軟土地區超深基坑施工對周邊環境的影響分析

韓 澤 亮

(上海市基礎工程集團有限公司，上海 200002)

1 工程簡介

1.1 工程概況

硬X射線自由電子激光裝置是我國“十三·五”規劃重點科技項目，它是目前世界上最為先進的X射線光源，它將覆蓋整個X射線波段，可以支撐十幾條世界一流的光束線和數十個實驗終端，為物理、化學、生物、醫藥、材料、能源、環境等等領域，提供最新一代的大科學實驗平臺和前所未有的研究手段，它的出現將會推動我國科學技術的發展進入一個全新的階段。該裝置是我國迄今投資最大的基礎科學設施。本項目土建配套工程將建設5座埋深超過40 m的超深工作井、10條盾構隧道。本文參考的一號工作井是整個項目最早開工的工作井，已于2019年成功筑底。

一號工作井基坑呈類矩形，基坑外包尺寸24.4 m×74.08 m～77.94 m，內凈尺寸為20 m×70 m(局部寬73.2 m)，開挖深度37.95 m(落深區40.6 m)。圍護結構采用1.2 m厚83 m深套銑接頭地下連續墻，地下連續墻外設一圈850 mm厚62.9 m深止水帷幕。共設十道支撐(其中第二、三道為帶自動伺服系統的鋼支撐，其余為鋼混凝土支撐)。基坑底位于第⑦1層砂質粉土中，圍護墻趾進入⑨層粉砂約6 m(見圖1)。

1.2 周邊環境

基坑位于羅山路東側規劃綠地中，西側為羅山路，其中主路距離基坑最近約為35.32 m，輔路距離基坑最近約為26.07 m；工作井北側為祖沖之路，距離基坑最近約為57.24 m；工作井南側有220 kV高壓鐵塔，獨立承臺基礎，距離基坑超過150 m；工作井東側為現狀三八河河道，距離基坑最近約15.23 m，基坑開挖期間須降⑨層承壓水，影響范圍較常規基坑更大，受影響的周邊建構筑物還有磁懸浮、三八河橋、祖沖之路橋、三八河防汛墻等。

1.3 工程地質水文概況

工程沿線場地150 m深度范圍內土層由第四系全新統至中更新統沉積地層組成，按其成因類型、土層結構及其性狀特征可劃分為11個主要工程地質單元層。一號井場地區域基本為上海市正常沉積地層，分布有第⑥層暗綠～草黃色黏性土，下部分別為⑦1層砂質粉土和⑦2層粉細砂；各土層基本以水平狀沉積為主，分布穩定，層面起伏較小。地勘揭露地層層序自上而下為①1層人工填土、②層褐黃～灰黃色粉質黏土、③層灰色淤泥質粉質黏土夾黏質粉土、④層灰色淤泥質黏土、⑤1層灰色黏土、⑥層暗綠～草黃色黏土、⑦1層草黃色砂質粉土、⑦2層草黃～灰色粉細砂、⑧21層灰色粉質黏土與粉砂互層、⑨層青灰色粉細砂。另外，工作井北側部分區域⑥層缺失，⑤1層與⑦1層之間為⑤3層灰色粉質黏土。一號工作井基坑坑底位于⑦1層草黃色砂質粉土中；圍護墻墻底位于⑨層青灰色粉細砂中。

一號井場地區域有第Ⅰ承壓含水層(⑦1,⑦2層)，第Ⅱ承壓含水層(⑨層)，第Ⅲ承壓含水層(層)。第Ⅰ承壓含水層頂板標高為-23.17 m～-40.22 m，水位埋深為標高-1.40 m～-2.64 m，第Ⅱ承壓含水層第⑨層(局部為第⑧22層)頂板標高為-61.98 m～-77.01 m，水位埋深為標高-4.78 m～-7.04 m。

2 開挖及降水

2.1 監測概況

根據上海市工程建設規范DG/TJ 08—2001—2016基坑工程施工監測規程3.2節：一號工作井基坑安全等級為一級，周邊環境保護等級為一級、地質條件復雜程度為復雜、監測等級為一級。根據圍護設計要求、周邊環境、基坑本身特點及相關工程經驗，測點布置主要選擇在2倍基坑開挖深度影響范圍內布設，所涉及的內容為基坑開挖過程中基坑本體、周圍土體以及周邊環境的監測，部分測點布置如圖2所示。由于降⑨層承壓水影響范圍更大，降⑨層承壓水降水期間對距離基坑200 m左右的磁懸浮高架也進行了監測。

