軟土超大面積基坑群工程安全與環(huán)境控制設(shè)計(jì)與實(shí)踐*

王衛(wèi)東, 沈 健, 胡 耘

(1 華東建筑集團(tuán)股份有限公司，上海 200011；2 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 200011；3 上?；庸こ汰h(huán)境安全控制工程技術(shù)研究中心，上海 200011)

0 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展,中心城區(qū)用地日益緊張,城市地下空間的需求不斷增加[1],建設(shè)的規(guī)模也越來越大,伴隨而來的基坑工程常呈現(xiàn)超大規(guī)模、集群式開發(fā)的特點(diǎn),如上海后世博片區(qū)、武漢商務(wù)區(qū)、天津于家堡、南京江北新區(qū)等[2-3]。區(qū)域性地下空間開發(fā)又與軌道交通設(shè)施、市政道路等建設(shè)相互交錯(cuò),面臨突出的環(huán)境保護(hù)問題。與常規(guī)單地塊基坑相比,基坑群工程體量大、同步或先后實(shí)施的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜、土體卸荷應(yīng)力路徑復(fù)雜,對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生的疊加影響效應(yīng)顯著。此外,軟土呈強(qiáng)度低、易擾動(dòng)、壓縮性高、流變顯著等特性。在上述方面綜合作用下,軟土地區(qū)超大面積基坑群工程安全和環(huán)境影響控制問題突出,成為城市建設(shè)中的難題。

本文背景工程為上海某個(gè)由九個(gè)地塊與規(guī)劃道路組成的地下空間,形成開挖面積近16萬m2的超大面積基坑群工程。該工程緊鄰運(yùn)營中的11號(hào)線地鐵車站與區(qū)間隧道等敏感保護(hù)對(duì)象,周邊環(huán)境條件復(fù)雜,地下承壓水豐富。面對(duì)軟土基坑群工程相互作用下的安全控制、疊加的環(huán)境影響、復(fù)雜的承壓水等方面的難題,闡述了基坑群工程的分區(qū)設(shè)計(jì)與安全控制對(duì)策、提出了以運(yùn)營地鐵為主要保護(hù)對(duì)象的敏感環(huán)境控制的支護(hù)體系設(shè)計(jì),以及基于現(xiàn)場抽水試驗(yàn)以環(huán)境控制為重點(diǎn)的承壓水處理對(duì)策等,相關(guān)的設(shè)計(jì)與分析可作為類似工程參考。

1 工程簡介

1.1 工程概況

西岸傳媒港與上海夢(mèng)中心項(xiàng)目位于上海市徐匯濱江規(guī)劃黃石路以北、云錦路以東、龍騰大道以西、規(guī)劃七路以南,由九個(gè)地塊及之間的市政道路組成整體地下空間(簡稱西岸“九宮格”)。項(xiàng)目建設(shè)主體眾多,中三地塊(F、L、M三個(gè)地塊)與北三地塊(E、J、K三個(gè)地塊)和南三地塊(G、N、O三個(gè)地塊)地下建設(shè)主體分屬于上海夢(mèng)中心與西岸傳媒港,上部26棟單體又分屬7家不同的使用方,各地塊均有不同的工期目標(biāo)。

環(huán)境總平面圖如圖1(a)所示,基坑總面積約15.7萬m2,外圍周長約2km,普遍區(qū)域地下三層,開挖深度16～17m。E地塊地鐵側(cè)局部地下二層,開挖深度約為12m;G地塊地鐵側(cè)局部地下一層,開挖深度約為8m。

圖1 環(huán)境總平面圖與剖面

南北兩側(cè)均為待建地塊,環(huán)境條件較為寬松。東側(cè)為新修建的龍騰大道,保護(hù)對(duì)象為道路及其下方的市政管線。最重要的保護(hù)對(duì)象為西側(cè)運(yùn)營中的11號(hào)線龍耀路車站、出入口與風(fēng)井等附屬結(jié)構(gòu),南北兩端均鄰近隧道和車站結(jié)合部與區(qū)間隧道。如圖1(b)所示,地鐵車站本體為地下兩層,底埋深普遍約17.2m,局部端頭井位置埋深約19m。出入口以及風(fēng)井底板埋深約10.8m。區(qū)間隧道盾構(gòu)直徑約6.7m,覆土厚度約10.3m。E、F地塊地下車庫外墻與車站附屬結(jié)構(gòu)最小距離僅9～10m。G地塊鄰近區(qū)間隧道,地下室外墻距離隧道最小距離僅9m。本工程是上海緊鄰運(yùn)營地鐵線路最大規(guī)模的建筑基坑群工程之一。

