基坑封閉試驗(yàn)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境影響分析

黃 磊

上海陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)開(kāi)發(fā)股份有限公司 上海 200126

緊鄰地鐵等重要設(shè)施的深基坑工程，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制要求非常嚴(yán)格。以上海市為例，上海市《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，基坑環(huán)境保護(hù)等級(jí)為一級(jí)的深基坑工程，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移僅為開(kāi)挖深度的0.18%。若深基坑工程緊鄰地鐵，且地鐵設(shè)計(jì)收斂變形已較大（比如超過(guò)60 mm），相關(guān)部門(mén)可能會(huì)提出更為嚴(yán)格的基坑圍護(hù)變形控制要求。

深基坑工程一般包括工程地質(zhì)勘察、水文地質(zhì)勘察（抽水試驗(yàn)）、加固及圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、封閉性試驗(yàn)、疏干井及承壓井降水、基坑開(kāi)挖、地下結(jié)構(gòu)回筑等方面的內(nèi)容。針對(duì)深基坑工程環(huán)境影響方面的研究，目前主要集中在基坑開(kāi)挖以及為確保開(kāi)挖安全而開(kāi)展的承壓水降水的環(huán)境影響方面，如魏綱等[1]采用理論分析的方法研究了基坑開(kāi)挖引起的鄰近盾構(gòu)隧道的受力規(guī)律。徐中華等[2]采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析方法研究了上海地區(qū)緊鄰軌交9號(hào)線的某深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵及建（構(gòu)）筑物的影響，樓春暉等[3]采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析的方法研究了溫州市某深基坑工程開(kāi)挖引起的周?chē)翆蛹敖ㄖ锏淖冃我?guī)律。上述研究均假定開(kāi)挖前圍護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)變形。

然而，鄭剛等[4]分析天津地鐵3號(hào)線某地鐵車(chē)站基坑工程現(xiàn)場(chǎng)潛水預(yù)降水階段的地下連續(xù)墻位移、坑外地面及建筑物沉降，發(fā)現(xiàn)此階段引起的地下連續(xù)墻側(cè)移及坑外地面沉降達(dá)10 mm。曾超峰等[5]進(jìn)一步通過(guò)實(shí)測(cè)分析天津地區(qū)某深基坑開(kāi)挖前疏干降水階段的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，發(fā)現(xiàn)此階段圍護(hù)墻側(cè)向位移達(dá)15 mm，占整個(gè)基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)變形的50%。預(yù)降水階段基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及環(huán)境影響不容忽視。

本文基于上海軟土地區(qū)某深基坑工程地下連續(xù)墻施工完成后的封閉性試驗(yàn)，分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)及首道撐施工完成、基坑開(kāi)挖前的承壓水降水試驗(yàn)引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步通過(guò)理論計(jì)算分析由此引起的坑外地面沉降，分析深基坑封閉性試驗(yàn)的環(huán)境影響，為相似工程提供參考。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

本次試驗(yàn)所基于的深基坑項(xiàng)目位于上海市前灘地區(qū)濟(jì)陽(yáng)路和東育路之間，北接前安路、南接海陽(yáng)西路前康路，鄰近運(yùn)營(yíng)中的軌交11號(hào)線和軌交6號(hào)線，其中南側(cè)距軌交11號(hào)線最近處僅10 m（圖1）。整個(gè)項(xiàng)目基坑呈三角形，東西長(zhǎng)約200 m，南北長(zhǎng)約200 m，總開(kāi)挖面積約20 000 m2，挖深約20 m，局部深坑挖深約25 m，鄰近地鐵側(cè)小坑挖深約12 m。本次封閉性試驗(yàn)在1d區(qū)開(kāi)展，1d區(qū)呈三角形形態(tài)，總面積約3 300 m2。基坑采用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，鄰近濟(jì)陽(yáng)路及小坑一側(cè)地下連續(xù)墻深55 m，與2b區(qū)相鄰處地下連續(xù)墻深42 m，4d、4e處小坑外側(cè)地下連續(xù)墻深40 m。

圖1 基坑位置

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

本文1d區(qū)基坑所處位置與上述項(xiàng)目位置接近，工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件與抽水試驗(yàn)所處位置條件相似。地質(zhì)勘察資料揭示，工程場(chǎng)地地層從上至下依次為②粉質(zhì)黏土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③t黏質(zhì)粉土、④淤泥質(zhì)黏土、⑤1黏土、⑤2-1砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土、⑤2-2粉砂、⑤3粉質(zhì)黏土夾粉性土、⑦2粉砂、⑦2t粉質(zhì)黏土夾砂質(zhì)粉土、⑨1-1粉砂，淺部地下水類(lèi)型屬潛水，主要為賦存于①層至⑤1層中。⑤2-1層和⑤2-2層相連，為微承壓含水層。⑦層為第一承壓含水層。⑨層為第二承壓含水層。第一承壓層與第二承壓層相連。

2 封閉性試驗(yàn)方案

分別開(kāi)展⑦2上層和⑤2-2層群井抽水試驗(yàn)。試驗(yàn)包括5個(gè)階段：

1）開(kāi)展初始水位觀測(cè)，測(cè)定承壓含水層的初始水頭。

2）開(kāi)展⑦2上層群井抽水試驗(yàn)，檢驗(yàn)群井降水及止水帷幕的隔水效果。

3）⑦2上層水位恢復(fù)，掌握基坑內(nèi)水位恢復(fù)情況。

4）開(kāi)展第⑤2-2層群井抽水試驗(yàn)，檢驗(yàn)群井降水及止水帷幕的隔水效果。

5）第⑤2-2層水位恢復(fù)，掌握基坑內(nèi)水位恢復(fù)情況。

⑦2上層群井抽水試驗(yàn)和⑤2-2層群井抽水試驗(yàn)階段坑內(nèi)抽水井、坑內(nèi)觀測(cè)井和坑外觀測(cè)井的平面位置為：⑦2上層群井抽水試驗(yàn)階段，坑內(nèi)抽水井2口、觀測(cè)井1口，坑外觀測(cè)井4口，井深53 m，濾管埋深47～52 m，各井孔徑650 mm，井徑273 mm；⑤2-2層群井抽水試驗(yàn)階段坑內(nèi)抽水井10口、觀測(cè)井1口，坑外觀測(cè)井6口，井深35 m，濾管埋深29～34 m，各井孔徑650 mm，井徑273 mm。