2.2 降水運行

一號井基坑開挖深度超過40 m深，開挖期間需對⑦層及⑨層承壓水進行降水，其降水分為三個階段：

第一階段疏干降水，對應土層(①～⑤1層)：針對坑底以上潛水層，通過淺層疏干井進行降水；

第二階段減壓降水，對應土層(⑦1層～⑧21層)：針對坑底以下⑦1,⑦2層、⑧21層含水層進行降壓，其已被地墻穿過，且坑底已揭露⑦1層，先減壓后疏干，需把水位控制在坑底下1 m；開挖至第六層土時，啟動1口⑦層降壓井進行減壓降水；

第三階段為減壓降水，對應土層(⑨層)：針對⑨層承壓含水層，滲透系數較大，降水漏斗平緩；開挖至第九層土時，啟動1口坑內⑨層降壓井進行減壓降水，開挖至第十層土時，啟動3口坑內⑨層降壓井進行減壓降水。

2.3 開挖進程

本工作井基坑共設十道支撐，基坑開挖采用分層分段開挖方式，每一層開挖方向由北往南，依次向前推進。上一層開挖支撐完成后，再進行下一層的開挖。土方開挖完成后，進行基坑大底板的施工。本基坑開挖累計耗時約4個月。

3 監測數據分析

3.1 圍護墻體位移監測與分析

3.1.1測點布置

在一號工作井地下連續墻短邊中部，每邊布設1個測斜孔；在地墻長邊，每邊布設2個測斜孔；共計布設6個測斜孔，測孔編號為P01～P06。其中P03和P06采用自動化監測，其余4孔采用人工監測。監測孔孔深80 m，人工測孔按0.5 m間距測讀數據，自動化測孔按1.0 m間距測讀數據(見圖3)。

3.1.2深層水平位移曲線分析

從圖4中可以看出，各測點對應每道撐施工完成后的變形曲線線型呈正態分布，其峰值隨著開挖深度逐漸下移，最大變形所處深度基本都是在底板位置處，變形在底板之下深度范圍內迅速減小。這說明在開挖過程中，混凝土支撐、基坑底板及圍護墻體本身的剛度有效的抑制了周邊土體的變形。⑦1,⑦2砂層在降水后固結也形成了強大的支撐作用。

雖然每個點的變形曲線相同，但其最大值有所不同(見表1)。四邊形墻體最長邊中點P06和P03變形最大，分別達到91.8 mm和89.4 mm；最長邊1/4點P02和P05變形較小，分別為71.3 mm和66.1 mm，最短邊中點P01和 P04變形最小，分別只有50.6 mm和39.3 mm。

表1 各測點最大變形與平均變形表 mm

通過比較長邊測點P03，P06，短邊測點P01，P04可以發現，兩者變形相差較大，其一部分原因是由短邊處墻體受橫向兩側墻體的限制，很好的抑制了其墻體的變形，另一部分由于墻體自身的剛度原因，墻體縱向剛度越大，變形越小。

通過比較P01及P04點，P04的最大變形相較于P01較小，其原因是由于P04點坑外土體做了盾構進出洞加固(三軸攪拌樁加固44 m深度)，加固土體減小了地墻的主動土壓力，對地墻變形起了一定的抑制作用。

對于P02和P05，在底板施工之前，每道曲線的變形值都是P02>P05，但在底板開挖時卻扭轉了，出現了P05>P02，原因可能是P05更加接近于落深區。

3.2 建構筑物變形分析

在基坑開挖期間，對基坑2倍開挖深度范圍內主要建構筑物進行監測，包括位于基坑北側的祖沖之路橋及西北側的王家浜橋，距離基坑分別為74 m，69 m。兩座橋基礎均為雙樁承臺基礎，樁徑800 mm，樁長46 m，承臺中心間距25 m。在祖沖之路橋承臺位置設沉降觀測點G1，G2，G3，G4，王家浜橋承臺位置設沉降觀測點G5，G6，各測點變化如圖5，圖6所示。

