上海自然博物館基坑地下連續墻變形研究

李巖松，鄒吉聰

（1.上海科技館自然博物館管理處，上海200127；2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

隨著城市地下空間的發展，城市當中出現了多種地下綜合開發的基坑工程，這些基坑有著“深、大、異形”等特點，甚至是坑聯坑、坑中坑。由于基坑工程的這些新特點，加上城市中各種環境較為復雜，與傳統基坑工程相比增加了基坑工程的風險，對其支護結構也提出了更高的要求。地連墻是基坑支護結構的重要組成部分，研究基坑開挖過程中地連墻的變形，對于預測施工風險、保證施工安全具有重要意義[1-2]。

坑中坑基坑工程中內坑開挖對于控制整個基坑的穩定是不利的，若考慮不周全可能引發重大工程事故。龔曉南[3]曾呼吁坑中坑工程應該考慮內坑開挖對外坑圍護結構穩定和變形的影響，但目前針對坑中坑基坑的研究相對較少。潘衛成[4]對比了不同內坑支護技術對外坑支護的影響，結合施工經驗對內坑圍護結構的選取提出一些建議；陳樂意[5]、申明亮[6]運用數值模擬方法，探討了開挖計算深度的選取、內坑位置對圍護結構水平位移的影響和對各區域土體應力變化的影響。其余則更多關注于電梯井、集水井等小型內坑的支護設計、監測與施工技術。

本文以新建上海自然博物館與地鐵13號線共建深大異形坑中坑基坑為背景，在基坑開挖深度和地下連續墻插入深度一定的條件下，通過數值模擬與實際監測數據研究該異形坑中坑基坑工程地下連續墻的變形特點。

1 工程概況

上海自然博物館擬建場地位于上海市靜安區，西傍慈溪路，東臨大田路，南為北京西路，北枕山海關路，基坑開挖面積約15 240 m2，最大開挖長度（南北向）為150 m，最大開挖寬度（東西向）為100 m，開挖深度為17.3 m。自博館地下室底板結合軌道交通13號線明挖區間段南北向穿越，地下室北側有南北向13號線自然博物館站，南部有一軌道交通盾構始發井，基坑平面位置如圖1所示，剖面圖如圖2所示。

該場地內除南北向穿越的軌道交通13號線明挖區間外，與自然博物館基坑同期施工的還有地鐵13號線車站、地鐵南端頭井、地鐵北端頭井基坑等共8個基坑。立面上地鐵13號線區間段基坑在自然博物館基坑的基礎上再落深開挖7.688 m，兩基坑共建順作開挖形成坑中坑基坑。工程位于市中心城區，周邊環境極其復雜。其中，大田路東側雕塑公園內有500 kV世博變電站和10 kV變電站，世博變電站距本工程基坑邊約48 m，10 kV變電站距本工程基坑邊約20 m；場地西側為上海市育才中學教學樓及63弄居民樓多層房屋，房屋多為3～5層磚木結構和混凝土框架結構，為解放前建筑，房屋距基坑圍護墻邊最近距離約10 m，故場地西側保護等級最高。

圖1 自然博物館基坑位置示意圖Fig.1 Location of museum pit

圖2 基坑典型橫剖面圖Fig.2 Cross section of pit

坑中坑基坑地下連續墻的受力情況如圖3。其中Ea，Ep分別為外坑地下連續墻墻后、墻前土壓力，Ea'，Ep'為內坑地下連續墻墻后、墻前土壓力，各土壓力采用朗肯土壓力理論計算，地面超載為q，Fi為支撐軸力。由圖3可知，坑中坑基坑與常規基坑的不同之處，一是在于外坑開挖時內坑連續墻的存在有助于控制外坑連續墻變形；二是在于內坑的二次開挖形成的側向卸載，使得兩墻之間的土體在特定條件下由外坑開挖時的被動區變成內坑開挖時的主動區，當開挖內坑時，作用在外坑地下連續墻上的被動土壓力（Ep）較內坑開挖之前有所減小，并最終會反映到連續墻變形上。而Ep的變化與內、外坑地下連續墻之間的距離密切相關。

2 工程地質情況

圖3 坑中坑基坑地下連續墻受力示意圖Fig.3 Forces acting on the continuous wall of pit-in-pit excavation