1.2 工程地質(zhì)與水文條件

工程建設(shè)場地位于黃浦江西岸,屬于濱海平原地貌類型。如圖2所示,基坑開挖深度范圍內(nèi)涉及的土層主要為②1層、③層、④層,其中③層中夾薄層黏質(zhì)粉土,局部含粉性土顆粒較重,易滲水,并可能產(chǎn)生流砂、管涌等現(xiàn)象。③層、④層為淤泥質(zhì)黏土層,飽和、流塑,抗剪強(qiáng)度低,靈敏度中～高,具有觸變性和流變的特點(diǎn),對(duì)控制基坑與周邊環(huán)境變形較為不利。水文地質(zhì)條件復(fù)雜,距離黃浦江不足200m,對(duì)場地地下水有一定的補(bǔ)給。深層承壓含水層分布復(fù)雜,承壓含水層頂埋深約30m,以下為⑤3-2粉質(zhì)黏土夾砂質(zhì)粉土層,此層為微承壓含水層,場地深度約45m以下分布有⑦砂土層,為上海地區(qū)的第一承壓含水層。場地處于古河道沉積區(qū),⑥層土層缺失,⑤3-2層微承壓水與⑦層第一承壓水直接連通,⑦層下部又與⑨層第二承壓水直接連通,形成了三層連通且無法隔斷的深厚(微)承壓含水。⑤3-2層微承壓水水頭埋深3～4m,⑦1層第一承壓水水頭埋深6～7m,地下三層區(qū)域基坑普遍開挖深度達(dá)16.2m,抗突涌不滿足要求,開挖期間需深層承壓含水層進(jìn)行降壓。

圖2 土層分布及特性示意圖

2 基坑面臨主要問題及總體設(shè)計(jì)方案

2.1 基坑面臨主要問題

(1)基坑群工程的工期實(shí)現(xiàn)與安全控制。本工程不同地塊分屬不同建設(shè)主體,各自均有明確的工期目標(biāo),相互之間存在開發(fā)進(jìn)度、施工工況等方面的協(xié)調(diào),基坑總體分區(qū)需將所有地塊的工期作為重要目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。超大面積基坑群工程建設(shè)周期較常規(guī)單地塊基坑大大加長,基坑安全風(fēng)險(xiǎn)也大幅增加,同時(shí)相鄰基坑同步實(shí)施的相互作用顯著[4-7]?；有柰黄瞥Ｒ?guī)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新,同時(shí)滿足基坑安全與工期目標(biāo)。

(2)超大面積基坑群工程卸荷方量巨大、環(huán)境影響疊加效應(yīng)顯著,保護(hù)難度極高。周邊以運(yùn)營地鐵為主的環(huán)境保護(hù)對(duì)象極為敏感,基坑群實(shí)施與單體基坑實(shí)施存在較大的差異性,地鐵側(cè)面臨的基坑開挖暴露長度近500m,東側(cè)龍騰大道側(cè)的基坑開挖暴露長度也達(dá)到了約450m,同一個(gè)保護(hù)對(duì)象會(huì)面臨多個(gè)分區(qū)基坑開挖卸載與施工動(dòng)載作用的疊加[8-11]。

(3)基坑群工程面臨大范圍、長時(shí)間抽降深部(微)承壓水及其環(huán)境影響控制問題?；滓韵路植嫉蘑?-2層微承壓含水層存在突涌風(fēng)險(xiǎn),且與下部⑦層、⑨層第一、二承壓含水層直接連通。本工程外圈圍護(hù)長達(dá)2km,若將上述承壓含水層完全隔斷,投入的成本將十分巨大。同時(shí)基坑群工程承壓水抽降時(shí)間長、環(huán)境影響范圍大,也存在疊加效應(yīng)。因此合理的承壓水控制措施也是超大面積基坑群工程的主要難點(diǎn)之一。

2.2 總體設(shè)計(jì)與對(duì)策

為解決以下3個(gè)主要問題與難點(diǎn),制定本基坑群工程的總體設(shè)計(jì)思路,采取如下技術(shù)對(duì)策:

(1)工期實(shí)現(xiàn)與基坑群工程安全控制。針對(duì)超大規(guī)?；尤汗こ涕_挖、工程安全、工期差異等復(fù)雜條件,基坑分區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì),通過靈活動(dòng)態(tài)設(shè)置單隔斷與雙隔斷應(yīng)對(duì)不同地塊之間不同關(guān)系的工期需求,在保障基坑群工程安全的同時(shí)力求實(shí)現(xiàn)全部工期目標(biāo)。

對(duì)相鄰基坑面臨需同期實(shí)施且緩沖區(qū)寬度不足時(shí)的矛盾,建立基于有限土壓力理論的臨界緩沖區(qū)寬度概念與設(shè)置有限寬度緩沖區(qū)后兩側(cè)基坑同步或交叉實(shí)施的設(shè)計(jì)方法,在常規(guī)基礎(chǔ)上大幅度縮小緩沖區(qū)的寬度,解決基坑群工程安全控制與工期方面的矛盾。

(2)超大面積基坑群工程開挖的環(huán)境疊加影響控制。以西側(cè)運(yùn)營中的地鐵車站與區(qū)間隧道為重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象,在地鐵側(cè)劃分出窄條基坑,同一個(gè)地塊內(nèi)基坑均由遠(yuǎn)及近、先大后小開挖,同時(shí)三個(gè)地塊分在兩期三個(gè)階段先后實(shí)施,減小對(duì)地鐵的疊加影響。在支護(hù)體系設(shè)計(jì)方面,通過加大地下連續(xù)墻厚度、地墻接縫采用十字鋼板接頭、采用三軸水泥土攪拌樁對(duì)地墻兩側(cè)槽壁與基坑被動(dòng)區(qū)進(jìn)行加固、大基坑混凝土支撐采用正交十字對(duì)撐布置形式、窄條小基坑采用軸力伺服鋼支撐等措施,對(duì)基坑支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng),重點(diǎn)保護(hù)敏感環(huán)境。采用上海軟土小應(yīng)變模型和全套參數(shù)的成果[12-16]對(duì)鄰近運(yùn)營地鐵的基坑開挖進(jìn)行三維模擬分析,評(píng)估基坑群工程實(shí)施對(duì)周邊敏感環(huán)境的影響。

