mm，南側和中隔墻厚800 mm，墻深24.2～44.2 m。Ⅰ區(qū)與Ⅲ區(qū)基坑普遍采用豎向設置3道鋼筋混凝土水平支撐，局部落深區(qū)加設1道鋼筋混凝土支撐。Ⅱ區(qū)首道支撐采用鋼筋混凝土支撐，下部其余各道均采用鋼支撐。

1.2 周邊環(huán)境

基地東側為白蓮涇路，道路寬約24 m，道路邊與地下室最小距離為3 m；基地北側為博成路，道路寬約24 m，道路邊與地下室最小距離為3 m；基地西側為高科西路，道路寬約32 m，道路邊與地下室最小距離為8.5 m；高科西路下為西藏南路越江雙線盾構隧道。單孔隧道直徑達11.34 m，隧道中心埋深14.6～21.5 m，隧道邊線與本工程地下室外墻最近距離為9.7 m。

基地西南角為盾構區(qū)間隧道工作井，埋深27 m，采用厚1 000 mm地下連續(xù)墻圍護，內部設置厚800 mm內襯，與地下室外墻最近距離為10.4 m。

基地南側為規(guī)劃道路，基坑開挖施工期間為空地，無地下管線、建筑物等需要保護的對象。

本次基坑施工過程中，周邊環(huán)境保護的重點是白蓮涇路和博成路下方的共同溝、博成路下方的大直徑雨水管及鄰近基坑的燃氣管道、西藏南路隧道及工作井。

1.3 地質條件

場地內主要為正常沉積區(qū)，在24 m埋設以下分布有⑥層暗綠色硬土，下部分布有穩(wěn)定的⑦層砂質粉土、砂土。南部角點處局部為古河道沉積區(qū)，缺失⑥層硬土，分布有⑤2層砂質粉土，與下部⑦層直接接觸。場地分布的土層自上而下可初步劃分為十大層及若干亞層，其中，①層為填土，②層—⑤層為全新統(tǒng)Q4沉積層，⑥層—⑨層為上更新統(tǒng)Q3沉積層，⑩層為中更新統(tǒng)Q2沉積層。

2 工程難點及應對措施

2.1 水文條件復雜

場地表層土為雜填土，地面下普遍分布有厚層軟黏性土，其具有含水量高、孔隙比大、強度低、壓縮性高、靈敏度高等不良工程地質特性，受擾動易發(fā)生結構破壞，導致強度降低，進而誘發(fā)地表變形；區(qū)域范圍內地下水為淺部土層潛水水位，埋深1.4～1.5 m，相應標高2.74～2.91 m，地下水位高，且較豐富、補給迅速。暗浜填筑成分較為復雜，上部多為松散雜填土，底部多為淤泥或淤泥質土，往往含有大量有機質，工程性質差，對基坑圍護結構的質量、基坑周邊側壁的穩(wěn)定性影響較大。

2.2 地下障礙物及暗浜處理

場地內主要有世博臨時雨污水管網、消防水、電纜等（已廢棄），地下障礙物主要為世博場館及高架步道等建（構）筑物的基礎。此外，暗浜填筑成分較為復雜，上部多為松散雜填土，底部多為淤泥或淤泥質土，含有大量有機質，工程性質差，對基坑圍護結構的質量、基坑周邊側壁的穩(wěn)定性影響較大，施工前須進行處理。

2.3 基坑保護要求高

基坑安全等級為一級，周邊道路及管線均很重要，管線較多，均需要保護，尤其是電力、通信、供水、排水、燃氣等管道，一旦道路及管線出現險情，其社會影響及后果是無法估量的。另外，基坑加固時應盡量減少對鄰近道路的影響，把地面沉降和地下管線沉降控制在允許值范圍以內。

3 基坑變形及管線沉降量分析

3.1 工程進度時間節(jié)點

為了綜合分析基坑變形及管線沉降與施工工況之間的關系，將綠谷項目基坑施工節(jié)點匯總至表1。

表1 基坑施工時間節(jié)點匯總

3.2 監(jiān)測數據分析

3.2.1 墻體變形變化

本基坑工程屬于大面積深基坑，同時由于基坑是分區(qū)開挖，故選擇不同分區(qū)、不同工況具有代表性的特征點位數據繪制位移曲線圖，分析施工過程中的墻體變形。

Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)變形數據如圖2、圖3所示。CX51測斜點為Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)中隔墻中部的測斜點，CX48測斜點為Ⅰ區(qū)博成路側中部的測斜點。CX32測斜點為Ⅲ區(qū)博成路側中部的測斜點，CX38為Ⅲ區(qū)白蓮涇路側中部的測斜點。

