緊鄰防汛墻基坑防汛安全影響研究

郝眩明

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

0 引言

隨著上海經濟的迅速發展，上海市城區內地下建筑物的數量逐漸增加，規模也逐步增大。在此情況下，地下基坑的開挖對于河道防汛墻的安全將造成影響，從而也引出了一個必須考慮的防汛安全問題。因此，合理地預測和評估基坑開挖對河道防汛墻的影響顯得尤為重要，隨著上海“十二五”期間的發展和“四個中心”的建設，該課題的研究必將成為城市建設中迫切需要解決的重大工程問題。

近年來，隨著經濟的持續快速發展、人口的膨脹和汽車的普及，上海的生活密度越來越大，為了充分利用不可再生的土地資料，房屋之間的間距越來越小，直接連通、共用一片場地的工程也屢見不鮮。同時，地下空間越來越受到重視并得到了充分的開發。由此產生了新的工程問題，即在復雜的周邊環境條件下，在原有無樁建筑旁邊進行新的工程建設，深度較原建筑更深，并與原建筑直接連通的基坑工程設計和施工問題。如何在復雜條件下確保原建筑和新基坑工程的安全，對基坑的設計、施工和管理提出了較高要求。處理好上述問題，可以起到節約土地、保護環境、方便人們生活等作用。

1 工程概況

南濱江三角綠地綜合改造工程由于地處陸家嘴核心區域，東邊面臨正大廣場與香格里拉酒店，西面為南濱江公園，北起陸家嘴西路，南接東昌路（見圖1）?？傆玫孛娣e41500 m2，總建筑面積14470 m2，其中地下車庫及商業配套用房建筑面積14275 m2。該地下地下車庫為地下一層，地上一層，結構體系為無梁樓蓋+柱帽體系。該工程利用自重抗浮，不設抗拔樁。

圖1 工程地理位置圖

擬建場區地勢較為平坦，標高在4.00 m左右?；娱_挖前對場地表層土進行整平后絕對標高3.10 m，基礎底板頂面絕對標高為-0.60 m，底板厚0.9 m，基底設置200 mm厚度墊層，則其基坑開挖深度為4.80 m。

該項目基坑圍護墻體周長約435 m，基地開挖面積約8635 m2，基坑開挖深度4.80 m，故該基坑定義為三級基坑。考慮到該項目西面與富都世界一期車庫（即黃浦江大道段的箱體防汛墻結構）的距離較近，并且車道下有一Φ2200雨水總管在兩倍開挖深度范圍內，故該基坑環境保護等級定為二級基坑（見圖2）。

圖2 工程環境剖面圖

2 地質水文情況

擬建場區位置屬濱海平原類型。土層自上而下可劃分為四大層及四個亞層，其中①1層為填土，②層～⑤層為全新世Q4沉積層。擬建場區①1層為填土，成分復雜，主要為粘性土，夾少量粉性土，含有較多的碎石、碎磚、煤渣等建筑垃圾；②層以粘質粉土為主，上部夾粘性土，場區中均有分布，厚度較多；其中②0T層為淤泥質粉質粘土，場地內局部分布，流塑為主，高壓縮性，土質較差；②0層為粘質粉土，局部夾砂質粉土，土質松散、基本不成形、中壓縮性；④2層為砂質粉土，局部夾粘質粉土，場區內均有分布，厚度有一定變化，稍密、中壓縮性，土質較好；；⑤層可分為二個亞層，其中⑤1層為粉質粘土，軟塑為主，高壓縮性，土質一般；⑤3層為粉質粘土，軟塑、高壓縮性，土質相對稍好（見表1）。

表1 地基土特性表

根據勘察結果，地下穩定水位埋深為0.9～2.45 m（標高3.10～1.47 m）。設計時按均水位埋深0.5 m采用。

3 工程難點

該工程西側臨濱江公園和黃浦江，環境條件比較復雜，主要表現為：

（1）工程西側為濱江公園，該段黃浦江的箱體防汛墻結構兼做濱江公園停車庫。箱體結構的東側（即擬建車庫所在側）為敞開汽車坡道，寬約9.0m。將來工程施工時將對箱體結構的開敞車道擋土墻及排水系統進行改造處理，并連通新老兩建筑的地下室。新工程基坑挖深約4.8 m，比防汛墻箱體結構車庫底板底標高還要低2.35 m。

（2）濱江公園的西面是黃浦江，離開該工程基坑邊距離僅60 m，黃浦江設計高水位5.86 m，設計低水位0.69 m，常年平均高潮位3.35 m。其中設計高水位高出該基坑底標高7.56 m，即使是常年平均高潮位也要高出該基坑底標高5.05 m。基坑內外水位差較大，而基坑西側圍護卻因為要與防汛墻箱體結構連通而施工困難。

