上海某賓館基坑工程監測分析

(上海市工程建設咨詢監理有限公司，上海 200043)

1 引言

近幾十年來，隨著我國經濟持續快速發展，上海地區的城市發展呈現出新的特點，城市人口過飽和、城市綠化面積減少、建筑物內部空間狹小、交通擁堵、土地資源緊張等[1]。今后在環境承載力下進行可持續的發展、倡導科學發展觀，向地下發展已成為將來城市發展的必經之路[2]。而地下空間的有效利用，如大規模城市綜合體的地下建筑、高層建筑的地下停車場、地鐵車站、大型排污排水設施、地下變電站等，其施工建設都涉及深基坑工程[3]。

目前，深基坑工程的工程應用越來越普遍，基坑面積及基坑開挖深度越來越大。因而上海區域的基坑工程的特征是“大、深、緊”[4]。基于上海地區基坑工程出現的特點，在城市基坑施工中，基坑工程常常緊鄰于大規模建(構)筑物、綜合管線、地鐵隧道和交通干道等市政工程，并且施工現場場地狹小，因而不僅需滿足基坑承載力和穩定性要求，還需對位移控制嚴格要求。基坑開挖的過程中存在著諸如外力、變形、土性等難以預料的因素，而城市深基坑工程常常是處于復雜的周邊環境中，周邊環境例如地下管線、地下通道、地鐵隧道、鄰近建(構)筑物等對于不均勻變形的抵抗能力是不盡相同的[4]。因而，基坑工程在復雜的周邊環境下施工對基坑工程的理論研究、設計與施工等方面提出了更高要求，并成為當前建筑行業亟待解決的課題。

目前，對基坑進行監測以便及時得到基坑情況并對基坑施工進行研究是一種可行的辦法。國內外學者通過監測基坑開挖過程中對圍護結構及周邊環境的影響做了大量的研究。在基坑周圍土體方面，Peck[6]在第七屆國際巖土力學與基礎工程會議上針對基坑開挖實測數據及其發展現狀首次發表了較為全面深入的報告，由其實測數據分析研究了坑底隆起、側向位移、地表沉降等內容，重點論述了基坑變形影響因素(土質條件、施工工況及其質量和開挖深度)。Lambe[7]通過對土體位移等基坑開挖影響因素以及基坑開挖實測數據對某地鐵隧道的多個基坑工程的圍護及支撐體系進行研究分析，得到一些結論。郭印等[8]通過某深基坑開挖實測數據研究了其支護樁在不同工況下的內力和變形特性，并對支護樁進行樁身彎矩、樁頂位移等試驗分析。分析結果表明基坑圍護結構的支護樁隨著開挖深度的增大而位置下移，并且最大彎矩值也隨之呈線性規律。在周圍建筑物方面，王衛東和徐中華[9]基于上海地區板式支護體系的基坑工程的地表沉降實測數據，提出預估墻后地表沉降的方法并驗證其可靠性，從而為復雜條件下基坑工程設計提供了一種預估基坑開挖對周邊建筑物影響的實用評估方法。在臨近的地下通道方面，況龍川[10]利用地鐵隧道監測數據及其開挖工況來研究影響隧道變形的不同因素，實測數據表明隧道在基坑一側有較為明顯位移，并且隧道斷面呈橢圓形狀的變形規律。蔣洪勝和侯學淵[11]根據對某鄰近地鐵隧道的深基坑開挖的監測數據以及基坑開挖對周圍土體擾動的理論分析，探討了不同影響因素下(隧道的水平移動、垂直沉降和隧道的橫向變形)基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響。

本文基于上海某賓館的現場實地施工監測數據，分析了施工過程中，基坑的圍護結構以及周圍管線等的變形規律，以期給類似的基坑施工提供一些建議。

2 工程背景

2.1 工程概況

本工程擬建場地位于上海市長寧區，西至中環線虹許路，南至延安路高架橋，北至虹橋路。基礎采用樁—筏基礎，地下室普遍區域底板面標高-8.250m，下沉院底板面標高為-11.250m，基礎底板厚均為800mm。墊層厚度均為150mm。基坑面積約為23 240m2，總延長米約為706m。基坑普遍區域挖深8.60m，下沉院區域基坑挖深11.60m。基坑普遍區域基底標高為-9.200m，下沉院區域基坑基底標高為-12.200m。

2.2 周邊環境

本工程擬建場地與周邊環境總圖見圖1，其中東側紅線外為新虹橋小別墅區，該側紅線外沿基坑邊線有3棟2層小別墅。南側紅線外為延安西路，其中西南角有1棟長寧區市政工程管理署3層混凝土結構辦公樓，南側紅線外延安西路上有煤氣管、配水管和信息管。西側紅線外為虹許路，其中虹許路與場地紅線之間有5棟2層的混凝土結構的辦公樓，虹許路下有中環北虹路地道，地道埋深約5.00m，地道邊距離基坑邊線的最近距離約為17.80m，另外虹許路下有燃氣管、配水管、信息管、電力管、雨水管、污水管和供電管等多種市政管線。北側西段紅線外為上海盲童學校教學樓，北側東段紅線外為虹莞別墅，該區域房屋為政府機關用房，施工時應重點保護，北側東段紅線外有雨水管、污水管經過。