試驗(yàn)階段，分別監(jiān)測(cè)靠近濟(jì)陽(yáng)路一側(cè)地下連續(xù)墻、靠近軌交11號(hào)線小坑內(nèi)側(cè)及外側(cè)地下連續(xù)墻水平位移。各測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2 地下連續(xù)墻水平位移測(cè)點(diǎn)布置

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

⑦2上層群井抽水試驗(yàn)持續(xù)24 h，單井平均出水量6.3 m3/h。抽水試驗(yàn)期間坑內(nèi)外水位變化情況如圖3所示，坑內(nèi)最大水位埋深9.12 m，水位降深3.60 m。坑外水位最大下降0.08 m，止水帷幕封閉性較好。

圖3 ⑦2上層群井抽水試驗(yàn)期間地下水水位

⑤2-2層群井抽水試驗(yàn)持續(xù)240 h，單井平均出水量1.5 m3/h。抽水試驗(yàn)期間坑內(nèi)外水位如圖4所示，抽水240 h后，坑內(nèi)觀測(cè)井BG51d-1最大水位埋深22.75 m，水位降深18.17 m，坑外水位下降0.04～0.40 m，鄰坑水位下降1.83～1.88 m，表明外圈止水帷幕封閉性較好，中隔墻止水性較差，開(kāi)挖時(shí)需加強(qiáng)相鄰基坑水位觀測(cè)。

圖4 ⑤2-2層群井抽水試驗(yàn)期間地下水水位

圖5為封閉性抽水試驗(yàn)階段地下連續(xù)墻各測(cè)斜點(diǎn)位移。因抽水試驗(yàn)時(shí)，首道撐已施工完成，故圍護(hù)墻頂部位移較小。地下連續(xù)墻水平位移沿埋深均呈拋物線分布，最大位移約位于1/2地下連續(xù)墻深度位置。鄰近濟(jì)陽(yáng)路一側(cè)地下連續(xù)墻內(nèi)的測(cè)斜點(diǎn)P10、P11最大水平位移分別為24.9、20.5 mm，均位于埋深24.0 m位置附近。鄰近地鐵一側(cè)的內(nèi)側(cè)地下連續(xù)墻測(cè)斜點(diǎn)P12，最大水平位移14.6 mm，位于埋深27.0 m位置附近，最大水平位移約為鄰近濟(jì)陽(yáng)路一側(cè)地下連續(xù)墻最大水平位移的60%～70%。測(cè)斜點(diǎn)P49、P50、P53、P54、P55均位于鄰近地鐵外側(cè)的地下連續(xù)墻位置，最大水平位移分別為6.8、5.9、7.1、6.4、6.8 mm，約為內(nèi)側(cè)地下連續(xù)墻最大水平位移的45%，約為濟(jì)陽(yáng)路一側(cè)地下連續(xù)墻最大水平位移的30%。鄰近地鐵一側(cè)設(shè)置小坑，小坑可以有效降低大坑承壓水降壓引起的項(xiàng)目基坑外圍地下連續(xù)墻變形。

圖5 試驗(yàn)階段地下連續(xù)墻累計(jì)變形

顧劍波等[6]建立了彈性理論模型，分析地下連續(xù)墻變形引起的坑外地表沉降，該模型在已知地下連續(xù)墻變形的前提下，計(jì)算坑外地表沉降無(wú)需土體彈性模量，如式（1）所示，本文運(yùn)用此模型計(jì)算抽水試驗(yàn)導(dǎo)致基坑圍護(hù)墻變形從而引起的坑外地表沉降。

式中：d—地下連續(xù)墻最大水平位移；

H—地下連續(xù)墻高度。

采用擬合后的位移分布計(jì)算坑外地面沉降，圖6為采用拋物線擬合后的地下連續(xù)墻位移，擬合后的地下連續(xù)墻位移與實(shí)測(cè)地下連續(xù)墻位移接近。圖7為理論計(jì)算得到的坑外地表沉降。濟(jì)陽(yáng)路側(cè)地下連續(xù)墻外地表最大沉降量為7.9 mm，位于地下連續(xù)墻外18 m位置處。前康路側(cè)地下連續(xù)墻外最大沉降為2.7 mm，約為濟(jì)陽(yáng)路側(cè)地下連續(xù)墻外最大地表沉降值的35%，位于地下連續(xù)墻外13 m位置處。在鄰近地鐵一側(cè)設(shè)置小坑，2道地下連續(xù)墻可以有效降低坑內(nèi)承壓水降壓的環(huán)境影響。

圖6 地下連續(xù)墻水平位移擬合結(jié)果

圖7 坑外地表沉降

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于上海市前灘地區(qū)濟(jì)陽(yáng)路和東育路之間的某基坑，對(duì)基坑封閉試驗(yàn)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的影響進(jìn)行了分析，得到了一定的結(jié)論。相關(guān)結(jié)論可為復(fù)雜環(huán)境條件下的深基坑降水施工提供借鑒。