(3)承壓水控制。針對(duì)地勘報(bào)告揭示的⑤3-2層微承壓水、⑦層第一承壓含水層、⑨層第二承壓含水層直接連通,而⑤3-2層與⑦層水頭埋深存在明顯差異的情況,開展現(xiàn)場單井與群井抽水試驗(yàn)。結(jié)合抽水試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)運(yùn)營地鐵側(cè)、龍騰大道市政道路側(cè)、其余環(huán)境寬松區(qū)域采取不同的設(shè)計(jì)處理措施,重點(diǎn)保護(hù)周邊環(huán)境同時(shí)又控制工程造價(jià)。

3 基坑群工程安全控制與分區(qū)設(shè)計(jì)

3.1 臨界緩沖區(qū)寬度分析

基坑工程設(shè)單隔斷臨時(shí)分隔墻時(shí)相鄰分區(qū)需先后實(shí)施,待前一分區(qū)基坑地下結(jié)構(gòu)基本完成后施工后一分區(qū)。當(dāng)相鄰分區(qū)需同步實(shí)施時(shí)需設(shè)置雙隔斷形成緩沖區(qū),常規(guī)認(rèn)識(shí)下上海軟土地區(qū)緩沖區(qū)寬度一般需大于3H(H為基坑開挖深度)。本工程如此大體量的基坑群,必然涉及相鄰地塊需要同步實(shí)施的情況,且為確保上部結(jié)構(gòu)的工期,緩沖區(qū)僅能設(shè)置在不影響地上結(jié)構(gòu)的區(qū)域,很多區(qū)域無法滿足基坑之間的緩沖區(qū)寬度達(dá)到3H的要求。因此需分析并大幅縮小臨界緩沖區(qū)的寬度,確保基坑安全同時(shí)滿足工期要求。

分別采用極限平衡法[17]和有限元方法研究基坑群內(nèi)相鄰基坑緩沖區(qū)寬度對(duì)圍護(hù)體受力變形的影響規(guī)律。圖3(a)為基于極限平衡法滑砌體理論的緩沖區(qū)兩側(cè)圍護(hù)體有限土壓力計(jì)算模型,緩沖區(qū)兩側(cè)圍護(hù)體有限主動(dòng)土壓力Eat與緩沖區(qū)寬度B、緩沖區(qū)兩側(cè)基坑開挖深度H1和H2、重度γ、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ、圍護(hù)體與土間摩擦角δ(常規(guī)取值同φ)、超載q有關(guān),主動(dòng)土壓力折減比例隨土體等效抗剪強(qiáng)度的減小而增大,等效內(nèi)摩擦角的敏感性大于等效黏聚力。以開挖深度15～20m的相鄰基坑為例,H=(H1+H2)/2,B=B1+B2。如圖3(b)所示,當(dāng)B>1.6H時(shí),有限主動(dòng)土壓力可以達(dá)到半無限庫倫土壓力Ea(Ea=Eat+Ea0,其中Ea0為由滑動(dòng)楔體dec產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力)隨著B的減小有限主動(dòng)土壓力逐漸減小;當(dāng)B=1.2H時(shí),有限主動(dòng)土壓力可以達(dá)到半無限庫倫土壓力計(jì)算值的95%左右;當(dāng)B=0.8H時(shí),主動(dòng)土壓力減小至85%左右。

采用有限元方法分析對(duì)比緩沖區(qū)側(cè)與非緩沖區(qū)側(cè)圍護(hù)體的受力變形。當(dāng)緩沖區(qū)寬度過窄,由于緩沖區(qū)兩側(cè)圍護(hù)體受力不平衡,會(huì)加劇非緩沖區(qū)側(cè)圍護(hù)體變形。當(dāng)B/H>1.2,內(nèi)、外兩側(cè)圍護(hù)體的受力差異較小,且逐漸趨于一致(圖4(a));當(dāng)B/H>1.4時(shí),內(nèi)、外兩側(cè)圍護(hù)體最大變形差值小于5mm(圖4(b));緩沖區(qū)寬度變化對(duì)緩沖區(qū)側(cè)圍護(hù)體變形的影響大于受力。

圖4 緩沖區(qū)寬度對(duì)圍護(hù)體受力、變形影響曲線

根據(jù)上述分析,提出臨界緩沖區(qū)寬度Bcr,當(dāng)緩沖區(qū)寬度大于Bcr時(shí),緩沖區(qū)兩側(cè)圍護(hù)體設(shè)計(jì)可按半無限土體考慮。Bcr與兩側(cè)基坑挖深、土層條件相關(guān)。上海軟土地區(qū)基坑開挖深度15～20m條件下,不考慮相互影響的最小緩沖區(qū)寬度可取1.2H左右,遠(yuǎn)小于較常規(guī)認(rèn)識(shí)的3H,可緩解相鄰地塊開發(fā)進(jìn)度不一致的矛盾。在輔以一定設(shè)計(jì)施工措施的情況下,緩沖區(qū)兩側(cè)同步開挖可滿足安全控制要求。

