超大基坑施工近距离平行地下供能管沟的变形控制

张敏华

（上海城建市政（工程）集团有限公司，上海市 200065）

0 引言

随着我国城市化的快速发展、建筑功能的综合化与地下空间的集约化开发利用，近年来超深和超大基坑工程在城市开发新区的建设中不断出现。与小规模基坑相比，超大超深基坑本身的施工风险大大增加，需要在施工技术、工艺方法、管理模式、风险预控等方面不断研究，完善、超越已有的理论和技术体系，形成一整套更安全、更成熟的施工工艺。同时随着基坑工程区域地质条件、环境条件、近邻约束条件等日益复杂，尤其对于软土地层的超大超深基坑，其施工阶段邻近地下管线因某种原因无法实施搬迁的，因影响时间长、影响范围大，相邻地下管线结构的变形控制成为施工一大难题。

本文以上海虹源盛世国际文化城02-A区地下工程的超大基坑施工为例，结合工程的实际情况和相邻管沟的保护要求，在超大基坑开挖方案有限元分析设计、开挖阶段的重点监测、基坑开挖和管沟保护措施等方面，阐述了超大基坑施工阶段对位于锡虹路靠近基坑南侧的近距离平行于基坑的地下供能管沟的变形控制技术，希望对类似工程施工提供参考。

1 工程概况

1.1 基坑与相邻管沟概况

虹源盛世国际文化城工程位于上海市虹桥商务核心区一期02地块，02地块被锡虹路分为南、北两块，分别为02-A区、02-B区。本文所述的超大基坑工程位于02-A区，占地面积55 053 m2，周长约964 m，开挖深度15.3 m。相邻的供能管沟位于基坑南侧的锡虹路下，管沟外壁距离围护结构边线1.2～1.5 m，如图1所示。

图1 虹源盛世国际文化城02地块平面图

1.2 工程地质水文与地下关系

工程场地地貌属于滨海平原地貌，地基土在勘察深度范围内均为第四系松散沉积物，在基坑开挖深度范围内涉及的土层分别为①层、②层、③层、④层及⑤1-1层，其物理力学性质见表1。其中的③层土含粉性土颗粒较重，易渗水，并可能产生流砂、管涌等现象，必须采取相应的预防措施，尤其要注意止水、隔水、降水的可靠，以确保该工程深基坑的施工安全。地层典型分布及与地下结构的关系如图2所示。

表1 各层土的物理力学性质指标

图2 工程地质、基坑与管沟的地下关系（单位：mm）

对工程区有影响的潜水层和承压含水层，潜水地下水初见水位埋深为2.50～3.10 m，稳定水位埋深为1.68～2.27 m；埋深约30.0 m以下的⑦1-1和⑦1-2土层为承压含水层，一般埋深变化范围为3.0～11.0 m，勘察期间测得⑦1-1层承压水位埋深约6 m。

基坑邻近供能管沟侧采用地下连续墙围护，墙厚 1 000 mm，墙深 30.5 m，3ø850 mm@1 200桩长22.3 m高压旋喷桩槽壁加固（见图2），其余非管沟侧则采用钻孔灌注桩加三轴搅拌桩止水帷幕围护结构。

1.3 基坑开挖与降水

02-A区基坑工程因规模超大，为确保施工安全，施工时采用ø950 mm@1 150 mm桩长29.5 m钻孔灌注桩，将大基坑分割为A1、A2和A3三个分区进行开挖，开挖顺序依次为A1→A2→A3（见图1），具体开挖时再细分不同的开挖工况。

由于③、④层为主要的软弱土层，疏干降水重点考虑该两层，疏干降水应满足水位降至开挖面以下1 m的要求，井深应在开挖面以下6 m左右。实际施工时，A1、A2和A3区的疏干井分别设置了87口、59口和65口，降压井分别设置了9口、9口和10口，坑内满足降压要求时，坑外南侧管沟处最大降深分别约为2.1 m、1.7 m和2.0 m。

1.4 相邻管沟的现状

相邻供能管沟一般段深度为7.3～7.6 m，管沟外壁与相关地块地下室外墙距离为3.4～3.7 m，围护形式为“Ⅳ号拉森钢板桩+两道钢支撑”，如图3所示。在基坑施工阶段，供能管沟施工完成且钢板桩已被拔除，但管沟底板与钢板桩设有1 m长、400 mm厚的混凝土，制约了后续保护措施的实施。

图3 锡虹路施工阶段的管沟

1.5 供能管沟的保护要求

基坑南侧紧邻的地下供能管沟环境保护等级为一级，变形控制要求高，技术难度大，管沟变形缝间差异沉降必须不大于25 mm，管沟结构的绝对沉降量及水平位移量必须不大于20 mm，日控制量要求不大于2 mm/d。

2 供能管沟的施工保护措施

2.1 基坑开挖时的变形控制

2.1.1 基坑开挖方案设计

为控制基坑开挖对近距离供能管沟的影响，需选择合理开挖方案。以02-A1区为例，基坑分四层开挖，其开挖深度分别为3.5 m、3.5 m、4.7 m、3.6 m。第一层土方开挖对周围环境影响较小，重点探讨第二、三、四层土方开挖方案。为此设计了两种土方开挖方案，方案一以岛式开挖为主，方案二以盆式开挖为主，将供能管沟同步考虑，建立如图4所示的02-A1区基坑三维有限元模型。