從圖5,圖6中可以看出：

1)基坑開挖期間，祖沖之路橋沉降觀測累計沉降最大點位為G3，沉降值為4.97 mm，累計最小沉降點位為G4，沉降量為1.8 mm，最大差異沉降為3.17 mm，兩點之間間距為25 m，累計傾斜度為0.127‰;黃家浜橋沉降觀測累計沉降最大點位為G6，沉降值為3.79 mm，累計最小沉降點位為G5，沉降量為2.77 mm，最大差異沉降為1.02 mm，兩點之間間距為25 m，累計傾斜度為0.041‰；遠遠小于2‰累計傾斜度報警值，其余各點間的累計傾斜度均未報警，這說明了建筑物的基礎構造及自身的剛度抵消了一部分變形，也進一步保證了自身的安全。

2)在基坑開挖后至第七層土方開挖期間，各觀測點均在4 mm范圍內波動，整體較為平穩。說明了超深基坑圍護結構設計采用地下連墻墻體及止水帷幕墻體對⑦層承壓水進行隔斷，可大大的減小基坑開挖期間降⑦層承壓水對周邊環境的影響。

3)在第八層土方開挖后，對應開挖深度大于25 m，各測點變形逐漸下降，然后趨于穩定，在開始進行坑內⑨層承壓水降水后，又再一次下降，停止⑨層承壓水降水后，各測點變形開始回彈，逐漸上升，趨于穩定。這說明了⑨層承壓水流量大，補給快，對周邊環境的影響僅僅在其降水期間，停抽后周邊環境的變形迅速恢復至降水前的變形值，降⑨層水引起的差異沉降非常小。

3.3 周邊土體變形分析

在基坑四條邊分別布設周邊土體沉降觀測點，各觀測點距基坑距離分別為5 m,10 m,15 m,25 m,35 m,45 m，選取基坑西側、北側及南側的土體沉降觀測點進行分析，各測點變形情況如圖7所示。

由圖7可以看出：

1)整個變化曲線呈“V”形，周邊土體沉降變形最大點為距基坑約25 m處，其距離大約等于基坑開挖深度的1/2，在距基坑0 m～25 m范圍，周邊沉降變形隨著距基坑距離的增加而變大，在距基坑超過25 m范圍，周邊沉降變形隨著距基坑距離的增加而變小；

2)通過比較各條邊處土體的沉降變形曲線，可發現，西側長邊變形>北側短邊變形>南側短邊變形，而各條邊圍護墻體的變形也遵循相應的規律，西側P03點變形>北側P01點變形>南側P04點變形，墻體變形大的位置對應的地面沉降也大；

3)通過比較北側短邊土體的變形及南側短邊土體的變形，可以看出，南側土體的變形較北側小，其對應圍護墻體的變形也是如此，且南側土體的變形較為平穩，波動較小，其原因是由于南側坑外土體做了盾構進出洞加固，這說明了在基坑開挖前對坑外土體進行相應的加固可以有效的控制開挖對周邊環境的影響，盾構進出洞加固宜在基坑開挖前施工。

3.4 周邊管線變形分析

基坑的周邊有市政地下管線，管線埋深約為1.15 m，分別位于基坑西側30 m及北側34 m處，在各管線上分別布設有沉降監測點，選取基坑北側管線沉降觀測點M1，M2，M3，M5及西側管線沉降觀測點M6，M7，M8，M9，M10，M11開挖階段變形情況進行分析，各測點變化情況如圖8，圖9所示。

從圖8,圖9中可以觀察到：

1)開挖期間北側管線沉降觀測點沉降最大點位為M3，達到了17.53 mm，最小沉降點位為M5，沉降量11.71 mm，最大差異沉降為5.82 mm，兩點之間間距為15 m，差異沉降量為0.388‰；西側管線沉降觀測點沉降最大點位為M8，沉降量為49.11 mm，最小沉降點位為M11，沉降量20.11 mm，最大差異沉降為29 mm，兩點之間間距為60 m，差異沉降量為0.483‰，均未超過2‰差異沉降量報警值，其余各點間的差異沉降均未報警。說明了在超深基坑開挖過程中，對管線會產生一定的影響，但各監測點之間的變形差異相對較小，不會對管線造成破壞。

