上海地區小型深基坑變形性狀實測分析

劉冬冬 徐世洪 周 鑫 楊檸菠 田 旭

中建三局成都分公司 四川 成都 610041

隨著城市建設的發展，在密集建筑群中，連接各地下空間的連通通道也不斷涌現。這些通道基坑一般具有規模小、施工條件不便、地質條件差等特點；同時，基坑周邊環境較為復雜，常存在大型建筑以及大量的地下市政管線，這些管線受基坑開挖影響較大[1-2]。

國內外學者對基坑圍護結構變形以及基坑開挖對周邊地層和管線影響做了大量的研究[3-5]。在時間效應方面，劉建航等[6]以軟土地區基坑為研究對象，闡述了基坑變形機制，并總結了基坑變形的計算方法。Hsieh等[7]根據中國臺灣10個基坑工程實例提出了三角形和凹槽形2種墻后地表沉降形態的預測曲線；2011年，Ou等[8]對該曲線進行修正。張陳蓉等[9]基于位移控制理論，對板式支護體系由于基坑而引起的周邊自由土體位移場的分布規律進行了探討，并基于地下管線的自身承受能力，提出了基坑開挖對管線保護的變形控制標準。袁小平等[10]采用三維有限元對基坑未加支撐、加支撐、支撐剛度及周圍土體的彈性模量和支護結構剛度等因素對管線的影響進行了研究。

本文基于上海市虹橋03北地塊地下連接通道基坑施工監測數據，分析了連續開挖基坑施工過程中圍護結構側向位移、坑外地表沉降的變化規律，并提出了減小變形的措施，以期為類似工程的設計和施工提供借鑒。

1 工程概況

新建連通道位于上海市虹橋03北地塊，該通道下穿申虹路，連接本地塊項目1與項目2的地下2層空間。申虹路為已完工的市政道路，施工場地下方有較多雨水、污水、信息等市政管線，在申虹路連通道基坑施工前，已將申虹路連通道區域內的管線搬遷至項目2場地內。工程為現澆鋼筋混凝土框架結構，長30.2 m、寬36.6 m，結構層高6.95 m，基礎底板厚度為1.0 m，梁板混凝土強度等級C35，抗滲等級為P8。基坑呈矩形，面積約1 167 m2，基坑挖深為13.30～14.50 m（圖1）。

圖1 基坑平面及測點布置

2 水文地質概況

由勘察得到地表以下32.04 m范圍內為第四系河口、濱海、淺海、沼澤相沉積層，由黏性土、粉性土以及砂土組成，具有成層分布的特點。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，依次為：①雜填土、②粉質黏土、③淤泥質粉質黏土、④淤泥質黏土、⑤黏土和粉質黏土、⑥粉質黏土。

擬建場地淺部潛水水位動態變化主要受控于大氣降水和地面蒸發，因此潛水水位高低主要取決于降雨量的大小和雨期持續時間的長短，水位呈季節性波動。根據上海市工程建設規范DGJ 08-37—2012《巖土工程勘察規范》，年均地下水高水位埋深為0.50 m，低水位埋深為1.50 m，擬建場地⑦層為上海地區第一承壓含水層，主要受垂直向越流補給。根據上海地區區域資料，承壓水水頭一般為地面下3～11 m，呈周期性變化。根據本次勘察于第一承壓含水層⑦層中布設的承壓水觀測孔的水位觀測資料，勘察期間實測場地第⑦層承壓水水頭埋深在7.23～7.32 m之間，其相應標高在－3.54～－2.54 m之間。

根據上海市工程建設規范，按第⑦層最高承壓水位埋深3.0 m，最淺頂板埋深29.7 m（G22孔），基坑開挖深度13.1 m驗算，其抗承壓水頭的穩定性安全系數為1.11，大于1.05的安全系數要求，故基坑開挖時可不考慮場地第一承壓水層對本工程的影響。

3 支護方案和施工流程

3.1 支護方案

本工程圍護結構施工主要涉及鉆孔灌注樁（包括鋼立柱）、三軸攪拌樁止水帷幕、高壓旋噴樁加固。

本連接通道的東西兩側為D15、D21地塊既有地下連續墻，厚800 mm、深36 m（該圍護墻體為D21及D15地塊原有圍護結構）；南北兩側皆為φ950 mm@1 150 mm鉆孔灌注樁圍護墻，樁長30.6～31.5 m，外側采用φ850 mm@600 mm三軸攪拌樁止水帷幕；灌注樁與D21及D15地塊地下連續墻間采用旋噴樁密實止水，深入坑底下約7 m。

支撐體系采用3道鋼筋混凝土對撐，鋼筋混凝土支撐斷面主要尺寸有800 mm×800 mm、700 mm×900 mm、1 200 mm×900 mm、1 300 mm×900 mm等；非取土平臺下格構柱截面尺寸為420 mm×420 mm，采用4∠140 mm×14 mm，取土平臺下格構柱截面尺寸為420 mm×420 mm，采用4∠160 mm×16 mm，角鋼鋼材均為Q345B；本工程立柱樁采用工程樁。

3.2 施工流程

樁基、圍護施工→開槽施工頂圈梁及第1道混凝土支撐→第1道支撐達到設計強度后，開挖至第2道支撐底，施工圍檁及第2道支撐→第2道支撐施工完畢后，開挖至第3道支撐底，施工圍檁及第3道支撐→第3道支撐施工完畢后開挖至坑底并及時澆筑素混凝土墊層→澆筑地道B2板（底板），待達到設計強度后，拆除第3道支撐→澆筑剩余地道結構→鑿除第2道支撐下方兩側地塊的地下連續墻，澆筑地塊與地道連接段結構→待地道和連接段達到設計強度后，拆除第2道支撐→回填土至第1道支撐底，拆除支撐，管線回搬、恢復路面。

