復雜環境條件下的群坑開挖技術與基坑變形分析

凌 晨

1. 上海建工二建集團有限公司 上海 200080；2. 上海建筑工程逆作法工程技術研究中心 上海 200080

1 研究方向

隨著城市功能的擴展、軌道交通的迅速發展、中心城區用地逐漸減少，組合多種城市功能的區域性超大型基坑越來越多，且這些基坑往往與軌交基坑伴生或上下套疊。基坑開挖會導致地層移動，從而使得周邊的建筑物以及地面道路發生附加變形，當附加變形過大時，會引起結構的開裂和破壞。群坑工程中此問題更加突出，因為不同部位基坑的開挖分別引起周邊多層地層的移動，周邊建（構）筑物、道路等要受到多次移動的疊加作用，這樣開挖引起的環境耦合效應使得周邊環境保護的問題更加突出。群坑的安全隱患主要存在于基坑內部后開挖基坑對先開挖基坑的內部環境的影響，以及兩部分基坑共同對外部環境的影響。對內影響主要為對圍護結構、支撐體系的影響，而對外影響主要為土體的沉降變形以及差異沉降對周邊建（構）筑物的影響。通過對比分析，不難發現基坑及周邊環境變形與群坑間距成反比，與基坑開挖深度成正比[1,2]。

2 工程介紹

2.1 工程一：上海自然博物館綜合體工程

2.1.1 工程概況

上海自然博物館綜合體工程包括自然博物館工程、軌交13號線1期9標段自然博物館站工程、靜安60#地塊工程3個大型工程。自然博物館工程位于整個場區南側，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13 m。

周邊建筑物離基坑最近處為10m，且存在大量地下管線，周邊環境復雜。軌交13號線自然博物館站南端頭井嵌套于自然博物館南側外墻，即自然博物館外墻在車站南端頭井中穿越。該工程與軌交工程共建，軌交13號線自然博物館站區間段在自然博物館大基坑底板下方，南北向穿越。靜安60#地塊基坑與自然博物館基坑僅隔著一條山海關路，間距在20～30 m之間。

2.1.2 圍護概況

工程樁基均采用鉆孔灌注樁，基坑圍護采用厚1 000 mm、厚800 mm的“兩墻合一”地下連續墻作為主體結構地下室外墻的一部分。工程局部圍護墻邊的加固采用φ850 mm的SMW三軸攪拌樁，局部深坑的加固采用高壓旋噴樁，基坑支撐采用豎向4道鋼筋混凝土支撐體系。

2.1.3 基坑施工流程

由于整個軌交區間基坑全部包含在自然博物館工程的大基坑中，車站南段與自然博物館同期施工，因此，相鄰基坑施工需根據挖深及基坑面積等因素先后進行施工。根據現場實際施工情況，車站南段基坑與自然博物館基坑圍護體系可視為共坑開挖，按共坑同時進行支撐設置，2個基坑開挖時，需相對平衡地進行開挖，每層開挖的時間必須嚴格保持同步。同時，在車站南段與自然博物館基坑開挖過程中，2個基坑之間的分隔地下連續墻隨現場挖土進度同步進行鑿除。位于自然博物館下部的明挖區間待自然博物館基坑挖至底板底后再進行支撐施工及挖土施工作業，與車站南段同步進行（圖1）。

圖1 上海自然博物館群坑施工劃分及施工順序示意

2.2 工程二：上海外灘國際金融服務中心項目

2.2.1 工程概況

上海外灘國際金融服務中心項目位于黃浦區繁華地段，共有南、北2個地塊，楓涇路將整個地塊一分為二。總用地面積為45 471.90 m2，其中南區基坑總面積21 899 m2，總周長572 m。南區總建筑面積為279 000 m2。

工程四周以道路和歷史建筑為主。道路下有較多的地下管線，基地紅線距離周邊道路、地下管線均較近。基地西側為城隍廟老建筑，本工程基坑北側與北地塊基坑連通，基地東側中山東二路下為外灘地下通道和地下空間。南、北區地塊之間的間距為26 m（圖2）。

圖2 上海外灘國際金融服務中心項目平面示意

2.2.2 圍護概況

工程采用順作法施工。工程樁采用鉆孔灌注樁，采用厚1 000 mm的“兩墻合一”地下連續墻作為基坑圍護體，地下連續墻兩側采用三軸水泥土攪拌樁進行槽壁加固，坑內被動區采用三軸水泥土攪拌樁加固。基坑大面挖深21.30 m，局部深坑達27 m，基坑內設置5道鋼筋混凝土水平支撐體系。

2.2.3 基坑施工流程

整個項目南地塊工程與北地塊工程同步進行土方開挖，對人民路的交通將產生非常大的影響，兩側基坑同時進行土方開挖，對基坑也有不利影響。為確保基坑安全，平衡南、北基坑施工進度，應對南、北2個基坑工程做好施工協調，使南、北基坑施工進度不超過1層土方開挖。待南、北基坑地下結構完成后，再施工中間人行和車行通道。根據施工進度計劃，南、北2個基坑同時進行土方開挖，預計高峰時段日均出土3 000 m3，整個工期非常緊，因此在施工過程中將與北區進行協調，合理出土并盡量往東門路出土，以保證基坑安全穩定[3-5]。

