上海软土地区某地铁风井深基坑案例分析

谭　勇, 康志军, 卫　彬, 邓　刚

(1.同济大学 地下建筑与工程系,上海 200092； 2. 中铁二院 华东勘察设计有限责任公司,上海 200023；3. 四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院,四川 成都 611130)



上海软土地区某地铁风井深基坑案例分析

谭勇1, 康志军1, 卫彬2, 邓刚3

(1.同济大学 地下建筑与工程系,上海 200092； 2. 中铁二院 华东勘察设计有限责任公司,上海 200023；3. 四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院,四川 成都 611130)

摘要:针对上海软土地层中某地铁风井深基坑的工程概况,结合地质条件和现场施工工序,分析围护结构变形、支撑轴力、立柱隆起和地表沉降等现场监测数据,并与其他工程案例进行对比,研究该基坑的变形性状.研究结果表明：虽然钢筋混凝土支撑刚度较大,但其浇筑及混凝土养护时间较长,在软土流变作用下,围护结构侧向位移在支撑施工期间随时间大幅增加.由于承受较大的土压力,混凝土支撑下的钢支撑设计轴力无法被完全利用,实测轴力值偏小.由于深部承压含水层的作用，当基坑开挖深度较大时，地表经历明显的上升.地下连续墙施工将导致不容忽视地表沉降，其沉降影响范围与基坑开挖所造成的影响范围相当.与上海地区地铁车站基坑变形对比发现：本风井基坑开挖所造成的地表沉降和沉降影响范围都较小.

关键词：软土地区；风井深基坑；地连墙侧移；支撑轴力；地连墙施工；地表沉降

近年来,诸多学者对我国软土地区不同类型的深基坑变形性状进行了详细的研究.龚晓南[1]对基坑工程的一些重要问题进行了讨论分析.徐中华[2]对上海地区支护结构与主体地下结构相结合的深基坑变形性状进行统计.Wang等[3]研究了采用不同施工方案以及不同围护结构基坑的变形性状.Tan等[4-5]发现：软土地区的地铁深基坑开挖至坑底后,及时浇筑混凝土底板能有效抑制围护结构侧向变形和地表沉降的发展.Tan等[6-7]系统研究了上海软土地层中顺作法与逆作法基坑的变形性状及基坑几何形状与平面尺寸大小对开挖变形的影响.郑刚等[8-9]研究了不同围护结构变形形式对深层土体位移和邻近建筑物的影响.徐长节等[10]分析了非对称开挖条件下基坑的变形性状.应宏伟等[11]研究了坑外地下水位波动对软土地区基坑水土压力的影响机理.

随着城市地铁项目的不断推进,出现了大量地铁区间风井基坑,此类基坑具有开挖面积小、平面形状规则、开挖深度大的特点,但目前有关地铁风井基坑的研究并不多见.本文依托上海某地铁区间风井深基坑,对围护结构侧向变形、支撑轴力、立柱隆起、墙顶竖向位移、地表沉降等监测数据进行分析对比,研究风井深基坑的变形性状.

1工程概况

本基坑为上海某地铁风井深基坑项目.基坑平面布置如图1所示,风井主体结构外包尺寸为39.90 m×21.50 m,最大开挖深度He= 25.07 m.风井主体采用明挖顺作法施工,并结合地下二层框架逆作,基坑详细施工工况参见表1.基坑保护等级为二级,容许变形值如下：围护结构最大变形值≤0.30%He；地表最大沉降值≤0.20%He.

图1　基坑监测点平面布置图Fig.1　Plan layout of instrumentations of excauation

编号工况描述起止时间持续时间/dS1围护结构施工2013/12/28—2014/4/12105S2桩基施工,土体加固2014/4/14—2014/5/1127S3开挖至1.00m,浇筑混凝土支撑12014/5/12—2014/6/220S4养护混凝土支撑1,基坑降水2014/6/3—2014/7/633S5开挖至5.00m,安装钢支撑22014/7/7—2014/7/147S6开挖至8.30m,安装钢支撑32014/7/15—2014/7/216S7开挖至11.60m,安装钢支撑42014/7/22—2014/7/264S8开挖至15.06m2014/7/27—2014/8/15S9浇筑混凝土支撑52014/8/1—2014/8/1514S10养护混凝土支撑52014/8/16—2014/8/2610S11开挖至18.37m,安装双拼钢支撑62014/8/26—2014/9/510S12开挖至21.67m,安装钢支撑72014/9/6—2014/9/148S13开挖至25.07m,浇筑混凝土底板2014/9/14—2014/9/195