3.2 基坑群工程分區(qū)設(shè)計(jì)

基于上述分析,考慮不同投資主體、分期開發(fā)需求、環(huán)境保護(hù)等諸多因素,基坑分區(qū)設(shè)計(jì)靈活設(shè)置單隔斷與雙隔斷應(yīng)對(duì)不同關(guān)系的工期需求,在保障基坑安全的同時(shí)力求實(shí)現(xiàn)全部工期目標(biāo)?；尤嚎傮w考慮分兩期先后實(shí)施,共劃分為25個(gè)分區(qū),基坑群總體分期分區(qū)如圖5所示,上部建設(shè)體量大、建設(shè)工期相對(duì)更緊的上海夢(mèng)中心以及沿龍騰大道具有較高形象要求的共五個(gè)地塊作為一期工程實(shí)施,即中部F、L、M地塊與K、O地塊作為一期,對(duì)工期要求相對(duì)較低的剩余四個(gè)地塊E、J、G、N作為二期工程。如圖6所示,一期工程第一階段同步開挖F1、L1、L1、M1、M1與O1區(qū)基坑,一期工程第二階段開挖第一階段基坑之間的緩沖區(qū)基坑(L2、M2、K2、O2區(qū)基坑);二期工程第一階段同步開挖E1、J1、G1、N1區(qū)基坑,二期工程第二階段開挖第一階段基坑之間的緩沖區(qū)基坑(J2、N2區(qū)基坑)和臨地鐵側(cè)的窄條分區(qū)基坑(E2-1～E2-4、F2-1～F2-3、G2-1～G2-3)。

圖5 基坑群總體分區(qū)示意圖

圖6 基坑分期分階段實(shí)施流程圖

3.3 緩沖區(qū)寬度較小時(shí)的設(shè)計(jì)加強(qiáng)措施

由于施工場地緊張,相鄰基坑之間的緩沖區(qū)需作為施工道路使用,研究[17]表明,受超載影響時(shí)緩沖區(qū)地面沉降和緩沖區(qū)兩側(cè)圍護(hù)體變形顯著增大。相鄰基坑開挖前結(jié)合緩沖區(qū)首道支撐設(shè)置了棧橋和立柱體系相結(jié)合的重載車道,將施工超載通過豎向傳力構(gòu)件傳至深部持力層,減小因施工超載擴(kuò)散對(duì)緩沖區(qū)兩側(cè)圍護(hù)體的不利作用。另外對(duì)相鄰基坑緩沖區(qū)兩側(cè)的被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行加固改良,提高土體抗力。為減小緩沖區(qū)兩側(cè)相鄰基坑同步開挖的相互影響,對(duì)基坑邊土方進(jìn)行留土后挖,留土部分土方要求抽條、限時(shí)、對(duì)稱、平衡卸載。通過開挖期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)施調(diào)整施工工況。

實(shí)測結(jié)果表明,同步實(shí)施的區(qū)域如O1區(qū)與M1區(qū)的地下連續(xù)墻在緩沖區(qū)兩側(cè)變形約90mm,在其余非緩區(qū)變形70～80mm,緩沖區(qū)寬度僅約1.2H時(shí)并未由于土壓力較小導(dǎo)致緩沖區(qū)兩側(cè)地下連續(xù)墻水平向變形明顯減小,且緩沖區(qū)兩側(cè)基坑同步交錯(cuò)施工引起的整體偏移量不足1cm。表明臨界緩沖區(qū)寬度取1.2H是合理可行的,在考慮設(shè)計(jì)施工方面的加強(qiáng)措施后,可以在緩沖區(qū)寬度較小的情況下實(shí)現(xiàn)兩側(cè)基坑同步開挖。

4 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 周邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖7所示,在地下三層開挖深度條件下普遍采用0.8m厚地下連續(xù)墻圍護(hù),西側(cè)靠近地鐵側(cè)、東側(cè)龍騰大道側(cè)的地下連續(xù)墻加厚至1m,南側(cè)外地下連續(xù)墻厚考慮永久階段受力加厚至1m。E地塊緊鄰地鐵側(cè)地下二層開挖深度12m,地下連續(xù)墻厚也由常規(guī)項(xiàng)目0.8m加厚至1m,G地塊緊鄰地鐵側(cè)地下一層開挖深度8m,圍護(hù)形式也由常規(guī)灌注樁加強(qiáng)為0.8m厚地下連續(xù)墻。

圖7 地下連續(xù)墻厚度及支撐道數(shù)分布示意圖

地鐵側(cè)地下連續(xù)墻均采用止水效果更好的十字鋼板接頭并設(shè)三軸攪拌樁槽壁加固等措施,以提高墻止水效果以及減小成槽影響。另外地鐵側(cè)在地下連續(xù)墻外側(cè)設(shè)置灌注樁形成隔離樁,隔離樁樁底進(jìn)入較好的⑤3-2層,進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)運(yùn)營地鐵的保護(hù)。

