上海软土深基坑工程周围管线变形特性实测分析

2019-01-11徐而进

建筑施工 2018年2期

徐而进

上海陆家嘴金融贸易区开发股份有限公司上海 200127

随着城市的基础设施完善和地下空间开发，产生了大量的地下管线工程和深基坑工程。上海地区地下管线埋深大多在4 m范围内[1]，而深基坑工程的开挖深度一般超过5 m，某些地铁车站、大型变电站的深基坑开挖深度甚至超过30 m[2]。深基坑工程将不可避免地影响周围的电力、供能、雨水、燃气和信息等管线，这一问题已逐渐引起研究人员的重视。

唐海峰等[3]分析某基坑开挖引起的管线沉降实测数据发现，基坑工程可能引起周围管线持续发生沉降并超过警戒值，需采取跟踪注浆的保护措施。

李大勇等[4]建议考虑管线、土体和基坑围护结构的相互作用，采用线性三维有限元方法研究了某悬臂式基坑开挖引起柔性管线的位移和内力。

王成华等[5]、杜金龙等[6]进一步采用三维非线性有限元方法，分析管线变形与基坑开挖特性参数之间的关系。

邹淼等[7]对比西安某地铁车站基坑开挖引起的管线沉降实测数据和数值模拟结果，指出管线沉降受基坑分步开挖深度影响较大，同时需重视底板施工阶段的管线沉降。

张陈蓉等[8-9]鉴于考虑基坑开挖实际施工过程的力控制整体有限元分析方法（FCFEM）工作量大，且针对性过强的缺点，提出根据位移控制有限元（FCFEM）结果，得到上海软黏土地区板式围护体系基坑围护墙的侧向变形和土体沉降预测曲线，在此基础上提出基于Winkler弹性地基梁模型计算管线变形的简化计算方法。

上述研究，大多从理论方面研究基坑开挖引起的管线变形。理论方法无论采用三维有限元分析方法，还是采用简化分析方法，计算结果均在一定程度上依赖于土体模量的选择[10]，实际操作受主观因素影响较大。虽然已有文献根据现场实测数据分析基坑工程对周围环境的影响，但大多限于分析基坑周围土体、建筑或隧道的变形，有关周围管线变形的实测数据很少[11]。

本文以上海软土地区某深基坑工程现场实测数据为例，分析基坑周围的电力、雨水、供能和信息管线的变形特性，并提出相应的控制管线变形的建议措施。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

本项目位于上海浦东前滩地区的核心地带，西邻耀体路，东邻东育路，横跨上海轨道交通6号线、8号线和11号线的换乘站——东方体育中心站，是前滩定位较高的商业及办公物业，其中的超高层办公楼是前滩中心项目中，也是整个前滩地区（约2.8 km2）内最高建筑，具有明显的地标性质。

本文以该工程中的25-1北区地块进行分析。该地块开挖面积约9 953 m2，基坑形状近似为一个等边三角形（图1），其中最长边长度为147 m。除7区开挖深度为6.45 m，1区坑开挖深度为10.30 m外，其他区域基坑开挖深度为10.40 m，其中局部深坑落深1.80 m。采用先开挖中心大坑，后开挖边缘小坑的开挖步骤，其中1区采用2道混凝土支撑加地下连续墙的围护形式，其他区域采用3道钢支撑加地下连续墙的围护形式。施工阶段为：1区基坑（①阶段）→2、4区基坑（②阶段）→3、5区基坑（③阶段）→6区基坑（④阶段）→地下结构（⑤阶段）。整个基坑外围施作了打入不透水层的止水帷幕。

图1 基坑平面示意

1.2 地质概况

基坑所在地属滨海平原地貌，地面的绝对高程为3.5～6.0 m。地块原为湿地公园，目前场地内主要为空地。西侧为公交车站和地铁站。勘探深度内均为第四系土层。根据收集的资料及本次勘察成果，场地处于古河道分布区，其中⑥层粉质黏土缺失。地基土埋深在20.0～60.0 m范围内分布相对复杂，多呈交互成层或透镜体状分布，20.0 m以上及60.0 m以下基本稳定。

地勘资料显示场地所处地层从上至下依次为：①杂填土、②粉质黏土、③1淤泥质粉质黏土、④淤泥质黏土、⑤2-1砂质粉土与粉质黏土互层、⑤2-2粉砂与粉质黏土互层、⑤3-1粉质黏土、⑤3-2砂质粉土与粉质黏土互层、⑤3-3粉质黏土、⑦粉细砂、⑨粉细砂。

场地浅部分布的③1和第④层是影响工程的主要软土层，土质松软，灵敏度较高。主要微承压含水层为⑤2-1和⑤2-2层，⑤2-1层厚度为10 m左右，为坑内的深层减压井的抽水层。设置坑内降压井14口，坑外观测井9口。

因⑤2-1层土分布均匀、厚度较大，且基坑开挖过程中对该层的降深很大，若止水帷幕隔水效果不好，可能对坑外产生较大影响。为控制坑外承压水位，布置坑外回灌井12口。

1.3 支护方案

基坑工程采用分区顺作开挖法。基坑的地下连续墙厚800mm，墙底标高－25.90 m。地下连续墙外侧均设置厚600mm的TRD工法槽壁加固，桩底标高－38.90 m，打入了不透水层；内侧采用φ850mm@600mm三轴水泥土搅拌桩进行槽壁加固。其中，1区大基坑采用2道混凝土支撑进行支护，分别设置在－1.00、－6.70 m处；其他区域采用3道钢支撑（自动轴压伺服系统）进行支护，分别设置在－0.75、－4.05、－7.30 m处（图2）。邻近地铁分区设置厚300mm素混凝土垫层，1区设置厚200mm素混凝土垫层。在各分区分隔墙处，设置厚400mm的加厚素混凝土垫层。