（3）防汛墻箱體結構的車道為敞開結構，主要靠底板自重、擋土墻自重和底板挑腳上部壓土來抗浮，詳見圖3所示。但是由于擬建車庫與箱體結構之間要連通，導致擬建車庫基坑圍護墻體和止水帷幕必須得在箱體結構車道內部施工，鑿除車道擋土墻和部分底板后，車道抗浮計算無法滿足。圖4為防汛墻體結構老車道實景。

圖3 防汛墻箱體結構現狀剖面圖（單位：mm）

圖4 黃浦江防汛墻箱體結構老車道實景

（4）基坑開挖將卸載防汛墻東側的土壓力，而西側的土體壓力將導致防汛墻箱體結構兩邊土壓力不平衡。同時由于地下水的緣故，防汛墻底板與土之間的摩阻力較小，將難以抵擋防汛墻西側的土壓力，故該防汛墻在兩側土壓力不平衡的情況下有往擬建車庫基坑移動的趨勢，將導致原防汛墻位移進一步增大，乃至滑移破壞。

（5）箱體結構老車道下有一Φ2200雨水總管，離開擬建基坑邊線最小距離約為7.0 m，該雨水管在陸家嘴區域起著至關重要的作用，一旦發生損壞，不但影響到陸家嘴金融區的排水，而且由于管線埋于車道底板下，維修將非常困難。

綜上所述，因緊挨黃浦江防汛墻箱體結構，擬建地下空間工程西側環境復雜、保護等級高，牽涉到的內容廣、多、雜，尤其是基坑西側防汛墻箱體結構的保護、車道下雨水總管的保護、老車道與擬建工程地下室的連通改造，以及抗浮問題，均是該工程基坑該側圍護結構設計的難點。

4 基坑設計

4.1 圍護介紹

基坑北側、東側和南側三面圍護墻采用4.7 m厚Φ700@500水泥攪拌樁重力壩的圍護形式，水泥摻量為13%。圍護頂部按1:2放坡，放坡高度為0.5 m，重力壩頂施工鋼筋混凝土面板。壩體頂標高2.60 m，底標高-8.20 m?？紤]到防汛墻空箱結構處老車道擋土墻在基坑開挖過程中將被拆除，基坑西側與老車道共同改造處采取在車道底板下貼近擋土墻位置縱向施工一排咬合型旋挖樁，旋挖樁樁頂與老車道底板進行有效連接，旋挖樁兼作擋土、止水和抗拔作用。

由于地下室有較多集水井需要超深度開挖，對貼邊集水井周圍進行攪拌樁加固并進行坑底壓密注漿封底，對基坑中間集水井及電梯井周圍進行攪拌樁加固。采用Φ700@500雙軸水泥土攪拌樁，水泥摻量為15%。

圖5為基坑平面布置圖，圖6為防汛墻空箱結構車道側咬合樁圍護示意圖。

圖5 基坑平面布置圖（單位：mm）

圖6 防汛墻空箱結構車道側咬合樁圍護示意圖（單位：mm）

4.2 圍護計算

為了較準確地預測基坑工程開挖引起已建西側防汛墻空箱結構的附加變形，采用通用有限元分析軟件MIDAS進行基坑開挖過程的有限元數值模擬，取西側圍護剖面進行彈塑性有限元計算，預測基坑開挖卸載對周邊環境的附加變形。

計算過程如下：

土體采用Hardening Soil model模型，該模型在巖土工程中應用較多。計算中不同分層土體的重度、粘聚力、摩擦角等參數由勘察報告提供，彈性模量則根據大量類似工程的監測數據反演得到。計算中考慮荷載為：西側防汛墻空箱結構頂板及車道地面荷載為5 kN/m2。采用彈塑性無厚度Goodman接觸面單元模擬土體和建筑底板、旋挖樁之間的相互作用。計算區域為：深度取至足夠深度，為地表以下25 m?；悠拭嬗嬎銓挾葹?0 m；基坑外計算范圍為65 m。水平向為X向，豎直向為Y向，且對X邊界施加X向位移約束，Y邊界施加Y向約束。采用等三角形六節點平面單元模擬土體。計算水位考慮最不利工況，取地下水位最大值。即與地面標高相同。