图4 02-A1区基坑三维有限元模型的具体构成

按照基坑设计方案建立数值模拟分析步骤，方案一共计34个，方案二共计40个，进行非线性求解；求解收敛完成后，后处理选项中，对基坑开挖工序对供能管沟影响的计算结果进行相关处理，分别得到方案一、方案二基坑开挖过程（各工况）地下连续墙和管沟的位移云图及其最大位移随着土方开挖的变化情况，绘制管沟竖向位移与地下连续墙侧移的关系并拟合相应的关系曲线，如图5所示。可见，方案一的斜率为1.23，大于方案二的斜率，表明采用方案一时管沟更易受到地下连续墙发生侧向变形的影响。综上所述，考虑施工过程中土方开挖对基坑本身及周围环境影响的急剧变化程度以及相同土方开挖量下对周围环境影响的数值大小因素，最终确定选择方案二作为虹源盛世A1区基坑开挖施工方案。

图5 管沟竖向位移与地下连续墙侧向位移关系拟合曲线

2.1.2 开挖阶段的重点监测管控

上述数值模拟计算结果对环境影响急剧变化的工况，作为实际施工时加强监测并采取相应保护措施的依据。依然以02-A1区基坑开挖为例：

从各工况管沟竖向位移的变化汇总可见，各工况下管沟最大位移发生在中部，每一层土方开挖南侧、北侧各两个角撑区域以及分层收底最后开挖时管沟的位移变化较大，基坑开挖完毕后管沟的最大竖向位移为46.2 mm。因此在实际施工中管沟中部是监测的重点。

从各工况下地下连续墙最大侧向位移汇总可见，开挖过程中，地下连续墙的侧向位移逐渐增大，第一层土方开挖各工况侧向位移变化相对平缓，之后各层土方开挖变化较大，应加强其侧向位移监测。

实际施工中，在锡虹路下供能管沟位置布设了间距为20 m的沉降监测共计15点，在管沟侧基坑止水帷幕3 m范围内布设了深度约35 m的坑外承压水水位观测孔、水位观测点共计3个，南侧地下连续墙围护结构布设了6个测斜孔。

2.1.3 开挖阶段控制变形措施

在开挖阶段，根据管沟的保护要求，在常规基坑安全施工措施的基础上，采取以下针对性措施来更有效地减少基坑开挖对相邻地下平行供能管沟的不利影响：

（1）严格按照分层、分段与分块的开挖设计方案，以对称、均衡为原则进行土方开挖，充分利用时空效应，随挖随撑、限时封闭、坑边留土，减少基坑开挖卸载变形，有效降低大面积开挖的施工风险。

（2）基坑开挖到底后，在靠近管沟的一侧，立即采用200 mm厚C30混凝土配筋垫层，有效控制在底板结构施工期间土体位移的进一步发展。

（3）实施信息化动态监测来指导施工，根据监测结果，分析地下连续墙和管沟的变形趋势和位移速率，以管沟变形收敛为目标，现场及时调整施工部署，一旦发现变形速率及变形量较大时，应立即停止开挖，按需降承压水，并根据变形的部位和原因分析情况及时采取注浆等应急措施。

（4）采用无线远程数字化水位监控系统，随时掌控基坑开挖阶段的地下水位变化情况，如图6所示。

图6 无线远程数字化水位监控系统

（5）以基坑开挖安全和供能管沟保护为控制目标，结合开挖设计方案、有限元分析结果和各项针对性措施，建立数字化三维的BIM管理平台，集成所有相关的动态监测和施工数据，进行现场全方位实时监控。

2.2 地下供能管沟保护措施

从图2可知，该工程南侧锡虹路下供能管沟宽5.6 m，高3.2 m，侧壁壁厚500 mm，底板厚600 mm。管沟下部未设置桩基，处于②层和③层，与南侧地下连续墙近距离地下平行，受超大基坑施工影响较大。为达到其保护要求，除基坑开挖需密切注意对其的变形影响外，在其本身所处的坑外位置，在现场实施条件许可的情况下，采用了以下加强措施来最大限度地减低其变形：

（1）管沟完成后，回填土采用水泥土分层进行压实回填，管沟侧壁的回填区域采用压密注浆进行加固，型钢、钢板桩拔除后须立即注浆充填密实，以强化其周围土体。

（2）靠供能管沟侧，基坑内采用高水泥掺量的3ø850 mm@1 800 mm三轴搅拌桩进行裙边加固，加固深度范围从基坑的第一道支撑底至坑底开挖面以下4.0 m，使基坑内侧土体抗力可靠，以进一步控制基坑施工阶段管沟结构的变形。

3 结 语

该工程基坑开挖到底时，供能管沟的最大沉降量为12.0 mm，最大水平位移为15.0 mm，均小于20 mm的变形控制目标；管沟变形缝间最大差异沉降量为9.0 mm，小于25 mm的变形控制目标，超大基坑对相邻管沟的影响实际可控。本文所述的超大基坑施工近距离平行地下供能管沟的变形控制技术在实际应用中取得了预期效果，对类似工程有一定的参考意义。在今后的类似工程实践中，还应在以下两个方面予以关注：

（1）对于地下连续墙，槽壁施工时若处理不当，将直接引起管沟沉降；接头处理同样非常关键，若在开挖时出现渗漏，可能使管沟与地下连续墙之间的土体流失，造成管沟沉降。对于超深基坑，地下连续墙的施工质量尤为重要。

（2）该工程基坑施工，竖向设置三道水平混凝土支撑，采用对撑、角撑和边桁架形式布置，采用临时钢格构柱及立柱桩作为竖向支承构件，因形式较简单，未做详述。但随着超大超深基坑施工技术的发展，新型基坑支撑技术不断创新与应用，如装配式预应力鱼腹梁钢结构支撑体系（IPS工法）、基坑支撑轴力自动补偿新技术等，对基坑开挖变形控制的作用越来越大。因此应在今后超大超深基坑施工中予以积极关注，通过技术的不断提高和更精细化的基坑施工管理，使超大超深基坑施工的安全性得到进一步提升，可对周边环境的影响更为降低。