基坑施工变形与工况分析
时间：2023-02-26 17:35:06 来源：千叶帆 本文已影响人
叶 平
上海建工集团股份有限公司 上海 200080
近年来，随着城市化建设的加速进行和建筑技术的突飞猛进，超大型建筑项目大量出现，导致基坑规模越来越大、越来越深，这是城市建筑大型化及充分利用地下空间所带来的必然结果。作为像上海这样的一线城市，地下管线错综复杂，基坑施工过程中如何做好基坑变形监测以及周边管线的保护显得尤为重要[1-2]。本文对上海世博会地区A片区“绿谷一期”地下空间工程项目基坑施工过程中不同阶段的基坑变形及管线沉降进行分析，尤其当管线沉降较大时，采取了有效的补救应对措施，确保基坑工程安全。
1.1 基坑工程概况
本工程位于上海市浦东新区世博园区A片区，博成路以南、白莲泾路以西、国展路以北、高科西路以东，基坑用地面积38 000 m2。基坑整体呈长方形，形状规则，基坑各区域开挖深度在11.40～18.60 m之间。基坑东、西、北三侧环境保护等级为一级，南侧为三级。
本工程采用桩筏基础，整体设置2～3层地下室，地上4幢高层建筑采用框架-核心筒结构体系，裙房采用框架结构。地下2层区域底板面设计相对标高为－10.60 m，基础底板厚度为800 mm，地下3层区域底板面设计标高为－14.10 m，局部为－17.60 m，基础底板厚度为1 000 mm。
基坑采用地下连续墙作为围护结构，分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3个区进行施工，其中Ⅱ区又分4个小基坑，各基坑采用明挖顺作法先后施工（图1）。
图1 基坑分区示意
基坑围护均采用地下连续墙，其中东、北、西三侧墙厚1 000 mm，南侧和中隔墙厚800 mm，墙深24.2～44.2 m。Ⅰ区与Ⅲ区基坑普遍采用竖向设置3道钢筋混凝土水平支撑，局部落深区加设1道钢筋混凝土支撑。Ⅱ区首道支撑采用钢筋混凝土支撑，下部其余各道均采用钢支撑。
1.2 周边环境
基地东侧为白莲泾路，道路宽约24 m，道路边与地下室最小距离为3 m；
基地北侧为博成路，道路宽约24 m，道路边与地下室最小距离为3 m；
基地西侧为高科西路，道路宽约32 m，道路边与地下室最小距离为8.5 m；
高科西路下为西藏南路越江双线盾构隧道。单孔隧道直径达11.34 m，隧道中心埋深14.6～21.5 m，隧道边线与本工程地下室外墙最近距离为9.7 m。
基地西南角为盾构区间隧道工作井，埋深27 m，采用厚1 000 mm地下连续墙围护，内部设置厚800 mm内衬，与地下室外墙最近距离为10.4 m。
基地南侧为规划道路，基坑开挖施工期间为空地，无地下管线、建筑物等需要保护的对象。
本次基坑施工过程中，周边环境保护的重点是白莲泾路和博成路下方的共同沟、博成路下方的大直径雨水管及邻近基坑的燃气管道、西藏南路隧道及工作井。
1.3 地质条件
场地内主要为正常沉积区，在24 m埋设以下分布有⑥层暗绿色硬土，下部分布有稳定的⑦层砂质粉土、砂土。南部角点处局部为古河道沉积区，缺失⑥层硬土，分布有⑤2层砂质粉土，与下部⑦层直接接触。场地分布的土层自上而下可初步划分为十大层及若干亚层，其中，①层为填土，②层—⑤层为全新统Q4沉积层，⑥层—⑨层为上更新统Q3沉积层，⑩层为中更新统Q2沉积层。
2.1 水文条件复杂
场地表层土为杂填土，地面下普遍分布有厚层软黏性土，其具有含水量高、孔隙比大、强度低、压缩性高、灵敏度高等不良工程地质特性，受扰动易发生结构破坏，导致强度降低，进而诱发地表变形；
区域范围内地下水为浅部土层潜水水位，埋深1.4～1.5 m，相应标高2.74～2.91 m，地下水位高，且较丰富、补给迅速。暗浜填筑成分较为复杂，上部多为松散杂填土，底部多为淤泥或淤泥质土，往往含有大量有机质，工程性质差，对基坑围护结构的质量、基坑周边侧壁的稳定性影响较大。
2.2 地下障碍物及暗浜处理
场地内主要有世博临时雨污水管网、消防水、电缆等（已废弃），地下障碍物主要为世博场馆及高架步道等建（构）筑物的基础。此外，暗浜填筑成分较为复杂，上部多为松散杂填土，底部多为淤泥或淤泥质土，含有大量有机质，工程性质差，对基坑围护结构的质量、基坑周边侧壁的稳定性影响较大，施工前须进行处理。