根據勘察資料，擬建場地位于正常地層沉積區。在所揭露深度100.32 m范圍內的地基土屬第四紀上更新世Q3至全新世Q4沉積物，主要由飽和粘性土、粉性土及砂土組成。土層性質見表1。

表1 主要土層的物理力學參數Tab.1 Mechanical parameters of main soil

3 支護結構簡介

1）自然博物館基坑。大基坑圍護采用兩墻合一1 000 mm與800 mm厚地下連續墻，永久使用階段作為主體結構地下室外墻的一部分。西側墻厚1.0 m、墻深48 m，墻底穿越⑦層承壓水層進入⑧1層粘土層；東側墻厚0.8 m、墻深35 m，墻底位于⑦層承壓水層；北側墻厚0.8 m、墻深35～44 m，墻底位于⑦層承壓水層?；又尾捎秘Q向4道鋼筋混凝土支撐體系，第1道支撐截面為800 mm×800 mm，其余3道支撐主梁截面均為1 200 mm×1 000 mm。分4層開挖，開挖深度分別為5.7，9.9，13.7，17.3 m。

自然博物館基坑樁基均采用鉆孔灌注樁，工程樁樁徑均為?800，立柱樁樁徑非棧橋區分別為?800、?850，棧橋區為?900。

2）軌道交通明挖段。軌道交通明挖段開挖深度約為24.988 m，樁基為?800鉆孔灌注樁，主要為抗拔樁?；訃o采用800 mm厚地下連續墻。此坑中坑地墻底埋深35 m，墻頂標高位于自然博物館基坑底，落深較大，施工時采用C20素混凝土從低地墻頂面澆至地面。

車站中間段局部落深基坑采用豎向兩道支撐體系，第1道為1 000 mm×800 mm砼支撐，第2道為?609鋼支撐。

3）南端頭井基坑。南部端頭井開挖深度約為26.188 m，為軌道交通始發井，圍護采用1 000 mm厚地下連續墻，墻深48 m。

4 連續墻變形數值模擬

4.1 有限元模型建立

自然博物館基坑深、大、異形，且存在坑中坑開挖情況，內外坑地下連續墻間距隨基坑位置變化。若坑中坑距離外坑圍護結構間距較小，在開挖內坑的過程中，內坑連續墻產生的水平變形可能會傳遞到外坑連續墻上，因此，內外坑連續墻間距會直接影響坑中坑式基坑工程的變形穩定性。因基坑形狀不規則，計算時運用Plaxis 3D Foundation建立三維模型，西側外坑連續墻深度48 m，內基坑圍護結構為落深地連墻，落深段深度為35 m，內基坑寬度為24 m，外坑開挖深度為17.3 m，內基坑開挖深度為25 m，根據基坑開挖步驟，自然博物館基坑四道混凝土撐，分4層開挖；13號線明挖基坑兩道支撐，分兩層開挖。模型中土體采用硬化塑性模型（HS），地下連續墻采用墻單元（WALL）模擬，坑內支撐采用梁單元（BEAM）模擬，基坑底板采用地板單元（FLOOR）模擬[7]。

模型中各土層的計算參數按照表1取值，連續墻、內支撐的計算參數如表2，表3所示，自然博物館基坑底板厚度d=1.5m，軸向剛度EA=4.5×107kN。計算時完全模擬開挖步驟，模型如圖4所示。

圖4 模型三維網格圖Fig.4 3D mesh model

表2 模型連續墻計算參數Tab.2 Parameters of continuous model wall

表3 模型支撐計算參數Tab.3 Parameters of model support

4.2 計算結果分析

基坑西側保護等級最高，故西側連續墻變形為關注重點，提取西側內坑外坑地連墻間距分別為10，15，20，30，50 m處的結果（對應基坑位置如圖5所示），得到間距為15 m處每層開挖時地連墻的變形如圖6所示。可知開挖至外基坑底時，外坑地下連續墻的最大水平位移隨著開挖深度的增加而增加，且發生位置逐漸下移，最大水平位移出現在開挖面以下0～2 m的位置。當外坑開挖至-13.7 m和-17.3 m時最大水平位移增幅較大，分別達到了70.6%和34.6%。而內坑開挖對外坑地連墻的變形影響較小，開挖至內坑底時變形僅增長4.2%。

圖5 結果分析示意圖Fig.5 Result analysis schemes

圖6 開挖地連墻變形計算結果（15 m）Fig.6 Calculating results of excavating continuous wall（15 m）