4.2 水平支撐設(shè)計(jì)

除緊鄰地鐵側(cè)窄條基坑以外,其余基坑水平支撐普遍均采用鋼筋混凝土支撐。對(duì)于不同環(huán)境的保護(hù)要求,主要體現(xiàn)在支撐道數(shù)以及布置形式這兩方面的差異。如圖8、9所示,在同樣地下三層開挖深度條件下,非地鐵側(cè)大基坑豎向布置三道對(duì)撐、角撐體系,而地鐵側(cè)F1、E1、G1區(qū)支撐道數(shù)加強(qiáng)至四道,且采用整體剛度更大的十字正交對(duì)撐體系。鄰近地鐵的窄條小基坑(F-1～F2-3、E2-1～E2-4、G2-3區(qū))采用首道鋼筋混凝土支撐結(jié)合下部多道軸力伺服系統(tǒng)鋼支撐,鋼支撐采用無圍檁的“一墻兩撐”設(shè)計(jì),加快支撐形成速度,進(jìn)一步減小對(duì)地鐵的影響。

圖8 地鐵側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面

圖9 龍騰大道側(cè)與普遍區(qū)域圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面

4.3 被動(dòng)區(qū)加固設(shè)計(jì)

在鄰近地鐵與市政道路等保護(hù)區(qū)域,對(duì)被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行地基加固。如圖10所示,對(duì)鄰近地鐵的大基坑F1、E1、G1區(qū)地基均進(jìn)行寬度約10m的裙邊加固,對(duì)緊鄰地鐵的窄條小基坑區(qū)域地基采用滿堂加固,對(duì)鄰近龍騰大道側(cè)、M1區(qū)與O1區(qū)相鄰跨中位置的地基均進(jìn)行寬度約10m的裙邊加固,另在緩沖區(qū)寬度較窄的區(qū)域兩側(cè),對(duì)其地基進(jìn)行裙邊加固。其余環(huán)境寬松區(qū)域,未考慮進(jìn)行地基加固。

圖10 地基加固平面布置圖

5 基于小應(yīng)變模型的敏感環(huán)境影響分析

采用《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(DG/TJ 08-61—2018)[18]設(shè)計(jì)方法,無法分析基坑群工程相互作用以及環(huán)境疊加影響等效應(yīng),需建立包含土層、支護(hù)結(jié)構(gòu)、地鐵在內(nèi)的模型,進(jìn)行敏感環(huán)境的三維數(shù)值分析。有限元分析時(shí)采用合理的土體本構(gòu)模型是提高模擬精確度的關(guān)鍵,徐中華等[12]對(duì)各種土體本構(gòu)模型進(jìn)行了對(duì)比分析,認(rèn)為小應(yīng)變模型(HS-Small)具有較好的適用性。筆者團(tuán)隊(duì)[13-16]利用薄壁取土器采集了上海典型土層的原狀土樣,通過一維壓縮、土體三軸固結(jié)排水剪切、三軸固結(jié)排水加載-卸載-再加載、標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)、彎曲元及共振柱等一系列室內(nèi)試驗(yàn),系統(tǒng)研究了上海軟土地區(qū)典型土層的小應(yīng)變特性,得出了小應(yīng)變模型(HS-Small)的整套計(jì)算參數(shù),并被納入《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(DG/TJ 08-61—2018)。本工程應(yīng)用上述相關(guān)的參數(shù)成果進(jìn)行全過程分析。

采用數(shù)值模擬軟件建立基坑群計(jì)算模型,如圖11(a)所示,基坑群實(shí)施完成時(shí),如圖11(b)所示,大基坑、E1、F1、G1區(qū)鄰地鐵的側(cè)地下連續(xù)墻計(jì)算的最大變形分別為37、37、43mm,大基坑E1、F1、G1非地鐵側(cè)地下連續(xù)墻計(jì)算的最大變形分別為52、55、65mm,E2-1～E2-4、F2-1～F2-3、G2-1～G2-3區(qū)緊鄰地鐵側(cè)的窄條小基坑地下連續(xù)墻計(jì)算最大變形分別為16、20、10mm,表明了分坑與支護(hù)設(shè)計(jì)等加強(qiáng)措施的有效性。

圖12給出了各分區(qū)開挖到基底時(shí)的地下連續(xù)墻實(shí)測最大水平變形。地鐵側(cè)窄條小基坑地下連續(xù)墻最大變形約1cm,大基坑中隔墻普遍5～6cm,內(nèi)部隔墻和南北側(cè)外圈地下連續(xù)墻變形6～14cm?；尤汗こ炭傮w安全可靠,適當(dāng)放寬內(nèi)部中隔墻及環(huán)境寬松區(qū)域地下連續(xù)墻的變形,著重控制敏感環(huán)境側(cè)圍護(hù)體變形的效果較為明顯。

圖12 地下連續(xù)墻實(shí)測變形

如表1數(shù)據(jù)顯示,地鐵側(cè)基坑分區(qū)中隔墻變形實(shí)測值較緊鄰地鐵側(cè)地下連續(xù)墻普遍大10～20mm。其余內(nèi)部區(qū)域?qū)崪y變形較大主要是由于施工過程中受開挖停工、支撐與底板施工速度等因素影響較大,優(yōu)先保證環(huán)境敏感區(qū)域的支護(hù)與地下結(jié)構(gòu)形成,適當(dāng)放緩環(huán)境相對(duì)寬松區(qū)域的工程進(jìn)度?？傮w而言,各區(qū)域地下連續(xù)墻變形均在安全可控范圍內(nèi)。