4 監測方案

以基坑施工區域周圍2倍基坑開挖深度范圍內的地下管線和基坑圍護結構本身，以及基坑周邊2倍挖深范圍內的地面沉降，作為本工程監測及保護的對象。

本基坑工程主要監測內容為：

1）鉆孔灌注樁頂水平和垂直位移監測（測點Q）、鉆孔灌注樁墻身水平位移監測（墻體測斜，測點C）。

2）墻后地表沉降監測：在基坑周圍布置2組測點，監測基坑周圍地表的變形，編號為D24-1～D24-4和D25-1～D25-4。

3）支撐軸力監測：在基坑施工時在基坑內部各道支撐上布置支撐軸力監測點（測點ZC）。

5 實測結果分析

5.1 圍護結構側向位移

從測點C23處各個施工階段圍護樁水平位移沿深度方向的變化（圖2）可以看出，圍護樁樁身水平位移在各施工階段的變化規律相同。首先樁身水平位移在深度方向表現為上下兩端小、中間大的規律，整體表現為“紡錘狀”，和以往學者得出的有支撐基坑圍護結構變形規律相同。其次，樁身水平位移在基坑開挖過程中不斷變大，其中深層土體的開挖對樁身水平位移的影響比開挖淺層土體顯著。同時，隨著開挖深度的不斷增加，樁身水平位移最大值位置也逐漸下降，但在底板澆筑完成前，雖然樁身水平位移有較大增加，但最大值位置有所上升。另外，由圖2還可以看出底板澆筑有效地抑制了圍護樁樁身水平位移的增加。

圖2 C23測點測斜曲線

從樁身水平位移最大值（δm）與開挖深度（He）的關系（圖3）中可以看出，本基坑圍護樁水平位移最大值的變化范圍為（－0.004 5＋0.001 5He）～（0.006 0＋0.001 5He）。對于華東軟土地區深基坑圍護結構的變形性狀，目前已有一些學者進行統計。王衛東等[5]得出的上海地區采用鉆孔灌注樁圍護的基坑樁身水平位移最大值（δm）的變化范圍為（0.10%～1.00%）He，其上下限值均大于本工程相應的統計（開挖深度較小時除外），表明本工程采用的圍護方案將基坑圍護結構側移值控制在合理的范圍之內。

5.2 圍護樁樁頂垂直位移

由圍護樁樁頂垂直位移與基坑開挖深度之間的關系（圖4）可以看出，隨著基坑開挖深度的增加，圍護樁樁頂垂直位移也不斷增加，且在基坑開挖過程中，圍護樁樁頂垂直位移位于（0.015%～0.100%）He之間，除開挖深度較小時部分點外，大部分位于（0.015%～0.100%）He范圍內。在開挖深度較小時，兩者之間比例系數小于開挖深度較大時的比例系數，這是由于隨著基坑開挖深度的增加，主動區側向土壓力逐漸增大，而開挖面以上的支撐限制圍護結構變形的能力相對減弱，且開挖土層也逐漸由粉土進入淤泥質黏土層，因此圍護樁垂直位移與開挖深度比例系數逐漸增大。

圖3 圍護樁樁身最大側移與開挖深度關系

圖4 圍護樁樁頂垂直側移 與開挖深度關系

5.3 墻后地表沉降

由監測點D24和D25處墻后地表沉降值隨基坑開挖的變化（圖5、圖6）可以發現，墻后地表沉降在基坑開挖的各個階段，基本表現出相似的變形規律，即在距離基坑圍護結構較近的位置處達到最大值，之后隨著距離的增加，地表沉降逐漸減小，具體表現形式為地表沉降出現明顯的沉降槽；同時各測點的地表沉降均隨著開挖深度的加深而變大；最后，底板澆筑完成后的沉降曲線顯示，澆筑底板可以有效地抑制墻后地表的沉降。

圖5 D24地表沉降曲線

圖6 D25地表沉降曲線

從D24和D25組測點中最大地表沉降隨時間變化曲線（圖7）可以看出，2組測點處最大地表沉降在基坑開挖前期（55 d之前）隨著時間的推移近似呈線性變化，2組測點處最大地表沉降數值和變化規律基本一致，這主要是由于2組測點位于基坑的對稱位置，有相同的圍護條件和空間條件。在底板澆筑完成后（55 d），地表沉降基本不再變化，可見墻后地表沉降在地板澆筑后得到了有效的控制。

圖7 D24和D25組測點中最大地表沉降隨時間變化

6 結語

基于上海一地下通道小型深基坑工程的監測數據，結合上海軟土基坑變化規律，對上海地區小型軟土深基坑支護結構變形、地表沉降做了全面的分析，得出以下結論：

1）圍護結構水平位移表現為上下兩端小、中間大的規律，且隨工況而變大。基坑圍護樁水平位移最大值的變化范圍為（－0.004 5＋0.001 5He）～（0.006 0＋0.001 5He）。

2）隨著基坑開挖深度的增加，圍護樁樁頂垂直位移也不斷增加，且在基坑開挖過程中，圍護樁樁頂垂直位移位于（0.015%～0.100%）He之間。

3）地表沉降出現明顯的沉降槽，底板澆筑完成后的沉降曲線顯示，澆筑底板可有效地抑制墻后地表的沉降。