超大基坑施工近距離平行地下供能管溝的變形控制

張敏華

（上海城建市政（工程）集團有限公司，上海市 200065）

0 引言

隨著我國城市化的快速發展、建筑功能的綜合化與地下空間的集約化開發利用，近年來超深和超大基坑工程在城市開發新區的建設中不斷出現。與小規?；酉啾?，超大超深基坑本身的施工風險大大增加，需要在施工技術、工藝方法、管理模式、風險預控等方面不斷研究，完善、超越已有的理論和技術體系，形成一整套更安全、更成熟的施工工藝。同時隨著基坑工程區域地質條件、環境條件、近鄰約束條件等日益復雜，尤其對于軟土地層的超大超深基坑，其施工階段鄰近地下管線因某種原因無法實施搬遷的，因影響時間長、影響范圍大，相鄰地下管線結構的變形控制成為施工一大難題。

本文以上海虹源盛世國際文化城02-A區地下工程的超大基坑施工為例，結合工程的實際情況和相鄰管溝的保護要求，在超大基坑開挖方案有限元分析設計、開挖階段的重點監測、基坑開挖和管溝保護措施等方面，闡述了超大基坑施工階段對位于錫虹路靠近基坑南側的近距離平行于基坑的地下供能管溝的變形控制技術，希望對類似工程施工提供參考。

1 工程概況

1.1 基坑與相鄰管溝概況

虹源盛世國際文化城工程位于上海市虹橋商務核心區一期02地塊，02地塊被錫虹路分為南、北兩塊，分別為02-A區、02-B區。本文所述的超大基坑工程位于02-A區，占地面積55 053 m2，周長約964 m，開挖深度15.3 m。相鄰的供能管溝位于基坑南側的錫虹路下，管溝外壁距離圍護結構邊線1.2～1.5 m，如圖1所示。

圖1 虹源盛世國際文化城02地塊平面圖

1.2 工程地質水文與地下關系

工程場地地貌屬于濱海平原地貌，地基土在勘察深度范圍內均為第四系松散沉積物，在基坑開挖深度范圍內涉及的土層分別為①層、②層、③層、④層及⑤1-1層，其物理力學性質見表1。其中的③層土含粉性土顆粒較重，易滲水，并可能產生流砂、管涌等現象，必須采取相應的預防措施，尤其要注意止水、隔水、降水的可靠，以確保該工程深基坑的施工安全。地層典型分布及與地下結構的關系如圖2所示。

表1 各層土的物理力學性質指標

圖2 工程地質、基坑與管溝的地下關系（單位：mm）

對工程區有影響的潛水層和承壓含水層，潛水地下水初見水位埋深為2.50～3.10 m，穩定水位埋深為1.68～2.27 m；埋深約30.0 m以下的⑦1-1和⑦1-2土層為承壓含水層，一般埋深變化范圍為3.0～11.0 m，勘察期間測得⑦1-1層承壓水位埋深約6 m。

基坑鄰近供能管溝側采用地下連續墻圍護，墻厚 1 000 mm，墻深 30.5 m，3?850 mm@1 200樁長22.3 m高壓旋噴樁槽壁加固（見圖2），其余非管溝側則采用鉆孔灌注樁加三軸攪拌樁止水帷幕圍護結構。

1.3 基坑開挖與降水

02-A區基坑工程因規模超大，為確保施工安全，施工時采用?950 mm@1 150 mm樁長29.5 m鉆孔灌注樁，將大基坑分割為A1、A2和A3三個分區進行開挖，開挖順序依次為A1→A2→A3（見圖1），具體開挖時再細分不同的開挖工況。

由于③、④層為主要的軟弱土層，疏干降水重點考慮該兩層，疏干降水應滿足水位降至開挖面以下1 m的要求，井深應在開挖面以下6 m左右。實際施工時，A1、A2和A3區的疏干井分別設置了87口、59口和65口，降壓井分別設置了9口、9口和10口，坑內滿足降壓要求時，坑外南側管溝處最大降深分別約為2.1 m、1.7 m和2.0 m。