計算模型見圖7～圖10所示。

圖7 計算土體初始應力場圖示

圖8 開挖土體至基底網格

圖9 開挖至基底水平變形云圖

圖10 開挖至基底豎向變形云圖

經計算，黃浦江防汛墻箱體結構水平位移最大值為25.2 mm，豎向位移最大值為23.5 mm。根據《上海市地下公共工程建設防汛影響專項論證報告編制導則》，對一級防汛工程設施，墻頂位移不得大于2 cm，二級防汛工程設施，墻頂位移不得大于4 cm。市區段黃浦江防汛墻均屬一級防汛設施，因此墻頂位移不得大于20 mm，目前計算值已經超出理論允許值，但是在理論計算時考慮的是最不利水位（水頭高度取與地面高程一致），同時未考慮抽條開挖、空間作用效應等有利因素，實際計算值應為最不利值，應將實際工程的監測結果與計算值進行對比，校核計算結果的置信度。

圖11、圖12為工程施工現場實景。

5 監測結果分析

在該工程的監測過程中，沿基坑西側黃浦江防汛墻箱體結構墻頂的監測點共有10個，分別是C1點～C10點，見圖13所示。

圖11 咬合樁施工前準備實景

圖12 箱體結構車道處施工實景

圖13 邊環境監測點布置示意圖

將基坑施工期間防汛墻墻頂的垂直、水平位移監測值匯總整理情況見圖14、圖15所示。

圖14 防汛墻墻頂各監測點的垂直位移變形圖

圖15 防汛墻墻頂各監測點的水平位移變形圖

結合基坑施工的各階段工況：

9月17日～9月28日，施做基坑東側、南側、北側攪拌樁；

9月29日～11月3日，施工搬遷防汛墻機動車道下污水管，施做車道下高壓旋噴樁；

11月4日～12月4日，基坑進行分區域開挖并降水，并分區域綁扎底板鋼筋澆筑；

12月5日，底板全部澆筑完畢。

從圖14可看出，防汛墻墻頂的垂直位移變化趨勢基本隨著施工階段分為三個階段。第一階段：在施做基坑東側、南側、北側攪拌樁墻體期間，防汛墻墻頂位移隨著施工過程逐漸變大，至10 mm左右；第二階段，在防汛墻機動車道處施工時，垂直位移變化基本穩定；第三階段，基坑進行分區域開挖及降水，位移繼續增大至約20 mm，在底板混凝土全部澆搗完畢之前，垂直位移不斷增大，直至底板澆筑完畢，垂直位移變化曲線有收斂趨勢。其中，垂直位移監測值最大值于12月1日出現在C4監測點，最大值為-18.9 mm。

防汛墻墻頂的水平位移變化曲線較垂直位移變化曲線相對平和，但也大致可以看出有三階段的趨勢，水平位移的最大值于11月20日C2點，最大值6 mm。

分析圖16、圖17中防汛墻墻頂各監測點縱向的垂直、水平位移曲線的特點，呈現基坑南北兩端小、中間波浪形變化的特點。這與實際施工過程中采取了分塊、抽條開挖的措施是緊密相關的。由于基坑開挖是東西向、垂直于防汛墻分條開挖，在先期開挖的基坑南側，變形值較大，在后開挖的基坑北側，變形相對較小。并且垂直、水平變形曲線的趨勢基本一致。

圖16 防汛墻墻頂各監測點縱向垂直位移曲線圖

圖17 防汛墻墻頂各監測點縱向水平位移曲線圖

經綜合上述的位移變化情況，可見，防汛墻的實際最大垂直、水平位移變形均未超過允許值20 mm，同時小于計算值（垂直位移23.5 mm、水平位移25.2 mm）。主要原因可能如下：

（1）基坑施工時間為9月下旬至12月份，該段時間為枯水期，因此地面水位較低，防汛墻受到的水土作用力較小，因此實際沉降值小于計算值；

（2）土方開挖是分段分塊抽條開挖，由于合理的施工順序及施工措施，以及基坑的空間效應，將變形曲線的沉降槽由理論上的拋物線型改變為實際的波浪形，從而減小了基坑的實際變形。

6 結語

最終得出結論，有限元的計算模型可以相對較好地模擬防汛墻受基坑影響所產生的變形，根據最不利條件計算產生的最大變形值基本可以預測防汛墻的實際變化情況；經過采取合理的施工步驟和施工措施，可以有效地減少基坑開挖對防汛墻產生的影響。因此在實際工程中，防汛墻產生的實際變形較小，滿足規范要求，同時未發生墻體變形開裂等損壞情況。

[1]JGJ 120-99，建筑基坑支護技術規程.[S].

[2]DBJ08-61-97，基坑工程設計規程.[S].

[3]龔曉南,等.深基坑工程設計施工手冊[M].北京：中國建筑工業出版社,1998.

[4]曾遠，李志高，王毅斌.基坑開挖對鄰近地鐵車站影響因素研究[J].地下空間與工程學報，2005，8(4)：642-645.