表1 地下連續(xù)墻計(jì)算變形與實(shí)測變形對(duì)比

如圖13所示,由于地鐵車站自身剛度大、距離基坑較遠(yuǎn),車站主體變形較小;車站附屬結(jié)構(gòu)由于基礎(chǔ)埋深淺、距離基坑近,基坑開挖對(duì)附屬結(jié)構(gòu)的影響更大,車站主體變形3～4mm,附屬結(jié)構(gòu)變形12～22mm,地鐵隧道變形8mm。

圖13 地鐵車站與附屬結(jié)構(gòu)變形云圖/mm

圖14給出了G1區(qū)施工期間實(shí)測的地鐵車站及隧道的豎向變形,其中負(fù)值為沉降。基坑群地下結(jié)構(gòu)完成時(shí),實(shí)測地鐵車站豎向變形不足5mm,區(qū)間隧道最大沉降9mm。如圖15所示,車站附屬結(jié)構(gòu)沉降22.7～33.7mm。實(shí)測變形及規(guī)律與數(shù)值計(jì)算的吻合度較好,總體而言,基坑支護(hù)體系有效保證了地鐵的正常運(yùn)營。

圖14 地鐵車站與區(qū)間隧道豎向位移曲線示意圖

圖15 F1區(qū)風(fēng)井附屬結(jié)構(gòu)豎向變形示意圖

6 承壓水控制設(shè)計(jì)

6.1 現(xiàn)場抽水試驗(yàn)

如前所述,對(duì)基坑開挖存在影響的(微)承壓水主要為連續(xù)分布的⑤3-2層微承壓含水、⑦層第一承壓含水層與⑨層第二承壓含水層,頂埋深約30m,底埋深超過90m,⑤3-2層抗突涌安全系數(shù)在普遍開挖深度16.2m區(qū)域內(nèi)為0.95,在塔樓最深開挖深度21.5m區(qū)域內(nèi)約為0.64,不滿足規(guī)范要求,基坑內(nèi)部承壓水層降壓幅度為3～10m。⑦層抗突涌安全系數(shù)處于臨界狀態(tài)。

常規(guī)將三層(微)承壓水作為一個(gè)大含水層考慮,不僅無法隔斷,按⑦層降壓且需設(shè)置懸掛帷幕時(shí),地下連續(xù)墻深度將超過70m,代價(jià)巨大。⑤3-2層與⑦層水頭差異較大,表明兩層之間的水力聯(lián)系可能不強(qiáng),若將降壓目標(biāo)層僅鎖定在⑤3-2層,處理難度將大幅降低。因此開展了針對(duì)⑤3-2層與⑦層的抽水試驗(yàn)。根據(jù)土層差異和空間距離共進(jìn)行了5個(gè)地塊的抽水試驗(yàn),每個(gè)地塊進(jìn)行了5組現(xiàn)場抽水試驗(yàn),包括⑤3-2層單井、群井試驗(yàn)以及⑦層單井試驗(yàn),抽水試驗(yàn)內(nèi)容見表2,試驗(yàn)期間觀測相互之間的連通性。

表2 抽水試驗(yàn)內(nèi)容匯總

圖16、17為⑤3-2層群井試驗(yàn)⑤3-2層、⑦層觀測井水位曲線,抽水試驗(yàn)主要結(jié)論如下:1)⑤3-2層初始水頭埋深4～5m,⑦層初始水頭埋深6～7m,與前期地勘情況基本一致。2)⑤3-2層群井試驗(yàn)期間自身水位下降5～10m情況下,⑦層水位基本穩(wěn)定不動(dòng)。單井試驗(yàn)的情況也基本類似。表明,⑤3-2層層底和⑦1層層頂雖直接接觸,但上含水層降水引起下含水層水頭下降較小,表明兩層之間自上而下的水力聯(lián)系較小。施工過程中可以僅針對(duì)⑤3-2層進(jìn)行降壓。3)⑤3-2層分別設(shè)置5～8m長度不等濾管的試驗(yàn)井涌水量均在1.2～1.7m3/h之間,表明降壓井濾管全部設(shè)置在⑤3-2層時(shí),涌水量對(duì)濾管長度并不敏感,可以盡量設(shè)置較短的濾管進(jìn)行降壓。

圖16 ⑤3-2層群井試驗(yàn)期間⑤3-2層觀測井水位曲線

圖17 ⑤3-2層群井試驗(yàn)期間⑦層觀測井水位曲線

6.2 承壓水處理設(shè)計(jì)原則

由6.1節(jié)試驗(yàn)結(jié)論確定了降壓井的設(shè)計(jì)原則,具體如下:

確定降壓目標(biāo)層僅為⑤3-2層,⑦層滿足突涌要求的情況下僅設(shè)置觀測與應(yīng)急備用井。⑤3-2層降壓井采用短濾管密布方式,濾管長度普遍為5m,盡量增加懸掛帷幕的深度。