1.4 相鄰管溝的現狀

相鄰供能管溝一般段深度為7.3～7.6 m，管溝外壁與相關地塊地下室外墻距離為3.4～3.7 m，圍護形式為“Ⅳ號拉森鋼板樁+兩道鋼支撐”，如圖3所示。在基坑施工階段，供能管溝施工完成且鋼板樁已被拔除，但管溝底板與鋼板樁設有1 m長、400 mm厚的混凝土，制約了后續保護措施的實施。

圖3 錫虹路施工階段的管溝

1.5 供能管溝的保護要求

基坑南側緊鄰的地下供能管溝環境保護等級為一級，變形控制要求高，技術難度大，管溝變形縫間差異沉降必須不大于25 mm，管溝結構的絕對沉降量及水平位移量必須不大于20 mm，日控制量要求不大于2 mm/d。

2 供能管溝的施工保護措施

2.1 基坑開挖時的變形控制

2.1.1 基坑開挖方案設計

為控制基坑開挖對近距離供能管溝的影響，需選擇合理開挖方案。以02-A1區為例，基坑分四層開挖，其開挖深度分別為3.5 m、3.5 m、4.7 m、3.6 m。第一層土方開挖對周圍環境影響較小，重點探討第二、三、四層土方開挖方案。為此設計了兩種土方開挖方案，方案一以島式開挖為主，方案二以盆式開挖為主，將供能管溝同步考慮，建立如圖4所示的02-A1區基坑三維有限元模型。

圖4 02-A1區基坑三維有限元模型的具體構成

按照基坑設計方案建立數值模擬分析步驟，方案一共計34個，方案二共計40個，進行非線性求解；求解收斂完成后，后處理選項中，對基坑開挖工序對供能管溝影響的計算結果進行相關處理，分別得到方案一、方案二基坑開挖過程（各工況）地下連續墻和管溝的位移云圖及其最大位移隨著土方開挖的變化情況，繪制管溝豎向位移與地下連續墻側移的關系并擬合相應的關系曲線，如圖5所示?？梢姡桨敢坏男甭蕿?.23，大于方案二的斜率，表明采用方案一時管溝更易受到地下連續墻發生側向變形的影響。綜上所述，考慮施工過程中土方開挖對基坑本身及周圍環境影響的急劇變化程度以及相同土方開挖量下對周圍環境影響的數值大小因素，最終確定選擇方案二作為虹源盛世A1區基坑開挖施工方案。

圖5 管溝豎向位移與地下連續墻側向位移關系擬合曲線

2.1.2 開挖階段的重點監測管控

上述數值模擬計算結果對環境影響急劇變化的工況，作為實際施工時加強監測并采取相應保護措施的依據。依然以02-A1區基坑開挖為例：

從各工況管溝豎向位移的變化匯總可見，各工況下管溝最大位移發生在中部，每一層土方開挖南側、北側各兩個角撐區域以及分層收底最后開挖時管溝的位移變化較大，基坑開挖完畢后管溝的最大豎向位移為46.2 mm。因此在實際施工中管溝中部是監測的重點。

從各工況下地下連續墻最大側向位移匯總可見，開挖過程中，地下連續墻的側向位移逐漸增大，第一層土方開挖各工況側向位移變化相對平緩，之后各層土方開挖變化較大，應加強其側向位移監測。

實際施工中，在錫虹路下供能管溝位置布設了間距為20 m的沉降監測共計15點，在管溝側基坑止水帷幕3 m范圍內布設了深度約35 m的坑外承壓水水位觀測孔、水位觀測點共計3個，南側地下連續墻圍護結構布設了6個測斜孔。