圖2 Ⅰ區(qū)地下連續(xù)墻測斜曲線

從以上墻體測斜曲線圖中可以得出如下結論：

1）在每層土開挖完成后，墻體位移曲線與該層土開挖前的位移曲線有較大的位移量，位移最大點出現在該層土開挖面以上或以下3 m左右的位置。

2）隨著開挖深度的加深，位移曲線弧度逐漸增大，位移最大點也逐漸下移。

3）位移較大的測點主要在中隔墻及基坑側邊的中部。

基坑開挖過程中隨著深度的不斷加深，墻后主動土壓力在縱深方向也不斷加大，導致墻體變形加大，基坑危險系數加大。另外，監(jiān)測數據也反映出墻體變形的大小與基坑開挖深度、開挖速度、單層土開挖厚度、地下連續(xù)墻厚度及地下連續(xù)墻處于無支撐懸臂狀態(tài)的時間長短有關。因此，在基坑開挖過程中，分段、分層開挖，開挖后及時形成支撐，對控制圍護體變形起著至關重要的作用。

3.2.2 地下管線垂直及水平位移

選取距施工區(qū)最近的2排管線監(jiān)測點的監(jiān)測數據繪制位移歷時曲線，分析施工與位移之間的關系。

1）高科西路管線垂直及水平位移如圖4、圖5所示。在本工程施工過程中，大部分管線監(jiān)測點呈下沉和向施工區(qū)位移的趨勢，部分位于西藏南路隧道南工作井上的電力管線監(jiān)測點有隆起的現象，這主要是由于高科西路下方西藏南路隧道工作井上浮所致。其次，垂直位移曲線顯示，2014年6月—2014年12月，監(jiān)測點位數據呈下降趨勢，但是趨勢較緩，主要是由于Ⅰ區(qū)開挖所造成，但是由于Ⅰ區(qū)與高科西路地下管線還相隔了并未動工的Ⅱ區(qū)基坑，故變形速率小，變化趨勢緩和。2014年2月—2014年12月，在Ⅱ區(qū)基坑施工過程中，管線變形情況呈階梯性發(fā)展，位移較明顯的時段主要集中在各層土方開挖以及拆撐過程之中。

圖4 高科西路管線垂直位移曲線

圖5 高科西路管線水平位移曲線

2）博成路管線垂直及水平位移如圖6、圖7所示。從位移曲線圖可以看出，博成路上處于中段的點下沉量較大，向道路兩端逐漸減小，這說明了博成路的變形情況是以中間位置明顯，向兩端逐漸減緩的態(tài)勢。其原因是中間點位正位于Ⅰ區(qū)與Ⅲ區(qū)的交界位置，在2個分區(qū)基坑施工過程中均對其產生了影響，位移疊加后最終的變化量明顯要大于兩端的測點。而水平位移曲線圖也同樣顯示，在相同的位置，其受到基坑開挖影響，也出現了朝向基坑的明顯水平位移，與垂直沉降相符。特別是2014年6月，3區(qū)第5層土方能源中心施工階段，變形情況到達峰值。

圖6 博成路管線垂直位移曲線

圖7 博成路管線水平位移曲線

3）白蓮涇路管線垂直位移如圖8所示。對于白蓮涇路地下管線而言，對照曲線圖，可以發(fā)現變形情況并不明顯，呈波動狀，趨勢穩(wěn)定。其變形情況主要出現在垂直位移上，而對于水平位移，幾乎沒有明顯變形發(fā)生。主要是由于該側管線均在道路遠離基坑的一側，且隔著共同溝，受基坑施工影響不明顯。

圖8 白蓮涇路管線垂直位移曲線

綜上所述，地下管線垂直與水平位移主要發(fā)生在高科西路以及博成路段，其變線情況符合現場工況。特別是在博成路上，由于受到2個分坑的共同疊加影響，其變形值超過其他點位。而高科西路管線的變形情況，由于基坑Ⅱ區(qū)進行了坑底的三軸滿堂加固，故其土質得到了整體上的加強，從而使得周邊地下管線的變形情況得到了明顯的緩解。

3.2.3 共同溝位移

本工程北面以及東面的地下管線共同溝由于距離基坑較近，所以是本工程的重點保護內容之一。由于北面博成路共同溝距離較遠，無明顯變化，而東側白蓮涇路地下共同溝距離基坑外邊線較近，受施工影響較為明顯，故選取其垂直、水平位移進行分析。