2.3 基坑保护要求高
基坑安全等级为一级，周边道路及管线均很重要，管线较多，均需要保护，尤其是电力、通信、供水、排水、燃气等管道，一旦道路及管线出现险情，其社会影响及后果是无法估量的。另外，基坑加固时应尽量减少对邻近道路的影响，把地面沉降和地下管线沉降控制在允许值范围以内。
3.1 工程进度时间节点
为了综合分析基坑变形及管线沉降与施工工况之间的关系，将绿谷项目基坑施工节点汇总至表1。
表1 基坑施工时间节点汇总
3.2 监测数据分析
3.2.1 墙体变形变化
本基坑工程属于大面积深基坑，同时由于基坑是分区开挖，故选择不同分区、不同工况具有代表性的特征点位数据绘制位移曲线图，分析施工过程中的墙体变形。
Ⅰ区、Ⅲ区变形数据如图2、图3所示。CX51测斜点为Ⅰ区和Ⅲ区中隔墙中部的测斜点，CX48测斜点为Ⅰ区博成路侧中部的测斜点。CX32测斜点为Ⅲ区博成路侧中部的测斜点，CX38为Ⅲ区白莲泾路侧中部的测斜点。
图2 Ⅰ区地下连续墙测斜曲线
从以上墙体测斜曲线图中可以得出如下结论：
1）在每层土开挖完成后，墙体位移曲线与该层土开挖前的位移曲线有较大的位移量，位移最大点出现在该层土开挖面以上或以下3 m左右的位置。
2）随着开挖深度的加深，位移曲线弧度逐渐增大，位移最大点也逐渐下移。
3）位移较大的测点主要在中隔墙及基坑侧边的中部。
基坑开挖过程中随着深度的不断加深，墙后主动土压力在纵深方向也不断加大，导致墙体变形加大，基坑危险系数加大。另外，监测数据也反映出墙体变形的大小与基坑开挖深度、开挖速度、单层土开挖厚度、地下连续墙厚度及地下连续墙处于无支撑悬臂状态的时间长短有关。因此，在基坑开挖过程中，分段、分层开挖，开挖后及时形成支撑，对控制围护体变形起着至关重要的作用。
3.2.2 地下管线垂直及水平位移
选取距施工区最近的2排管线监测点的监测数据绘制位移历时曲线，分析施工与位移之间的关系。
1）高科西路管线垂直及水平位移如图4、图5所示。在本工程施工过程中，大部分管线监测点呈下沉和向施工区位移的趋势，部分位于西藏南路隧道南工作井上的电力管线监测点有隆起的现象，这主要是由于高科西路下方西藏南路隧道工作井上浮所致。其次，垂直位移曲线显示，2014年6月—2014年12月，监测点位数据呈下降趋势，但是趋势较缓，主要是由于Ⅰ区开挖所造成，但是由于Ⅰ区与高科西路地下管线还相隔了并未动工的Ⅱ区基坑，故变形速率小，变化趋势缓和。2014年2月—2014年12月，在Ⅱ区基坑施工过程中，管线变形情况呈阶梯性发展，位移较明显的时段主要集中在各层土方开挖以及拆撑过程之中。
图4 高科西路管线垂直位移曲线
图5 高科西路管线水平位移曲线
2）博成路管线垂直及水平位移如图6、图7所示。从位移曲线图可以看出，博成路上处于中段的点下沉量较大，向道路两端逐渐减小，这说明了博成路的变形情况是以中间位置明显，向两端逐渐减缓的态势。其原因是中间点位正位于Ⅰ区与Ⅲ区的交界位置，在2个分区基坑施工过程中均对其产生了影响，位移叠加后最终的变化量明显要大于两端的测点。而水平位移曲线图也同样显示，在相同的位置，其受到基坑开挖影响，也出现了朝向基坑的明显水平位移，与垂直沉降相符。特别是2014年6月，3区第5层土方能源中心施工阶段，变形情况到达峰值。
图6 博成路管线垂直位移曲线
图7 博成路管线水平位移曲线
3）白莲泾路管线垂直位移如图8所示。对于白莲泾路地下管线而言，对照曲线图，可以发现变形情况并不明显，呈波动状，趋势稳定。其变形情况主要出现在垂直位移上，而对于水平位移，几乎没有明显变形发生。主要是由于该侧管线均在道路远离基坑的一侧，且隔着共同沟，受基坑施工影响不明显。
图8 白莲泾路管线垂直位移曲线
综上所述，地下管线垂直与水平位移主要发生在高科西路以及博成路段，其变线情况符合现场工况。特别是在博成路上，由于受到2个分坑的共同叠加影响，其变形值超过其他点位。而高科西路管线的变形情况，由于基坑Ⅱ区进行了坑底的三轴满堂加固，故其土质得到了整体上的加强，从而使得周边地下管线的变形情况得到了明显的缓解。
3.2.3 共同沟位移