2.1.3 開挖階段控制變形措施

在開挖階段，根據管溝的保護要求，在常規基坑安全施工措施的基礎上，采取以下針對性措施來更有效地減少基坑開挖對相鄰地下平行供能管溝的不利影響：

（1）嚴格按照分層、分段與分塊的開挖設計方案，以對稱、均衡為原則進行土方開挖，充分利用時空效應，隨挖隨撐、限時封閉、坑邊留土，減少基坑開挖卸載變形，有效降低大面積開挖的施工風險。

（2）基坑開挖到底后，在靠近管溝的一側，立即采用200 mm厚C30混凝土配筋墊層，有效控制在底板結構施工期間土體位移的進一步發展。

（3）實施信息化動態監測來指導施工，根據監測結果，分析地下連續墻和管溝的變形趨勢和位移速率，以管溝變形收斂為目標，現場及時調整施工部署，一旦發現變形速率及變形量較大時，應立即停止開挖，按需降承壓水，并根據變形的部位和原因分析情況及時采取注漿等應急措施。

（4）采用無線遠程數字化水位監控系統，隨時掌控基坑開挖階段的地下水位變化情況，如圖6所示。

圖6 無線遠程數字化水位監控系統

（5）以基坑開挖安全和供能管溝保護為控制目標，結合開挖設計方案、有限元分析結果和各項針對性措施，建立數字化三維的BIM管理平臺，集成所有相關的動態監測和施工數據，進行現場全方位實時監控。

2.2 地下供能管溝保護措施

從圖2可知，該工程南側錫虹路下供能管溝寬5.6 m，高3.2 m，側壁壁厚500 mm，底板厚600 mm。管溝下部未設置樁基，處于②層和③層，與南側地下連續墻近距離地下平行，受超大基坑施工影響較大。為達到其保護要求，除基坑開挖需密切注意對其的變形影響外，在其本身所處的坑外位置，在現場實施條件許可的情況下，采用了以下加強措施來最大限度地減低其變形：

（1）管溝完成后，回填土采用水泥土分層進行壓實回填，管溝側壁的回填區域采用壓密注漿進行加固，型鋼、鋼板樁拔除后須立即注漿充填密實，以強化其周圍土體。

（2）靠供能管溝側，基坑內采用高水泥摻量的3?850 mm@1 800 mm三軸攪拌樁進行裙邊加固，加固深度范圍從基坑的第一道支撐底至坑底開挖面以下4.0 m，使基坑內側土體抗力可靠，以進一步控制基坑施工階段管溝結構的變形。

3 結 語

該工程基坑開挖到底時，供能管溝的最大沉降量為12.0 mm，最大水平位移為15.0 mm，均小于20 mm的變形控制目標；管溝變形縫間最大差異沉降量為9.0 mm，小于25 mm的變形控制目標，超大基坑對相鄰管溝的影響實際可控。本文所述的超大基坑施工近距離平行地下供能管溝的變形控制技術在實際應用中取得了預期效果，對類似工程有一定的參考意義。在今后的類似工程實踐中，還應在以下兩個方面予以關注：

（1）對于地下連續墻，槽壁施工時若處理不當，將直接引起管溝沉降；接頭處理同樣非常關鍵，若在開挖時出現滲漏，可能使管溝與地下連續墻之間的土體流失，造成管溝沉降。對于超深基坑，地下連續墻的施工質量尤為重要。

（2）該工程基坑施工，豎向設置三道水平混凝土支撐，采用對撐、角撐和邊桁架形式布置，采用臨時鋼格構柱及立柱樁作為豎向支承構件，因形式較簡單，未做詳述。但隨著超大超深基坑施工技術的發展，新型基坑支撐技術不斷創新與應用，如裝配式預應力魚腹梁鋼結構支撐體系（IPS工法）、基坑支撐軸力自動補償新技術等，對基坑開挖變形控制的作用越來越大。因此應在今后超大超深基坑施工中予以積極關注，通過技術的不斷提高和更精細化的基坑施工管理，使超大超深基坑施工的安全性得到進一步提升，可對周邊環境的影響更為降低。