2地质条件

根据岩土工程勘察报告,拟建场地属于稳定场地,土层分布及其物理力学性质参数如表2所示,其中,h为土层平均厚度、γ为土体重度、c为土体黏聚力、φ为土体内摩擦角、K0为侧压力系数、Es为土体压缩模量、N为标准贯入试验锤击数、St为灵敏度.地下水位埋深在0.40～2.00 m,平均水位埋深为1.08 m,本工程第⑦和⑨层为承压含水层,承压水水位埋深在3.00～12.00 m,一般均低于潜水位.土方开挖前20 d进行坑内降水,控制水位在基坑开挖面1.00 m以下,基坑开挖至深度H=15.42 m时,需对第⑦层进行减压降水.

3围护结构设计

为确保基坑稳定性及变形得到有效控制,基坑支护结构采用“地下连续墙+内支撑”形式.地下连续墙厚度为1.00 m,深度为44.00 m,插入比为0.76.支撑采用“钢筋混凝土支撑+地下二层中板框架梁+钢管支撑”形式,共采用7道支撑,其中第1道采用钢筋混凝土支撑,第5道结合地下二层中板框架梁,其余5道采用钢管支撑,各道支撑设计标准见表3.其中，L0为支撑水平间距、A0为支撑截面尺寸、Hz为支撑轴线深度、F1为支撑设计轴力值、F0为支撑预加轴力值.由于坑底土层条件较好,本基坑取消坑底加固,仅在第5道混凝土支撑底下3.00 m范围内施作高压旋喷桩加固,增强混凝土支撑浇筑期间坑内土体的抵抗力.如图2所示为基坑支护剖面图,图2中标注高程为相对高程,以地面为高程零点.

图2　基坑支护结构剖面Fig.2　Profile of braced excavation structure

层号土层名称h/mγ/(kN·m-3)c/kPaφ/(°)K0Es/MPaNSt①1填土1.70-------②粉质黏土1.1018.302020.000.454.2934.10③1淤泥质粉质黏土3.5017.401216.000.503.0725.40③t黏质粉土1.6018.50828.500.406.985-④淤泥质黏土7.5016.701211.500.562.2515.40⑤1-1黏土3.9017.401413.000.552.8524.10⑤1-2粉质黏土3.1018.001618.500.503.7223.90⑥粉质黏土5.4019.404218.000.466.9693.00⑦1-1砂质粉土7.7018.80631.600.4012.0127-⑦1-2砂质粉土7.4018.90432.000.3612.6935-⑦2粉砂19.8019.00334.600.3413.8459-⑨粉砂-19.50234.60-13.2376-

表3　各道支撑主要设计参数

注：括号中数值为斜支撑轴力

4基坑监测

为全面掌握施工中的基坑变形情况及其对周边环境的影响,对风井基坑进行以下几个方面的动态监控：1)基坑周围地表沉降、地下连续墙侧向变形、墙顶位移、支撑轴力、地下水位、立柱隆起等；2)测点布置如图1所示,C为地下连续墙侧向变形测点,Q为墙顶位移测点,L为立柱隆起测点,Z为支撑轴力测点,D为地表沉降测点；3)同一断面地表沉降监测点到基坑的距离依次为2.00、5.00、10.00、20.00、42.00 m.

5监测数据分析

5.1地下连续墙侧移

开挖至坑底时,地下连续墙侧向位移δh随地下连续墙深度z的变化曲线如图3所示.由于基坑形状规则,测点对称布置,各测点处的地下连续墙变形曲线相似.同其他测点相比,位于基坑短边的C1测点底部发生的侧向位移较大,可能由地下连续墙施工的质量缺陷引起.