1）圍護結構施工及I區(qū)基坑施工階段的共同溝位移如圖9所示。2012年12月—2013年12月，該時間段內施工工況為：樁基及基坑圍護施工、I區(qū)基坑土方開挖及地下室結構施工。從共同溝溝頂的數據圖可以看出，沉降的數據變化情況整體呈下降趨勢，在2013年5月前，共同溝處于整體下沉的過程，其主要是由于施工場地內進行清障施工、槽壁加固施工及地下連續(xù)墻施工影響所致。在部分測點的累積位移量超過10 mm后，為了控制共同溝的下沉趨勢，經專家評審后在白蓮涇路一側進行注漿加固施工，在注漿施工期間共同溝出現了抬升的現象，施工結束后又出現下沉趨勢，之后再注漿，如此反復進行，故位移曲線出現上下波動的現象。在2013年9月停止了坑外注漿施工，共同溝則一直處于下沉的狀態(tài)，但變化速率較小，至2013年年底。在該階段雖然I區(qū)基坑處于開挖及地下室結構施工階段，但由于施工面距離共同溝遠，且隔著Ⅲ區(qū)基坑，因此共同溝的位移變化規(guī)律與I區(qū)施工工況的聯系不明顯。

圖9 圍護結構施工及I區(qū)基坑施工階段共同溝垂直位移曲線

2）Ⅲ區(qū)基坑施工階段的共同溝位移如圖10所示。從曲線圖中可以看出：在Ⅲ區(qū)基坑施工過程中，共同溝整體呈下沉趨勢；在2014年1月—8月，由于伴隨坑外注漿加固施工，共同溝位移變化有波動現象；自2014年9月—2014年11月，共同溝又出現2次明顯的下降過程，這主要是由于Ⅲ區(qū)基坑進行拆撐施工所致；進入2015年共同溝位移變化逐漸穩(wěn)定。

圖10 Ⅲ區(qū)基坑施工階段共同溝垂直位移曲線

從整個過程看，本工程共同溝變化共分3個階段：樁基圍護施工階段、Ⅲ區(qū)基坑開挖施工階段及Ⅲ區(qū)地下室結構施工階段。這3個階段對于共同溝的影響較為集中，樁基及基坑圍護施工階段，共同溝位移累積變化量未出現報警情況；在基坑開挖階段，其整體呈下沉趨勢，但由于注漿加固施工的作用，沉降速率并不大，有部分測點的累積變化量達到報警值；在地下結構施工階段，由于支撐拆除導致共同溝出現了明顯的位移變化，大部分測點的累積變化量達到報警值；當地下室結構完成后，共同溝位移速率明顯減小并逐漸穩(wěn)定。綜上可知，施工對周邊土體的擾動是導致共同溝產生位移的最直接原因，而注漿加固施工在一定程度上控制了土體的位移，減小了共同溝的累積位移量，確保了其安全運行。

4 共同溝注漿保護

4.1 加固目的

為控制共同溝沉降速率，需對溝底土體進行注漿固結，改良土體承載力，起到防止共同溝繼續(xù)沉降的效果。根據設計圖紙及要求，在基坑外側與共同溝間設置預埋注漿管以備在施工過程中根據實時監(jiān)測數據，實施跟蹤注漿，以控制共同溝的沉降。

4.2 原因分析

共同溝沉降的主要原因可能為拔樁后土體擾動較大，加上拔樁深度較深，達到25 m，而拔樁回填后進行槽壁加固施工的深度只有19.9 m，可能導致槽壁加固下方的土體不密實，現針對拔樁洞下不密實土體進行注漿處理。同時地下連續(xù)墻施工以及土方開挖導致坑內土壓力卸載也會引起共同溝的沉降。

4.3 處理方案

1）拔樁處下部樁不密實部分土體的處理：在原拔樁位置埋設26 m深注漿管（拔樁樁底下1 m），注漿范圍為－26.0～－20.0 m；由于所拔6根管樁，僅3根在槽壁加固上，其余在地下連續(xù)墻槽段里，對其注漿無意義，故此次只對3根在槽壁加固上的樁孔進行處理。

2）對白蓮涇路側地下連續(xù)墻取注漿點3個，點間距為1.5 m，注漿點與地下連續(xù)墻的垂直距離為1.5 m，注漿管埋深為9 m，注漿加固范圍為－9.0～－6.0 m。

5 結語

綠谷項目地下空間工程作為目前上海市市區(qū)內一比較典型的深基坑工程，周邊環(huán)境復雜、地下管線縱橫密布，基坑總體變形控制良好，管線沉降在可控范圍內。通過對施工工況與變形數據分析，可以明顯地發(fā)現基坑施工階段的時空效應影響，土體卸載后向坑內變形顯著，待結構完成后變形趨于穩(wěn)定。另外，對于已發(fā)生沉降的管線，進行壓力注漿固化土體是一種切實可行的方法，可為基坑工程提供一定的施工依據。