內外坑連續墻間距為10，20，30，50 m時地下連續的最大水平位移變化規律與圖6相似，但最大水平位移量值有所變化。計算得不同地墻間距各開挖工況最大水平位移變化規律見圖7。由圖7可知，基坑開挖到外坑底時，當內外坑地連墻間距小于20 m時，外坑地下連續墻的最大水平位移隨地下連續墻間距的增大而增大，當內外坑地連墻間距大于20 m時，內外坑間距對外坑地下連續墻的最大位移影響不大；開挖至內坑底時，外坑地連墻變形增長很小。

圖7 連續墻最大水平位移隨內外坑間距變化曲線Fig.7 Curves of maximum horizontal displacement of continuous wall with the changing distance of internal and external pit

5 自然博物館坑中坑式基坑開挖實測分析

實際工程中地連墻水平位移監測點中的CX14，CX15，CX16，CX17和CX19五點（對應內外坑連續墻間距分別為9.5，14，21，27，48 m，圖4），根據現場監測數據整理各層開挖的地連墻實際水平位移變化如圖8所示。

圖8 現場監測連續墻實際水平位移Fig.8 Displacement of on-the-spot monitoring data

從實測連續墻變形圖中可得出以下結論：

1）變形隨著開挖的進行而逐漸增加，墻體的最大變形值位于基坑開挖面附近，這與軟土地區深基坑地連墻變形特征相一致[8]。

2）支撐施作完成位置連續墻的側向后續變形較小，這也是連續墻的一般變形規律。

3）開挖第3層土時，地下連續墻的變形增量較大，與前文數值分析結論一致，分析原因認為，第3層土主要為淤泥質粘土，土體強度低，壓縮性大，開挖產生的變形大。

4）數值模擬所得地連墻變形規律與實測數據較為吻合，數值模擬預測的連續墻變形結果對于控制工程安全是有利的，內坑開挖對外坑地連墻變形影響較小。圖9同樣反映出當內外坑間距大于20 m時，內外坑連續墻間距變化對外坑地連墻最大水平變形影響不大。

圖9 實測連續墻最大水平位移隨內外坑間距變化曲線Fig.9 Curves of maximum horizontal displacement of continuous wall with the changing distance of internal and external pit

6 結語

通過對自然博物館坑中坑式基坑工程中連續墻隨內外坑間距變化的開挖模擬計算，與實際監測數據相對比，可以得出如下結論：

1）數值模擬與實際工程監測得到的連續墻水平變形規律基本一致。

2）基坑開挖第3層土過程中地連墻水平變形較大，在施工中要嚴格遵循“分層、分塊、留土護壁、對稱限時開挖、快速支撐”的總原則，堅決貫徹先撐后挖，減少基坑無支撐的暴露時間，保證基坑施工及周圍環境的安全。

3）在本工程中，坑中坑內坑開挖對外坑地連墻水平變形影響較??；當內外坑間距小于20 m時，外坑地連墻最大水平變形隨內外坑連續墻間距增加而增大，但當內外坑間距大于20 m時，內外坑連續墻間距變化對外坑地連墻最大水平變形影響不大。

[1]上海市行業標準編寫組.上海地鐵基坑工程施工規程（SZ-08-2000）[S].上海，2000.

[2]劉國斌，王衛東.基坑工程手冊[M].北京：中國建筑工業出版社.2009：2-8.

[3]龔曉南.關于基坑工程的幾點思考[J].土木工程學報，2005，38（9）：99-108.

[4]潘衛成.坑中坑的支護及對大基坑支護的影響[C]//太原：第九屆全國地基處理學術討論會，2006：397-399.

[5]陳樂意，李鏡培，梁發云.坑中坑對基坑圍護結構水平位移影響數值分析[J].巖土工程學報，2008，30（S1）：59-61.

[6]申明亮，廖少明，周小華，等.坑中坑基坑應力場的參數化分析[J].巖土工程學報，2010，32（S2）：188-191.

[7]郭印，蘇強，楊靜，等.基坑開挖對相鄰建筑影響的三維有限元模擬分析[J].工程勘察，2010（S1）：252-256.

[8]王建華，徐中華，陳錦劍，等.上海軟土地區深基坑連續墻的變形特性淺析[J].地下空間與工程學報，2005，1（4）：485-489.