软土超深大基坑工程施工监测分析*

2021-09-16宗露丹徐中华王卫东

施工技术(中英文) 2021年13期

宗露丹，徐中华，王卫东

(1.华东建筑设计研究院有限公司上海地下空间与工程设计研究院，上海 200002；2.上海基坑工程环境安全控制工程技术研究中心，上海 200002)

0 引言

基坑工程通常采用顺作法或逆作法这两种基本模式，但对于某些条件复杂的基坑工程，往往需要采用顺作法与逆作法相结合的方案，才能同时满足经济、技术、工期及环境保护等多方面的要求[1]。对于复杂的深大基坑工程，现场监测是保证工程安全的重要手段，实测数据也是分析基坑工程变形规律的基本依据。一些学者针对软土地区基坑工程实施对坑外环境变形特性进行了研究[2-3]，但对于顺逆作分区的超深大基坑实施的变形及对环境影响的研究尚且少见文献报道。

上海国际金融中心为上海市重大工程，其基坑面积接近5万m2，挖深26.5～27.9m，为近年来上海地区规模和难度最大的深基坑工程之一。该基坑工程设计创新性地采用了顺逆作交叉实施的总体方案，为了保障工程安全，对基坑工程的实施进行了全过程监测，取得了非常丰富的实测数据。笔者在文献[4]中详细地分析了该基坑工程实施过程中地下连续墙的侧移及坑外地表沉降的变化规律。本文进一步分析该基坑工程实施过程中坑外土体变形、立柱变形、支撑轴力发展、水土压力变化等情况，以较全面地揭示顺逆作交叉实施超深大基坑工程的变形和受力规律，为该类型支护基坑的设计和施工提供参考。

1 工程简介

1.1 工程概况

上海国际金融中心项目位于上海市浦东新区竹园商贸地块，地面以上为3幢独立的超高层建筑，分别为上交所、中金所和中结算塔楼，整体设置5层地下室，该项目为上海市重大工程。基坑总面积为48 860m2，周长约为950m，基坑普遍区域挖深为26.5m，上交所、中金所塔楼区挖深为27.9m，中结算塔楼区挖深为27.1m。

本工程用地范围处于规划竹林路以东，张家浜河以北，杨高南路以西，北与竹园商贸区2-16地块紧邻。基坑与东南侧杨高南路下立交以及杨高南路下方的市政管线最近距离分别为34.2m和27.8m，北侧与同步施工且普遍挖深为11.45m的地下3层基坑最小距离约8.3m，南侧距上海竹园工程有限公司最小距离约10.5m，其余周边建(构)筑物均与本基坑工程有较大的距离。基坑平面及监测点布置如图1所示。

图1 基坑平面及监测点布置

1.2 工程地质条件

本工程场地位于长江三角洲冲积平原上，地貌类型属于滨海平原。土层分布均较稳定，从地表至约29m深主要以淤泥质黏土和粉质黏土为主，为典型上海软土；其下为砂质粉土和粉砂，其中第⑦1层呈稍密～密实状态，标贯击数>20；⑦2层和⑨层处于密实状态，标贯击数>50。场地缺失上海地区第⑧层黏土层。

场地地下水有潜水和承压水两种类型。场地浅部地下水属潜水类型，主要赋存于填土、黏性土和粉性土中，水位埋深约1.2～1.9m。深部第⑦层、第⑨层为承压含水层，且两者相互连通，水量补给丰富且渗透系数较大，承压水水位埋深约为7.1～8.3m。各层土参数见文献[4]。

1.3 基坑支护方案

基坑采用“前阶段整体开挖，后阶段塔楼先顺作、纯地下室后逆作”的顺逆交叉实施方案，即基坑首先整体开挖至地下1层，继而塔楼区域采用顺作法施工完成后，纯地下室区域方采用逆作法施工。

基坑周边围护体采用1.2m厚两墙合一地下连续墙，插入至地表以下46m，为控制坑内抽降承压水对坑外环境的影响，在墙后设置深度为55m的TRD等厚度水泥土搅拌墙作为止水帷幕。塔楼周边临时隔断地下连续墙顶标高落低至地下1层结构底，墙厚1m，插入至地表以下44.9m。

塔楼顺作区域坑内设置5道临时钢筋混凝土支撑，纯地下室逆作区采用地下5层结构梁板代替水平支撑，支撑混凝土强度等级均为C40，首道支撑体系平面布置如图2所示。

图2 支撑体系平面

2 基坑施工工况与现场监测

2.1 施工工况

本工程根据分层开挖的步骤，可划分为16个工况，如表1所示。基坑支护实景如图3所示。

图3 基坑支护实景

表1 施工工况

2.2 现场监测

为了及时收集和反馈围护结构、周边土体及环境在施工中的变形信息，基坑施工过程中对各分区设置了如下监测内容及相应测点编号：坑外土体侧向位移监测，T1～T12；地下连续墙墙体侧向位移监测，P1～P3；立柱竖向位移监测，LZ1～LZ63，GLZ1～GLZ144；支撑轴力监测，LYLi-1～LYLi-64(i=1，2，3，4，5，分别代表第1～5道支撑)；坑外潜水水位监测，SW1～SW26；坑外承压水水位监测，CYSW1～ CYSW15；坑外水土压力监测，TY1。