图2 基坑支护结构示意

2 施工流程与监测方案

基坑北侧有供能、燃气、雨水、电力和信息共5条管线。每条管线自东向西布置11个位移测点，自东向西分别为：雨水管线观测点YS13～YS23、信息管线观测点XX12～XX22）、燃气管线观测点RQ12～RQ22、供能管线观测点GN1～GN11、电力管线观测点DL23～DL33。基坑东侧有电力、信息和雨水3条管线，每条管线同样布置11个位移测点（图3）。

图3 监测点布置平面

3 监测结果分析

3.1 基坑东侧管线沉降分析

基坑东侧3根管线沉降随时间变化的规律基本相同（图4）。自11月15日基坑开始开挖，各管线均快速沉降。12月施作第2道混凝土支撑后，各管线的沉降速度放缓。1月左右，继续开挖第2层土体时，各管线再次快速沉降，但沉降量小于第1阶段沉降量。1区基坑底板浇筑完成，沉降趋于稳定。在拆除第2道支撑时，管线又开始沉降。因东侧管线紧邻2、4区，开挖2、4区小坑阶段，东侧管线沉降加速。开挖3、5区基坑时，因3、5区与东侧管线距离较远，管线无明显沉降。

图4 基坑东侧管线沉降

从时间上分析，在大基坑开挖阶段、拆除横支撑阶段及开挖紧邻管线的小基坑3个阶段，管线沉降速率较快。基坑底板浇筑完成后，各管线产生一定回弹。

从空间上分析，由图4可知，越靠近基坑边缘的管线沉降也越明显。另一方面，以DL管线为例，靠近基坑中心的测点的沉降量较靠近基坑边缘的测点的沉降量大。

3.2 基坑东侧管线水平位移分析

基坑东侧3条管线水平位移随时间变化的规律相似（图5），绝大部分水平位移均发生在大基坑开挖至第2道支撑施工之前的阶段，水平位移8～10mm。第2道支撑施工结束，继续开挖基坑，管线无明显水平位移。究其原因，可能是周围管线埋深较浅，水平位移受浅部土体开挖影响较大。开挖深部土体时，因第2道支撑的约束作用，管线水平位移较小。

3.3 基坑西侧管线沉降分析

基坑西侧距离基坑较近的供能和燃气管线沉降明显大于距离基坑较远的信息和电力管线的沉降（图6）。与东侧管线不同，东侧管线仅在开挖2区小基坑时发生少量沉降，开挖3区和6区基坑时几乎不发生沉降。而西侧距离基坑较近的供能、燃气和雨水3条管线在开挖2、3区甚至6区小基坑时均发生较大的沉降。这与管线和基坑的距离有关，东侧管线距离大基坑和2区小基坑较近，而西部管线距离2、3区小基坑较近。

图5 基坑东侧管线水平位移

图6 基坑西侧管线沉降

距离基坑较远的电力和信息2条管线沉降主要发生在大基坑开挖阶段，大基坑底板浇筑完成，沉降不再发生，甚至产生回弹，最终沉降量约5mm。基坑开挖影响范围为3～5倍开挖深度[12]，而电力和信息2条管线距离基坑边缘约6倍开挖深度，若基坑外的土体位移单纯由开挖引起，则电力和信息管线应该几乎不产生变形。根据基坑开挖影响范围及管线实际沉降随时间发展规律推测，管线沉降在1区底板浇筑完成开始回弹可能原因是，电力和信息2条管线沉降并不是由开挖引起，主要由深层承压水降压及止水帷幕隔水效果较差引起（图7）。因止水帷幕隔水效果较差，导致坑内降压引起坑外承压水位大幅降低，最终引起含水层压缩、管线沉降。

基坑底板浇筑完成，停止降压，坑外承压水位恢复，故管线沉降产生回弹。实际施工时，通过坑外回灌井回灌，有效控制了坑外的承压水位，从而减少了管线的沉降量。

图7 基坑外侧承压水位变化情况

3.4 基坑西侧管线水平位移分析

与东侧管线相似，基坑西侧管线绝大部分水平位移均发生在大基坑开挖至第2道支撑施工之前的阶段，其他阶段均无明显水平位移发生（图8）。因管线距离基坑较东部管线距基坑远，水平位移略小于东部管线的水平位移，为5～8mm。

图8 基坑西侧管线水平位移

对比图6管线沉降，管线最终水平位移为最终沉降的10%～30%。虽然量值较小，但即使底板浇筑完成、坑外承压水位恢复，水平位移也没有恢复。

同时，虽然电力和信息管线距离基坑较供能管线远得多，但电力和信息管线的水平位移接近供能管线的水平位移，说明承压水降压引起的管线水平位移随管线与基坑的距离衰减比较慢。实际施工时应注意，即使管线距离基坑较远，对于止水帷幕隔水效果较差或者止水帷幕未完全隔断承压含水层的情况，承压水位降低也有可能引起管线发生较大的水平位移。