針對(duì)⑤3-2層與⑦層水利聯(lián)系不密切,以及降壓僅針對(duì)⑤3-2層的情況。為減小基坑內(nèi)承壓水降壓引起的環(huán)境影響,并盡量控制工程造價(jià),根據(jù)環(huán)境敏感程度不同確定承壓水處理的不同作法,具體如下:

(1)對(duì)鄰近地鐵最為敏感的地帶(圖18中AB段,剖面示意如圖8所示),采取隔斷⑤3-2層與懸掛不少于10m深度帷幕的雙控原則。即E地塊西側(cè)與北側(cè)地下連續(xù)墻、F地塊北西南三側(cè)地下連續(xù)墻、G地塊西側(cè)與南側(cè)地下連續(xù)墻超過⑤3-2層進(jìn)入⑦層,形成對(duì)⑤3-2層的隔斷,同時(shí)墻底深于降壓井濾管底不小于10m,形成懸掛帷幕。隔斷與增加承壓水的繞流補(bǔ)給路徑,提高基坑內(nèi)降壓效率,減小對(duì)地鐵的影響。

圖18 結(jié)合承壓水抽降需求地下連續(xù)墻深度設(shè)置分布圖

(2)如圖18中CD段所示,K、M地塊基坑面積較大,降水周期較長,且鄰近龍騰大道,普遍區(qū)域⑤3-2層水頭降幅3m以上,因此沿龍騰大地道地下連續(xù)墻加深至降壓井濾管底不小于5m形成懸掛帷幕,剖面示意如圖9所示。

(3)位于基坑內(nèi)部,或基坑面積較小且周邊環(huán)境寬松區(qū)域,或開挖深度較小無須抽降承壓水,上述區(qū)域地下連續(xù)墻不考慮加深,結(jié)合實(shí)測水位按需降壓。

由于采用了懸掛帷幕,因此需合理評(píng)估承壓水降水對(duì)周邊環(huán)境的影響。為此開展了現(xiàn)場群井抽水試驗(yàn),結(jié)合抽水試驗(yàn)得到的承壓含水層水頭下降實(shí)測數(shù)據(jù),經(jīng)反演分析,確定了承壓含水層的滲透系數(shù)和貯水系數(shù)等,并根據(jù)抽水試驗(yàn)測得的地表沉降數(shù)據(jù)反演分析,得到了合理的土層沉降計(jì)算參數(shù)。根據(jù)群井抽水試驗(yàn)結(jié)果,制定了基坑的降壓方案以及不同區(qū)域止水帷幕深度,然后建立基坑三維滲流分析模型,基于反演分析得到的參數(shù)進(jìn)行模擬,得到承壓水降壓引起的基坑外水頭變化以及土體有效應(yīng)力增加,并采用分層沉降總和法計(jì)算地表沉降,預(yù)估沉降對(duì)環(huán)境的影響。計(jì)算結(jié)果表明,坑內(nèi)降壓引起地鐵側(cè)地表沉降僅約0.5mm,龍騰大道一側(cè)地表沉降3～4mm,其余敞開區(qū)域沉降7～8mm。表明所采取懸掛帷幕和降壓措施能滿足環(huán)境保護(hù)要求。

6.3 承壓水控制實(shí)施效果

基坑外承壓水水頭下降高度可以直接反映基坑承壓水控制效果,可對(duì)基坑外的水頭下降高度和坑內(nèi)、外水頭降深比進(jìn)行分析。圖18水位監(jiān)測點(diǎn)的水頭實(shí)測數(shù)據(jù)顯示,敏感環(huán)境區(qū)域承壓水控制效果達(dá)到預(yù)期,如圖19(a)、(b)所示,在基坑內(nèi)的⑤3-2層水頭最大降深達(dá)到設(shè)計(jì)需求的8m時(shí),地鐵側(cè)基坑外⑤3-2層水頭降幅僅約0.5m,基坑內(nèi)、外水頭下降深度比值16∶1;如圖19(c)所示,龍騰大道側(cè)基坑外⑤3-2層水頭最大降深2m,基坑內(nèi)、外水頭下降深度比值10∶1～4∶1;如圖19(b)所示其余區(qū)域地下連續(xù)墻未考慮隔斷⑤3-2層基坑外水頭最大降深3～4.5m,基坑內(nèi)、外水頭下降深度比值約2∶1。

圖19 不同區(qū)域基坑開挖坑外⑤3-2微承壓水水頭時(shí)程曲線圖

7 工程實(shí)施

7.1 施工工況

西岸“九宮格”項(xiàng)目從2015年8月開始首地塊土方開挖至2016年4月(歷時(shí)8個(gè)月)完成首批(F1、M1基坑)地下結(jié)構(gòu)施工,至2018年1月全部主體地下結(jié)構(gòu)完成。近30個(gè)月即完成了近16萬m2、16～17m深基坑群工程的開挖和近60萬m2的地下結(jié)構(gòu)建設(shè)。兩期主要的施工工況與時(shí)間匯總見表3、4,實(shí)景見圖20。