各测斜点处的地下连续墙最大侧移δhm与开挖深度H的关系如图4所示.δhm的变化范围为0.10%H～0.30%H,小于文献[3]中上海地区采用地下连续墙围护的顺作法基坑δhm的统计范围0.10%H～1.00%H和采用逆作法基坑的统计范围0.10%H～0.55%H,因为文献[3]中统计样本多、数据离散性大,其统计范围大于本工程的统计.本基坑δhm的上限0.30%H小于文献[4]中统计的上海地区采用地下连续墙围护的地铁车站基坑标准段的上限0.50%H,但与平面尺寸相近的地铁车站基坑端头井的上限相同,因为本风井基坑及地铁车站端头井基坑均开挖面积小,空间效应显著,有效地限制了地下连续墙最大侧向变形的发展.

如图4所示为基于弹性地基梁原理计算得到的各开挖深度对应的δhm理论值,对比可知：当H≤15.06 m时,理论值接近甚至大于实测值；当H>15.06 m时,理论值远小于实测值,实测值δhm的上限由0.18%H增大至0.30%H.结合表1可知：当基坑开挖至15.06 m后,由于施工第5道混凝土支撑,基坑有>20 d的暴露期,此时开挖面位于强度较低的淤泥质黏土层,土体会发生明显流变,从而导致δhm的实测值明显增大,但弹性地基梁计算理论无法考虑土体流变的影响.

如图5所示为δhm随时间的变化曲线.在S9至S10阶段,尽管没有进一步的开挖卸载,但是土体流变使δhm保持较高速率的增长.在S11至S12阶段,由于开挖卸载应力水平较高,施工持续时间相对较长,虽然布置了较大刚度的支撑结构(第5道混凝土支撑、第6道双拼钢支撑),δhm增长速率依旧很大.而在S13阶段,δhm的增长速率明显变小,这是由于此阶段基坑分段取土(沿Z1→Z2→Z3方向),并逐段浇筑1.40 m厚的混凝土底板,有效地控制了δhm的发展,与文献[4-5]的研究结果一致.

图3　开挖至坑底时围护结构侧向变形Fig.3　Lateral wall deflections at final excavation depth

图4　围护结构最大侧移与开挖深度关系Fig.4　Relationship between maximum lateral wall deflections and excavation depth

图5　围护结构最大侧移随时间的变化曲线Fig.5　Development curves of maximum wall deflections over time

5.2支撑轴力

图6　支撑轴力随时间的变化曲线Fig.6　Development curves of axial strut force over time

如图6所示为支撑实测轴力F随时间t的变化曲线,其中,Z2-3表示第3道支撑Z2测点的轴力监测值.从图6可知,钢支撑在安装完成后能在短时间内承受较大的轴力,并保持相对稳定.Z1测点的支撑轴力略小于Z2测点.这是由于Z1测点更靠近坑角,空间角效应更加显著.Z3测点处的支撑轴力也略大于Z1测点,这是由于Z3测点靠近重车工作区域,受地面超载影响.第5道混凝土支撑的轴力在S11阶段持续增大至3 000 kN左右,甚至在第6道双拼钢支撑安装完毕后(S12阶段)仍有较大幅度的增长,表明第5道混凝土支撑分担了第6道钢支撑应该承担的部分土压力,从而导致第6道钢支撑实测轴力值远小于设计值.由于基坑采取分段开挖(沿Z1→Z2→Z3方向)、并逐段浇筑1.40 m厚的混凝土底板的方式,围护结构侧向变形在S13阶段得到有效的控制,使得第7道钢支撑的实测轴力偏小,特别是Z3-7测点的最大轴力值仅为366 kN.

5.3立柱和围护结构竖向位移

立柱、围护结构竖向位移过大将导致支撑承受偏心压力作用,严重时会造成支撑失效,因此，必须在实际工程中严格控制立柱隆起和围护结构竖向位移.立柱和围护结构竖向运动的主要影响因素有坑底土体回弹、承压水位、结构自重及施工荷载.如图7～8所示为立柱和围护结构竖向位移δz随时间的变化曲线.当开挖深度较小时,土体应力释放水平有限,结构自重占主导作用,在S5至S7阶段立柱和地下连续墙下沉.随开挖深度的增大,承压含水层覆土厚度减小、坑底土体回弹作用增强,在S8至S9阶段土体带动立柱和地下连续墙上升.在S10阶段(养护第5道混凝土支撑),基坑支护结构整体性增强,抑制了立柱和地下连续墙的竖向运动.在S11至S13阶段,对承压含水层进行减压降水,坑底土体回弹作用减弱,立柱和地下连续墙下沉.混凝土底板浇筑完毕后,立柱和地下连续墙的竖向位移均保持稳定.