圖1 場地與周邊環境圖

2.3 水文地質概況

擬建場地位于上海市長寧區，西至中環線虹許路，南至延安路高架橋，北至虹橋路。場地地貌應屬于上海地區四大地貌單元中的濱海平原相地貌類型。場地之前為上海新苑賓館及新虹橋小別墅區，場地內建筑已拆除，別墅區與賓館區域有圍墻隔離，區內有水泥路及多處有水泥地坪，場地內的樹木正在遷移，場地內尚有小型湖泊存在； 總體而言，除湖泊地區外擬建場地地勢較為平整，實測勘探點的地面標高在4.21～3.48m之間，高差0.73m。

根據勘察資料，擬建場地自地表以下45.38m 深度范圍內為屬第四系河口、濱海、淺海、沼澤相沉積層，主要由飽和粘性土、粉性土以及砂土組成，具有成層分布特點。按其沉積年代、成因類型及其物理力學性質的差異可劃分為6個主要層次。自上而下依次為： 1)雜填土；2)粉質粘土和粘質粉土；3)淤泥質粉質粘土；4)淤泥質粘土；5)粉質粘土；6)中粗砂和粉細砂。表1給出了基坑影響范圍內各土層物理力學性質指標。

2.4 基坑支護選型

深基坑工程一般采用板式支護體系。根據挖深可采用一定樁徑的鉆孔灌注樁作為圍護樁，外圍設置一排水泥土攪拌樁止水帷幕(如圖2)，灌注樁樁頂設置壓頂梁，坑內設置兩道水平混凝土支撐，被動區加固方案為雙軸水泥土攪拌樁暗墩加固。鉆孔灌注樁結合止水帷幕作為一種成熟的工法，圍護結構剛度較大，樁長、樁徑的選擇和布置形式等較為靈活，且隨著時間的增長，樁身強度不斷增長。

表1 基坑影響范圍內各土層物理力學性質參數

土層序號土層重度(kN/m3)滲透系數(cm/·s)粘聚力C(kpa)內摩擦角①雜填土18.0/218°②1褐黃色粘土19.05.0×10-73215.5°②2灰黃色粘土17.85.0×10-71815.0°③灰色淤泥質粉質粘土17.36.5×10-61215.5°④灰色淤泥質黏土171.6×10-61212.0°⑤1-1灰色粘土17.51.9×10-61512.5°⑤2灰色粉砂夾粉質粘土18.44×10-4332.5°⑤3-1灰色粉質粘土夾粉砂18.04.2×10-51421.5°

圖2 鉆孔灌注樁結合止水帷幕平面示意圖

圖3 基坑測點布置平面圖(部分)

3 監測方案

本工程的基坑監測內容包括基坑圍護結構和周邊環境。具體的監測內容有：深層土體水平位移監測； 基坑外地下水位監測； 支撐軸力監測； 圍護樁體沉降監測； 坑外地表、道路沉降監測； 管線水平監測； 臨近建筑物沉降等。

本工程的主要監測點(部分)布置見圖3。基于施工規劃，將施工分為以下幾個工況：

(1)工況1：第1級基坑開挖，開挖表層土1m，加設第一道水平支撐；

(2)工況2：第2級基坑開挖，開挖第二層土體4.2m，加設第二道水平支撐；

(3)工況3：第3級基坑開挖，開挖第三層土體3.4m，加設底板；

(4)工況4：第4級基坑開挖，開挖下沉院土體3m，加設底板。

4 實測結果分析

鑒于監測結果眾多，本文僅選取其中幾種監測類型進行分析。并且每種類型選取有代表性的部分測點來分析其在基坑施工期間的變化規律。

4.1 土體深層水平位移

土體深層水平位移由標號CX系列點測得，本節選取了一些具有代表性的點CX2、CX8、CX11來分析施工過程中土體深層水平位移的變化。以下圖4～6為各點土體深層水平位移變化圖。

圖4為測點CX2在不同階段的土體深層水平位移變化圖。由圖中可以看出，在工況1時，水平位移在深度為6.5m左右的位置，最大值約為6.89mm。在工況2時，繼續挖下一層土體，對土體擾動加大，土體水平位移明顯增大，最大水平位移大概在深度7m左右，最大值為11.8mm。工況1與工況2的差距較大，最大水平位移相差接近5mm。在工況3時，土體的深層水平位移繼續增大，最大值為14.42mm，最大值所在深度為7.5m。最后的工況4時，繼續挖土，土體擾動持續增大，曲線明顯增大，最大位移值達到22.49mm，此值的深度在大概9m。總體來說，土體深層水平位移的最大值隨著施工階段的不斷進行，逐漸增大，而且，最大值所在深度也隨著進程不斷有下移的趨勢。