2.3 工程三：上海黃浦區596街坊商辦用房項目

2.3.1 工程概況

上海黃浦區596街坊商辦用房項目，工程總占地面積為118 66.70 m2。工程中部下方為軌交9號線區間隧道，南側為復興東路，道路下方為復興東路隧道。S1-B、S2-B基坑邊線距運營中的軌交9號線區間隧道約8 m，該隧道頂部埋深距地面25 m，φ6.50 m，且S1、S2兩個基坑的連通道在隧道上方穿越。S2-A北側距離復興東路隧道約8 m，該隧道頂部埋深在26～31 m，φ11 m。工程共分為南、北4個基坑，南北兩大基坑間距約36 m（圖3）。

圖3 上海市黃浦區596地塊棧橋平面布置

2.3.2 圍護概況

工程基坑分為S1和S2兩個大基坑，采用明挖順作法進行施工，待S1、S2基坑地下結構施工完成后進行2個連通道基坑的開挖。工程樁采用鉆孔灌注樁，基坑采用“兩墻合一”地下連續墻，地下連續墻成槽前采用三軸水泥土攪拌樁進行槽壁加固，連通道基坑周邊圍護體采用鉆孔灌注樁結合外側單排三軸水泥土攪拌樁止水帷幕。S1基坑普通區域挖深17.50 m，局部深坑挖深20.80 m；S2基坑普通區域挖深17.65 m，局部深坑挖深21.25 m。基坑內豎向設置5道支撐體系，第1道為混凝土支撐，第2～5道為鋼支撐。

2.3.3 基坑施工流程

工程基坑分S1、S2兩個基坑，以及東側、西側連通道。其中S1基坑面積約為4 600 m2，S2基坑面積約為3 200 m2，考慮到對軌交區間的保護，將S1基坑分為S1-A（面積3 690 m2）和S1-B（面積903 m2），S2基坑分為S2-A（面積2 244 m2）和S2-B（面積869 m2）。按照先大坑后小坑的順序來實施，基坑施工先開挖S1-A區，第2道支撐全部形成并達到設計強度的80%后再開挖S2-A區；待S1-A和S2-A區地下室結構施工至±0.00 m后，再施工鄰近軌交9號線和復興東路隧道的S1-B、S2-B區。S1-B和S2-B區基坑開挖同樣要求錯開施工，即：待S1-B區第3道支撐全部形成后，再開挖S2-B區。S1和S2基坑地下結構施工完成后進行2個連通道基坑的開挖。

3 變形數據分析

3.1 上海自然博物館綜合體工程

地下連續墻墻體測斜：測點CX1有最大累計變化值，數值為29.46 mm。

地下連續墻墻體垂直水平位移：測點W1有最大累計變化值，數值為8.77 mm，其他測點累計變化值相對較小，沒有突變情況。

坑外土體分層沉降管：測點TX10有最大累計變化值，數值為19.88 mm，其他測點累計變化值相對較小，無突變情況。基坑及周邊管線測點布設如圖4所示。

圖4 上海自然博物館基坑及周邊管線測點布設

3.2 上海外灘國際金融服務中心項目

地下連續墻墻體測斜累計最大值在CX37點，累計位移為53.90 mm。處于中山東一路上的管線沉降測點DL26的累計最大值為45.40 mm。東門路側大門口地表沉降點的累計最大值為64.00 mm（圖5）。

圖5 上海外灘金融中心部分監測點平面布置

3.3 上海黃浦區596街坊商辦用房項目

地下連續墻墻體測斜累計最大值為24.13 m，土體沉降變形累計最大值為26.37 m，地表變形累計最大值為36.50 m，上水管線變形累計最大值為25.82 m，天橋沉降變形累計最大值為39.39 mm。

4 結語

基坑群與軌交共建等形式的復合群坑整合了整個城市地區的地下空間，使得各地下空間的功能和效用呈幾何級數增長，帶動了區域的協調發展。但由于工程本身無論是體量還是技術難度都是普通單坑工程無法比擬的，對基坑自身安全及對周邊環境影響的控制也十分重要。通過對3個已成功實踐項目的變形數據進行比較，發現群坑的間距、挖土深度與基坑變形量間存在著一定的關聯性。當群坑間距越小、挖土深度越深，基坑變形量就越大；而當基坑間距達到挖土深度3倍及以上的坑距時，基坑圍護的側向變形、周邊土體沉降、管線沉降等變化則較小，基坑變形較為穩定。通過土方開挖優化，輔以降水、監測控制，可確保群坑施工的安全。通過收集多個群坑工程的相關數據，對這一分析進行了很好的補充，為今后同類工程的發展建設提供了參考和借鑒[6,7]。