本工程北面以及东面的地下管线共同沟由于距离基坑较近，所以是本工程的重点保护内容之一。由于北面博成路共同沟距离较远，无明显变化，而东侧白莲泾路地下共同沟距离基坑外边线较近，受施工影响较为明显，故选取其垂直、水平位移进行分析。
1）围护结构施工及I区基坑施工阶段的共同沟位移如图9所示。2012年12月—2013年12月，该时间段内施工工况为：桩基及基坑围护施工、I区基坑土方开挖及地下室结构施工。从共同沟沟顶的数据图可以看出，沉降的数据变化情况整体呈下降趋势，在2013年5月前，共同沟处于整体下沉的过程，其主要是由于施工场地内进行清障施工、槽壁加固施工及地下连续墙施工影响所致。在部分测点的累积位移量超过10 mm后，为了控制共同沟的下沉趋势，经专家评审后在白莲泾路一侧进行注浆加固施工，在注浆施工期间共同沟出现了抬升的现象，施工结束后又出现下沉趋势，之后再注浆，如此反复进行，故位移曲线出现上下波动的现象。在2013年9月停止了坑外注浆施工，共同沟则一直处于下沉的状态，但变化速率较小，至2013年年底。在该阶段虽然I区基坑处于开挖及地下室结构施工阶段，但由于施工面距离共同沟远，且隔着Ⅲ区基坑，因此共同沟的位移变化规律与I区施工工况的联系不明显。
图9 围护结构施工及I区基坑施工阶段共同沟垂直位移曲线
2）Ⅲ区基坑施工阶段的共同沟位移如图10所示。从曲线图中可以看出：在Ⅲ区基坑施工过程中，共同沟整体呈下沉趋势；
在2014年1月—8月，由于伴随坑外注浆加固施工，共同沟位移变化有波动现象；
自2014年9月—2014年11月，共同沟又出现2次明显的下降过程，这主要是由于Ⅲ区基坑进行拆撑施工所致；
进入2015年共同沟位移变化逐渐稳定。
图10 Ⅲ区基坑施工阶段共同沟垂直位移曲线
从整个过程看，本工程共同沟变化共分3个阶段：桩基围护施工阶段、Ⅲ区基坑开挖施工阶段及Ⅲ区地下室结构施工阶段。这3个阶段对于共同沟的影响较为集中，桩基及基坑围护施工阶段，共同沟位移累积变化量未出现报警情况；
在基坑开挖阶段，其整体呈下沉趋势，但由于注浆加固施工的作用，沉降速率并不大，有部分测点的累积变化量达到报警值；
在地下结构施工阶段，由于支撑拆除导致共同沟出现了明显的位移变化，大部分测点的累积变化量达到报警值；
当地下室结构完成后，共同沟位移速率明显减小并逐渐稳定。综上可知，施工对周边土体的扰动是导致共同沟产生位移的最直接原因，而注浆加固施工在一定程度上控制了土体的位移，减小了共同沟的累积位移量，确保了其安全运行。
4.1 加固目的
为控制共同沟沉降速率，需对沟底土体进行注浆固结，改良土体承载力，起到防止共同沟继续沉降的效果。根据设计图纸及要求，在基坑外侧与共同沟间设置预埋注浆管以备在施工过程中根据实时监测数据，实施跟踪注浆，以控制共同沟的沉降。
4.2 原因分析
共同沟沉降的主要原因可能为拔桩后土体扰动较大，加上拔桩深度较深，达到25 m，而拔桩回填后进行槽壁加固施工的深度只有19.9 m，可能导致槽壁加固下方的土体不密实，现针对拔桩洞下不密实土体进行注浆处理。同时地下连续墙施工以及土方开挖导致坑内土压力卸载也会引起共同沟的沉降。
4.3 处理方案
1）拔桩处下部桩不密实部分土体的处理：在原拔桩位置埋设26 m深注浆管（拔桩桩底下1 m），注浆范围为－26.0～－20.0 m；
由于所拔6根管桩，仅3根在槽壁加固上，其余在地下连续墙槽段里，对其注浆无意义，故此次只对3根在槽壁加固上的桩孔进行处理。
2）对白莲泾路侧地下连续墙取注浆点3个，点间距为1.5 m，注浆点与地下连续墙的垂直距离为1.5 m，注浆管埋深为9 m，注浆加固范围为－9.0～－6.0 m。
绿谷项目地下空间工程作为目前上海市市区内一比较典型的深基坑工程，周边环境复杂、地下管线纵横密布，基坑总体变形控制良好，管线沉降在可控范围内。通过对施工工况与变形数据分析，可以明显地发现基坑施工阶段的时空效应影响，土体卸载后向坑内变形显著，待结构完成后变形趋于稳定。另外，对于已发生沉降的管线，进行压力注浆固化土体是一种切实可行的方法，可为基坑工程提供一定的施工依据。
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