復合群坑與城市地下通道同步開發的風險控制研究

閆 威

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

隨著城市建設的持續發展，越來越多的大型開發項目建設需要伴隨著周邊城市地下道路施工一同進行。基坑開挖過程不僅涉及群坑之間存在的明顯耦合作用，還需要綜合考慮對城市地下道路開發的影響。復興地塊辦公用房項目為群坑施工，緊鄰黃浦江，周邊存在道路下管線及城市道路開發工程，環境復雜。文章以此群坑施工為研究對象，介紹了外灘濱江環境下復合群坑與城市地下道路同步開發風險控制技術[1-2]。

1 工程概況

1.1 基坑布置及周邊城市道路概括

復興地塊辦公用房項目位于上海市外灘區域，北至新碼頭街，南至公義碼頭街，西至中山南路，東鄰外馬路，為狹長形基坑，南北長367 m，東西寬89～115 m，總占地面積33 680.2 m2，基坑開挖面積30 000 m2。基坑分為Ⅰ-1區、Ⅰ-2區及Ⅱ區共3個區。圍護體系采用地下連續墻，其中，四周地下連續墻厚1 000 mm，深46.1 m，中隔墻厚800 mm，深36.9 m。基坑東側距離黃浦江85～91 m，基坑西側為城市道路開發工程，工程第1階段施工區域距離基坑約20 m（圖1）。

緊鄰基坑西側為城市道路開發工程（圖2）。城市道路工程的開發共分2個階段，其中第1階段施工區域的2層深基坑（－15.4 m）與本項目基坑的施工在時間軸上有交叉。本項目基坑與城市道路開發工程第1階段施工區域間預留有寬約20 m的城市道路，其下方有壓力管，分別是φ300 mm的給水管及φ300 mm的燃氣管，材質均為鑄鐵管。

圖1 基坑平面示意

圖2 項目與城市道路開發工程剖面關系

地下室基坑共3層，設4道混凝土支撐。基坑對應主樓區域挖深18.8 m，普遍區域18.5 m，局部深坑22.6 m。城市道路普遍區域挖深14.5 m。圍護設計概況見表1。

表1 支撐概況

1.2 工程地質條件

場地距離黃浦江較近，淺部分布有第①3層黏質粉土（江灘土），層頂埋深1.5～6.1 m。江灘土土質松散，在水動力等外力作用下易產生流沙及管涌等不良地質現象。影響深度范圍到第3道支撐標高。深部受古河道切割，場地西部和東北角缺失第⑥層，沉積了一定厚度的⑤3層土。

1.3 地下水

上海地區淺層地下水屬潛水，主要補給來源為大氣降水及地表徑流，埋深一般為地表下0.30～1.50 m，黃浦江最高潮水位在5.70 m，實測地下水靜止水位埋深在1.00～3.30 m之間，相應絕對高程為3.13～0.83 m。

場地內承壓水主要為深部第⑦、⑨層承壓含水層，承壓水水位呈周期性變化，水位埋深3.0～12.0 m。第⑦層層頂最淺埋深28.1 m。下部第⑨層承壓水對本工程基坑沒有直接影響。

2 基坑潛在施工風險分析

2.1 群坑耦合作用可能引起基坑失穩

為了減小大面積卸載對周圍環境的影響，本工程基坑采取了分坑措施進行地下結構施工，即Ⅰ-1、Ⅰ-2區先施工，Ⅱ區后施工。Ⅰ-1、Ⅰ-2區開挖過程中，Ⅱ區土體形態類似孤島。由于Ⅰ-1、Ⅰ-2區2個基坑工程量相差較大，Ⅰ-1施工進度可能滯后于Ⅰ-2區。此時，兩側土體的高差會引起堆載效應，產生較大的水平土壓力（圖3），可能引起基坑失穩。

圖3 土體高差引起的堆載效應

2.2 基坑開挖可能導致附近管線破壞

本工程基坑與鄰近城市道路開發工程施工區域之間存在壓力管，分別是φ300 mm的給水管及φ300 mm的燃氣管，材質均為鑄鐵管。基坑施工可能對管道產生不利影響。

2.3 潮汐水位對基坑降水的影響

本工程基坑開挖深度較深，降⑦層承壓水時，黃浦江潮汐水位可能會對基坑降水造成不利影響。

3 基坑施工風險的解決方案

3.1 控制群坑之間開挖深度差以減少主動土壓力

在施工過程中，Ⅰ-1、Ⅰ-2區基坑開挖采用盆式開挖，一般情況下距各自中隔墻15～20 m范圍內土方，為各自區域最后開挖，同時采用對稱開挖。另外，應確保Ⅰ-2區基坑與Ⅰ-1區基坑的最大高度差為1道支撐距離，以減少Ⅱ區兩側基坑土體的主動土壓力差。