圖4 測點CX2在不同施工階段水平位移圖

圖5 測點CX8在不同施工階段水平位移圖

圖5為測點CX8在不同施工階段的深層土體水平位移變化規律。從圖中可以看出，在工況1，由于挖土施工過程的擾動，土體的水平位移值最大值為3.93mm，最大值所處深度為6.5m左右。工況2繼續進行挖土施工，對土體擾動較大，土體水平位移值相比上一階段顯著增大，其最大水平位移大概在深度7m處，最大的位移值為11.32mm，約為工況1的2倍。在工況3時，土體深層水平位移進一步增大，為13.99mm，最大值深度為也在7.5m左右。最后的工況4時，土體仍被開挖，土體深層水平位移最大值繼續增大至19.54mm，深度為8m。總的來說，深層土體水平位移值一直都在增大，其所處深度也隨著施工進程不斷加深，而且，測點CX8與測點CX2的規律基本相同，曲線樣式也都基本一致。

圖6為測點CX11的位移圖，測點CX11與前兩圖的基本規律等大體相似，此處不再贅述。在工況1 時，深層土體最大位移為7.69mm，在7m處； 工況2時，最大位移是12.8mm，也是在7m處； 工況3時則是在15.6mm，在地下7.5m處； 最后的工況4最大位移是20.26mm，在8m處。總體來說也是最大位移在不斷增大，且深度在下降。

圖6 測點CX11在不同施工階段水平位移圖

以上3個典型測點反映了基坑不同位置的深層土體水平位移的變化規律。綜合圖4-圖6，總的來說，各點的最大水平位移的位置都隨著施工的不斷推進而有著下移的趨勢，一般在7～10m左右的位置。各點在土體施工的階段，由于挖土施工，位移值都比較大，且各個階段之間的差值也較大。從各圖中可以看出，土體位移—深度曲線均為“大肚子”形狀。

4.2 支撐軸力變化

圖7和圖8分別是第一道支撐和第二道支撐的軸力變化規律。每道支撐分別選取了一些典型的測點來進行分析。

第一道支撐的軸力總體上是隨著施工進程不斷增大的。隨著土體被挖去，這個基坑就依靠支撐來圍護，此時，支撐的軸力迅速增大。而后，在第二道支撐施工時，第一道支撐的軸力被分擔，因此增長較為平緩。在后續施工中，隨著土體被挖去，軸力繼續增大，直到基坑挖土施工結束。

當土體挖到第二層時，基坑第二道支撐就架設起來了。第二道支撐分擔了一部分第一道支撐的軸力，且其軸力迅速增長，并且達到了較大的水平。隨著土體后續的開挖，加設了底板，支撐的軸力增長速度放緩，但是一直在穩步增長。

圖7 第一道支撐軸力變化

圖8 第二道支撐軸力變化

4.3 地面沉降

地面沉降的監測選取了幾個具有代表性的測點的監測數據來進行分析。由圖9可以看出，隨著施工進程的不斷進行，土體越挖越深，基坑周圍土體下沉，地面的沉降值也越來越大。由于測點D3更接近基坑，所以，地面的沉降值相對比較小。隨著最后土體被挖完，各測點的沉降都趨于穩定，大概在9mm。

4.4 管線沉降

鑒于基坑周圍管線眾多，且分布較雜，本節選取信息管線監測數據進行分析，探討其位移變化規律。選取其具有代表性的測點數據進行分析。其中，正值代表隆起，負值代表下沉。

從圖10可以看出，在施工階段，管線的位移隨著施工進程而不斷加大，且最后都表現為沉降。各測點的變化規律和最后的沉降值都差不多，最后都穩定在9mm左右。可在挖土過程中，因為土體被挖，周圍土體向基坑移動，管線的沉降值下降迅速。

圖9 地面沉降變化

圖10 信息管線沉降變化

5 結論

本文基于上海某賓館基坑的實地施工監測數據，分析了在復雜施工個環境下基坑的圍護結構以及周邊環境等的變化規律，得到以下結論：

(1)土體的深層水平位移曲線表現為“大肚子”的形式。隨著施工工況的進行，土體深層水平位移也在不斷增大，并且最大深度所處位置也在不斷下降，具有明顯的時空效應。

(2)支撐軸力在施工進程中一直以較快的速度增長。加設的第二道支撐有效地分擔了第一道支撐的軸力。后續底板的施工，也使得支撐軸力的增長速度放緩，直至施工結束。

(3)基坑周圍地面沉降以及管線位移都是隨著基坑挖土的進行而不斷而增大，且都表現為下沉。這是因為基坑挖土后，坑邊土體相應塌陷，附近地面和管線均表現為下沉。