表3 一期主要工況時(shí)間匯總

表4 二期主要工況時(shí)間匯總

圖20 工程實(shí)施照片

7.2 工程實(shí)施效果

基坑群工程實(shí)施期間,對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境進(jìn)行了全面的監(jiān)測,前文已結(jié)合具體設(shè)計(jì)對(duì)基坑工程與周邊環(huán)境實(shí)測變形做了一定的分析。本節(jié)對(duì)地下連續(xù)墻側(cè)移曲線及周邊環(huán)境監(jiān)測做適當(dāng)補(bǔ)充。

圖21為基坑地下連續(xù)墻典型位置的水平位移曲線。各測點(diǎn)地下連續(xù)墻水平位移隨開挖工況增長,最大變形的位置也逐漸下移,變形曲線形態(tài)呈紡錘形,符合上海地區(qū)地下連續(xù)墻普遍變形規(guī)律規(guī)。從不同典型區(qū)域測點(diǎn)地下連續(xù)墻的水平位移來看,基坑群工程實(shí)施完成后,非重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域(此處以N1區(qū)為例)的地下連續(xù)墻位移最大,龍騰大道一側(cè)地下連續(xù)墻及近地鐵基坑分區(qū)的中隔墻水平位移相當(dāng)屬于上海地區(qū)類似基坑地下連續(xù)墻水平位移正常水平[19-20],近地鐵側(cè)的地下連續(xù)墻水平位移最小,說明重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域的地下連續(xù)墻變形通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的加強(qiáng)得以有效控制。

圖21 典型區(qū)域地下連續(xù)墻水平位移曲線

周邊環(huán)境變形監(jiān)測結(jié)果見表5。西側(cè)運(yùn)營地鐵在整個(gè)基坑群工程實(shí)施期間整體可控,相應(yīng)西側(cè)云錦路的地面沉降也較小,約31mm。東側(cè)龍騰大道受基坑開挖、降水、施工重載的疊加作用,產(chǎn)生了一定的沉降變形,其中以施工較早且作為出入口的O地塊一側(cè)最為明顯,最大沉降約120mm,但總體基坑與周圍環(huán)境均處于安全可控狀態(tài)。

表5 周邊環(huán)境實(shí)測最大變形匯總

項(xiàng)目的順利實(shí)施為2019年9月移交中央廣播電視總臺(tái)長三角總部暨上?？傉緬炫频戎卮蠊?jié)點(diǎn)的完成打下扎實(shí)基礎(chǔ),2020年1月最后一棟單體O地塊塔樓封頂,圓滿實(shí)現(xiàn)了全部建設(shè)主體工期目標(biāo)。造價(jià)方面:減少了地塊內(nèi)部臨時(shí)隔斷地下連續(xù)墻近800m,考慮環(huán)境控制為重點(diǎn)的帷幕設(shè)計(jì)節(jié)省地下連續(xù)墻超1萬m3,僅上述兩項(xiàng)節(jié)約工程造價(jià)不低于7 000萬元,合理的基坑設(shè)計(jì)取得了良好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。

8 結(jié)論

上海西岸“九宮格”項(xiàng)目基坑總面積超15.7萬m2,周長約2km,計(jì)入內(nèi)部臨時(shí)隔斷圍護(hù)總長約5km,普遍開挖16～17m,總出土量達(dá)250萬m3,周邊緊鄰地鐵和景觀道路,分為25個(gè)分區(qū)同步或交叉實(shí)施。本文以該項(xiàng)目為背景,針對(duì)軟土城市超大規(guī)?；尤汗こ趟媾R的基坑群工程安全和環(huán)境影響控制等突出問題開展研究和工程實(shí)踐。得到的主要結(jié)論如下:

(1)軟土地區(qū)大規(guī)模深基坑工程,可以通過靈活、動(dòng)態(tài)設(shè)置單/雙隔斷,采用分區(qū)分期開發(fā),以滿足基坑群安全與工期控制需求。建立了與挖深、土層、工況相關(guān)的臨界緩沖區(qū)寬度概念和計(jì)算方法,大幅縮減了同步開挖兩基坑之間所需緩沖區(qū)寬度,化解了不同主體開發(fā)進(jìn)度的矛盾。

(2)采用上海軟土小應(yīng)變模型和全套參數(shù)成果開展了超大規(guī)模復(fù)雜基坑群實(shí)施對(duì)敏感環(huán)境對(duì)象影響的三維模擬分析,在此基礎(chǔ)上形成了考慮基坑群疊加影響的地鐵敏感環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì),通過基坑分區(qū)與工況控制、地下連續(xù)墻剛度加強(qiáng)、支撐體系加強(qiáng)和伺服軸力控制、設(shè)置可靠的被動(dòng)區(qū)土體加固等方式的有機(jī)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)營地鐵車站與區(qū)間隧道等重點(diǎn)環(huán)境對(duì)象的保護(hù)。

(3)基于專項(xiàng)水文地質(zhì)勘察,探明場地微承壓水與承壓含水層的實(shí)際水頭及兩者之間的水力聯(lián)系情況,明確降壓目標(biāo)含水層。在此基礎(chǔ)上,針對(duì)運(yùn)營地鐵側(cè)、市政道路、環(huán)境寬松區(qū)域不同的變形控制目標(biāo),提出了基坑群承壓水精細(xì)化控制技術(shù),確?；尤喊踩徒祲涵h(huán)境控制的同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性。