為了確保基坑在上述開挖過程中的穩定性，使用通用有限元軟件ANSYS對開挖過程進行模擬分析，開挖過程中Ⅰ-2區基坑與Ⅰ-1區基坑的高度差為1道支撐距離。計算模型中，土體和地下連續墻采用平面應力單元模擬，支撐采用桿單元模擬。土體采用Drucker-Prager理想彈塑性本構模型，地下連續墻和支撐假設為線彈性材料。為了真實地模擬支撐結構和土體之間的共同作用及不同施工方案對支護結構的影響，本文使用了ANSYS的單元“生死”功能來模擬土體開挖和支護施工。計算模型在基坑側向和底部均留有8倍開挖深度的距離，用以消除邊界條件的影響。模型包含節點數39 192個，單元數39 982個（圖4）。

計算結果顯示，開挖過程中坑底最大隆起量為23.5 mm，基坑土體未出現明顯的塑性變形及失穩現象（圖5）。結合工程經驗，認為該開挖方案是可行的。

圖4 基坑開挖穩定性分析（局部）

圖5 基坑豎向位移云圖

3.2 與城市道路開發工程錯坑施工以保護管路

結構底板的完成通常被認為是基坑的穩定性及對周圍環境影響的轉折點，底板完成后的后續結構施工對周圍環境的影響大大減少。結合基坑開挖過程中先深后淺原則，在合理規劃復興地塊基坑與中山南路城市道路開發工程的施工順序時，采取了錯坑開挖措施，減少二者之間的相互影響，即Ⅰ-1、Ⅰ-2區基坑施工完成后，開挖城市道路開發工程基坑；對應Ⅱ區范圍城市道路開發工程基坑大底板施工完成，且Ⅰ-1、Ⅰ-2區基坑工程完成后，開始施工群坑范圍的Ⅱ區基坑。

3.3 調整降水方案

根據抽水試驗結果，工程范圍下伏第⑦1、⑦2-1水位受黃浦江潮汐影響，每日水頭波動在60 cm以內。承壓降水井布置呈梅花形，充分結合基坑內的局部深坑、局部缺失⑥層土及水頭與黃浦江潮汐的關系進行布置。

減小黃浦江潮汐對承壓水降水影響的措施如下：

1）黃浦江一側的基坑外增設5孔觀測井（間距不大于100 m）。

2）黃浦江側的4個塔樓局部深坑側，各增設1口減少黃浦江潮汐影響的降水井（圖6），深度至⑨層承壓水。

圖6 降水井設計

4 方案的實施效果評估

4.1 基坑土體穩定性評估

Ⅰ-1區、Ⅰ-2區同一橫截面的地下連續墻測斜變化趨勢（圖7、圖8）顯示：Ⅰ-1區、Ⅰ-2區地下連續墻的測斜趨勢相同，基坑開挖期間最大變形量分別為64.77 mm及61.82 mm，群坑施工變形有耦合性[3-4]。

圖7 Ⅰ-1區橫截面地下連續墻測斜

圖8 Ⅰ-2區橫截面地下連續墻測斜

Ⅰ-1（LZ10）、Ⅰ-2（LZ30）區的基坑隆起變化趨勢（以立柱隆起替代）顯示（圖9），群坑的基坑隆起趨勢及隆起量有耦合性，最大值分別為28.88 mm及27.32 mm，略大于有限元模擬得到的變形結果。

綜合以上觀測結果可以發現，基坑的變形量處在安全允許范圍，基坑土體穩定性良好。因此，本工程采用的開挖方案是合理、安全的。

圖9 立柱隆起變化趨勢

4.2 鄰近管線安全性評估

通過采取錯坑開挖措施，群坑與城市道路工程中間約20 m范圍內道路下的φ300 mm給水管最大沉降為32 mm，φ300 mm燃氣管最大沉降為28 mm，在安全允許范圍內。上述2根管線的沉降變化之所以超過設計給出的10 mm報警值，主要是前期1根φ2 000 mm的污水合流管搬遷，對上述2根管線產生了一定影響。所以，本工程采取的錯坑開挖措施也得到了較為理想的結果。

4.3 降水方案合理性評估

在降水實施過程中，基坑與黃浦江間預留的觀測井起到了掌握黃浦江潮汐水位變化對⑦層承壓水頭影響的作用。

當觀測到坑外承壓水頭受黃浦江水頭的影響在變大時，主樓局部深坑各增加的1口降壓井及時進行開啟。

在開挖過程中，降水井的有效布置一方面保證了在黃浦江潮汐水位的影響下坑內承壓水位可降至安全水位，另一方面，坑外預留的觀測井又做到了按需降水，最大化地減少了降承壓水對周邊環境的影響。

綜上所述，本工程采取的降水方案也是合理有效的。

5 結語

復興地塊辦公用房項目的群坑施工過程表明，運用施工過程有限元分析、優化群坑開挖順序以及增設觀測井、降壓井等措施，可以有效解決濱江環境下復合群坑與城市地下道路同步開發過程中潛在的施工風險，對今后類似工程的風險控制具有重要的參考價值。