总体来说,在S11至S13开挖阶段,靠近基坑中部的立柱隆起量明显大于两边的立柱(即L2>L1;L3>L4),这主要是由于基坑开挖引起的最大土体回弹量一般出现在基坑中部位置,而随着离基坑中心的距离增加,土体回弹量逐渐递减.虽然L1与L4及L2与L3分别呈对称分布(见图1),但L1与L2的隆起量分别大于L4与L3,可能是由于立柱与第5道混凝土支撑在结点处联结强度的差异性导致立柱竖向位移的差异性所致.

图7　立柱竖向位移随时间的变化曲线Fig.7　Development curves of vertical column movement over time

图8　墙顶竖向位移随时间的变化曲线Fig.8　Development curves of vertical wall movementover time

5.4地表沉降

如图9所示为部分监测断面的地表沉降δv随时间t的变化曲线,D9断面的地表沉降值明显大于其他断面,这是由于该断面位于重车工作区域、地面超载影响所致.实际工程中,应当严格控制基坑周边的堆载及重车活动,避免产生过大的地表沉降[12-14].基坑开挖之前的工序将引起不容忽视的地表沉降；在围护结构施工初期和基坑降水阶段,邻近基坑的沉降监测点也会发生较大的沉降.

邻近基坑的测点(D2、D2-1、D2-2、D13、D13-1、D13-2)在S9至S10阶段经历明显的上升,在S11至S13阶段又发生较大的沉降(注：其余监测断面的测点也有类似沉降规律,由于篇幅限制,不再罗列地表沉降曲线).结合图7、8中立柱和地下连续墙的竖向运动推测造成上述现象的原因：在S9至S10阶段,坑内承压水层覆土厚度减小为12.30 m、而承压水头为15.80～24.80 m,承压水层覆土厚度不足,导致整个基坑底部土体回弹,带动基坑附近的土体整体上升,从而地表沉降大幅减小；在S11至S13阶段,对承压水层进行减压降水,坑底土体回弹作用减弱,同时地下连续墙由于开挖卸载发生较大的侧向变形,从而导致相应测点发生较大沉降.远离基坑的测点(D2-3、D2-4、D13-3、D13-4)同样经历一定程度的上升,但滞后于邻近基坑的测点上升.混凝土底板浇筑完毕后,各监测断面的地表沉降都趋于稳定.

图9　地表沉降随时间的变化曲线Fig.9　Development curves of ground settlement over time

地连墙施工与基坑开挖引起的地表沉降δv对比如图10所示,其中d为墙后距离.可以看到,除去D9断面测点的特殊性,在墙后0～5 m范围内,地连墙施工引起的地表沉降值与基坑开挖引起的地表沉降值相当；而在墙后10 m以外,前者明显小于后者.由二者的沉降数据发展趋势可以预测,地连墙施工与基坑开挖所造成的沉降影响范围相当,均可以到达墙后50 m(2He)以外.

图10　地下连续墙施工与基坑开挖引起的地表沉降对比Fig.10　Comparison of ground settlement induced by construction of diaphragm walling and excavation

如图11所示为地连墙施工引起的地表沉降δv分布图,其中Hd为地连墙深度.可以看到,除去D9断面测点的特殊性,本工程的数据点基本都落在文献[15]根据台北基坑实测数据总结的单一连续墙实验单元施工引起的沉降包络线1之内,地表沉降呈三角形分布形态,沉降影响范围大于欧章煜[15]提出的连续墙单一实验单元与多个单元施工引起的沉降包络线1、2,但位于文献[15-16]中提到的整个地连墙施工所引起的沉降包络线3以内.除去受重车活动影响的D9测点沉降值,本工程的地表沉降值明显小于文献[16]的统计结果.