2)通過比較北側管線監測點變形量及西側管線監測點變形量，可以發現，北側管線變形小于西側管線變形，這也進一步印證了圍護墻體的變形越大，對周邊環境的影響越大。

3.5 降⑨層承壓水對磁懸浮的影響分析

位于一號井基坑西側200 m處的重要建筑物磁浮線，為高架結構，采用35 m～45 m深φ600 mm PHC管樁基礎，樁端持力層位于⑦2層草黃～灰色粉細砂層中，其對沉降和變形的要求高。根據相關工程的經驗，基坑開挖對于4倍開挖深度范圍以外的環境基本沒影響。

由于一號井基坑為非常規基坑，其開挖深度為目前軟土地區最深坑，無先例可循。根據設計計算，在基坑開挖至底板時須進行⑨層承壓水降水，由于上海地區⑨層抽水具有水量大、補給快的特點，降水對周邊環境的影響較大，且以往也沒有長時間⑨層降水的經驗可供借鑒。故在⑨層降水期間，須加強⑨層承壓水降水期間對磁浮影響的監測。

一號工作井基坑于2019年10月17日正式開始降⑨層降水作業，前后歷時38 d，于2019年11月24停抽所有⑨層降水井。降水期間，持續進行一號～三號工作井⑨層水位聯測(⑨層降水周邊水位降深見圖10)；同時對磁懸浮墩臺沉降觀測點進行觀測，各測點變化情況如圖11所示。

從圖10中可以觀察到，距一號井基坑150 m處九層水位最大降深約為2.87 m，由于⑨層水位變化會隨著距離的增加而遞減，可判斷位于磁懸浮處的九層水位降深不超過2.87 m。

從圖11中可以觀察到，降水期間單個墩柱單日沉降最大值為0.5 mm，小于單日沉降報警值0.8 mm；累計沉降最大點位為C75A，沉降量為0.33 mm，遠小于累計變化量報警值2 mm；同一承臺左右墩柱，不均勻沉降單日最大僅0.11 mm，未超過0.2 mm單日差異沉降報警值；累計差異沉降量最大為0.14 mm，未超過0.5 mm累計差異沉降報警值，其余各點間不均勻沉降均未報警。

說明了在超深基坑開挖過程中，⑨層承壓水降水影響范圍廣，離開基坑一定范圍水位梯度非常平緩，所產生的不均勻沉降較小，不會對周邊建構筑物造成實質性影響。

4 結語

本文結合硬X射線項目一號工作井超深基坑工程，針對其基坑開挖期間的監測數據，分析了超深基坑開挖及降水期間對周邊環境影響的規律，得出了以下結論：

1)該工作井超深基坑工程施工采用了科學的施工流程和基坑變形控制方法，通過科學、嚴密的監測手段，施工過程中很好的保障了周邊重要建、構筑物的安全，支護結構在基坑開挖及基坑降水過程中，較好的控制了周邊環境的變形，基坑施工過程中未對周邊環境造成破壞性影響，說明了此超深基坑工程圍護結構的設計、施工及監測方案滿足深基坑工程的實際需求。

2)超深基坑圍護結構設計采用超深地下連續墻及超深止水帷幕，隔斷⑦層承壓水，在基坑開挖時進行⑦層承壓水坑內降水對周邊環境影響較小。

3)基坑開挖期間，周邊環境的變形取決于圍護結構墻體的變形，圍護結構最大的變形往往取決于圍護體自身的剛度、基坑開挖深度及支撐形成速度，在圍護結構設計時應充分考慮圍護體的剛度及基坑的支護結構；在基坑開挖時應遵循快挖快撐的原則，最大程度的減小圍護體的變形，從而遏制周邊環境的變形。

4)基坑開挖完成后，圍護結構變形最大處發生在長邊最中間處，短邊處變形較小；周邊環境最大變形處約為距基坑開挖深度1/2位置處，其變形最大值趨近于圍護結構本體的變形最大值。

5)通過監測數據分析，位于坑外加固土體附近的圍護墻體變形較小，今后有盾構進出洞加固的基坑建議先行實施進出洞加固。

6)⑨層承壓水降水對周邊環境影響范圍較廣，但其所產生的不均勻沉降較小，降水期間不會對環境產生較大影響;在停止降水后，其水位恢復較快, 對周邊環境的影響僅僅在其降水期間，停抽后周邊環境的變形逐漸恢復至降水前的變形值。但是有條件的情況下，還是要加深圍護結構的深度，減小降水量，降低⑨層降水井運行的風險。