图11　地下连续墙施工引起的地表沉降Fig.11　Ground settlement induced by construction of diaphragm walling

如图12所示为开挖至坑底时,基坑开挖引起的地表沉降δv分布图.可以看出：基坑开挖引起的沉降数据点均落在Peck[17]总结的Ⅰ区内,地表沉降介于梯形分布和三角形分布之间.由于本基坑开挖面积小、且开挖过程中有地表上升现象,基坑开挖引起的地表沉降值和主要沉降影响范围均小于上海地区采用地下连续墙围护的地铁车站基坑开挖[4].很明显,文献[17]所提出的基坑开挖沉降包络线严重高估了上海软土地层中基坑开挖所引起的地表沉降,这是由于其提出的包络线基于柔性挡土结构(如钢板桩、桩墙等)基坑开挖的实测数据,而图12中上海基坑开挖均采用抵抗变形能力强的刚性地连墙为围护结构,因此坑外地表沉降较小.

图12　基坑开挖引起的地表沉降Fig.12　Ground settlement profiles induced by pit excavation

6结论

(1)浇筑第5道混凝土支撑(15.06 m深度处)时,过长的施工时间引起土体流变,导致围护结构侧向变形大幅度增加：当开挖深度H>15.06 m时,本基坑δhm的上限由0.18%H增大至0.30%H.

(2)第5道刚性混凝土支撑分担了设计中原本应该由第6道柔性钢支撑承担的土压力,导致第6道钢支撑的实测轴力值偏小.

(3)对于有浅部承压水层的基坑,当开挖导致承压水层覆土厚度不足时,基坑底部土体的大幅度回弹可能会带动围护结构和基坑附近的土体整体上升,通过对承压水层减压降水能有效抑制坑底土体的回弹.

(4)地连墙施工可能会引起邻近基坑的地表发生较大的沉降.在本工程案例中,地连墙施工引起的地表沉降影响范围与基坑开挖相当,可达2倍基坑开挖深度以外.

(5)由于本基坑开挖面积小、开挖过程中有地表上升现象,开挖至坑底时测得的地表沉降和沉降影响范围都小于上海地区地铁车站基坑开挖.

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收稿日期：2015-10-07.

基金项目：国家“973”重点基础研究发展规划资助项目(2015CB057800).

作者简介：谭勇(1975—),男,副教授，从事深基坑工程、桩基础及地基处理研究. OCRID：0000-0003-3107-5454. E-mail: tanyong21th@tongji.edu.cn

DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2016.06.006

中图分类号：TU 447

文献标志码：A

文章编号：1008-973X(2016)06-1048-08

Case study on deep excavation for metro ventilation shaft in Shanghai soft clay

TAN Yong1, KANG Zhi-jun1, WEI Bin2, DENG Gang3

(1.GeotechnicalDepartment,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 2.ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCompany,EastChinaSurveyandDesignCo.Ltd,Shanghai200032,China; 3.SichuanProvincialTransportDepartmentHighwayPlanning,Survey,DesignandResearchInstitute,Chengdu611130,China)

Abstract:Based on the basic project information of a ventilation shaft excavation in Shanghai soft clay, the deformation behaviors of the foundation pit were studied through analysis and comparisons of field instrumentation data including displacements of retaining walls, axial strut force, column uplift and ground settlement, considering geological conditions and main construction stages. Results show that retaining walls develop significant time-dependent lateral displacements due to long construction duration for casting and curing of concrete struts. Since rigid concrete struts shared in load supposed to be sustained by steel pipe struts braced at next levels, axial forces of the steel pipe struts were unable to be fully utilized. Due to the confined aquifer in deeper layers, ground experienced noticeable upheaving as excavation went deeper. The construction of diaphragm wall panels resulted in significant ground settlement, and the associated settlement influence zone was even comparable to that caused by excavation. Compared with the settlement data from metro station excavations in Shanghai, ground settlement and the relevant settlement influence zone of the case are relatively smaller.

Key words:soft clay; ventilation shaft excavation; lateral wall deflections; axial strut force; construction of diaphragm walling; ground settlement