3 监测结果分析

3.1 墙后土体侧向位移

图4分别给出了上交所、中金所塔楼顺作区及裙楼逆作区地下连续墙后土体的侧向位移部分典型监测点在各施工阶段的变形情况。

图4 地下连续墙及坑外土体侧斜管在各工况下的侧向变形

从图中可以看出，各测点的变形量均随着开挖深度增加而逐步增大，且最大变形发生的位置逐渐下移，变形整体形态为“纺锤形”。其中顺作区测点(T1，T5)的变形增量主要发生在工况1～6的土体开挖阶段，而在工况7～12的浇筑底板、施工地下结构期间，测得的墙体侧移增量仍较大，以T1测点为例，其增量值为42.4mm。顺作区在工况7的坑外土体最大变形量为147.7mm(约为0.53%He，其中He为基坑开挖深度)，位于T5测点，可能与该侧坑边超载及运输通道相关。最大变形量位于上海地区采用地下连续墙的顺作基坑工程的平均值变化范围：0.10%He～1.0%He[5-6]。本工程土体侧移变形量较大，但由于基坑开挖深度大，无量纲侧移也仅约为0.53%He(其中He为基坑开挖深度)，仍与上海地区统计的地下连续墙平均侧移量0.42%He接近。

逆作区测点(T9)在工况1下由于周边留土作用，测点变形增量很小。工况2下，逆作区整平开挖至-9.650m，墙体周边土体开挖深度剧增，从而导致工况2侧移增量最大。从工况3～12期间为顺作区施工而逆作区处于暂停状态。受顺作区开挖卸荷及时间效应的影响，在此期间内坑外土体侧移增量有所增大，侧移增量为37.6mm，占总侧移量的22%，可见顺作区开挖对逆作区的变形影响不容小觑。后续各施工工况(即工况13～16)随着开挖的加深，变形也逐步增大，相对而言，变形增长幅度均较平稳。逆作区在工况16的最大墙体变形为170.3mm。

将T9测点的土体侧向位移量扣除工况3～12期间逆作区停工状态的增量值，对应因开挖引起的逆作区土体侧向位移增量值为132.0mm，无量纲侧移值约为0.50%He，同样与上海地区统计的地下连续墙基坑平均侧移量0.42%He接近。

此外，图4中提供了T1，T5，T9对应的邻近地下连续墙侧向位移监测点P1，P2，P3的监测结果(基坑各测点墙体侧向位移规律参考文献[4])，可以看出各测点地下连续墙的整体形态及最大变形位置均与墙后土体侧向位移性状相似，变形量均随着开挖深度增加而逐步增大。对应各测点开挖至基底工况下的地下连续墙最大侧移值(分别为125.7，147.7，170.3mm)与墙后土体最大侧移值(分别为122.2，137.5，175.1mm)基本一致，表明两者变形相协调。

为比较垂直于地下连续墙的墙后土体剖面上，距地下连续墙不同位置处的土体侧移变化情况，分别绘制了顺作区的上交所、中金所及逆作区域墙后位于同一断面上的土体侧斜测点分别在工况7和工况16时的侧移分布曲线，如图5所示。

图5 墙后与基坑不同距离的土体测斜点侧向位移变化曲线

从图中可以明显看出，地下连续墙的侧向位移与靠近地下连续墙的墙后土体侧向位移值接近，且随与基坑的距离增加墙后土体侧移量逐步减小。

距离基坑地下连续墙最远处约16m(约0.6He)的监测数据表明，塔楼顺作区在工况7下的水平位移均值为55mm，约为靠近墙体测点水平位移量的42%，纯地下室逆作区的最大水平位移还有约102mm，约为靠近墙体测点水平位移量的60%，表明坑外土体影响范围远大于16m，且塔楼顺作区的影响范围要小于纯地下室逆作区，正如前所述，这是由于逆作区受顺作区施工影响及时间效应，其变形大于塔楼顺作区。

3.2 墙后土体应变分布

根据墙后土体分层沉降和侧向位移的量测，从而获得墙后土体某点的位移矢量[7-8]。利用文献[8]的方法计算得到顺作区中金所在工况6下墙后土体的水平应变、竖向应变及剪应变如图6所示。

图6 坑外土体各工况下应变分布曲线

中金所区域在工况6下的水平、竖向、剪应变最大值分别为-1.16%，1.48%，1.31%。由于墙后土体的水平变形量随与墙体距离增加而逐步减小，即土体位移均表现为拉伸，故土体水平应变值均为负值，且水平应变较大的区域主要集中于距墙体16m范围内，这与墙后土体侧移规律一致。

竖向应变最大值位置在水平方向与各工况地表沉降最大值附近，在竖向则与相应基坑开挖面深度吻合。工况6下的土体竖向应变影响区域扩展到50m范围附近，这与DG/TJ08—61—2018《基坑工程技术标准》[9]提出的土体沉降主要影响范围在2倍开挖深度范围相吻合。

剪应变最大值集中区域位于靠近墙体的基坑开挖面附近，且除靠近开挖面附近局部区域剪应变值略大于1%外，其他均处于小应变范围[10-13]内。也说明本工程基坑围护的有效性。图6所示的土体应变都与文献[8]的规律基本一致。

3.3 立柱竖向位移

顺作上交所区域及逆作区域的立柱竖向位移随时间的变化曲线如图7所示。如图7可知，由于基坑开挖引起基坑土体回弹，从而带动所有的立柱发生隆起。上交所区域、逆作区域最大隆起量分别为61.6，82.0mm，相邻立柱间的最大差异隆起量分别为21.3，23.4mm。

图7 立柱竖向位移历时分布曲线

各区域立柱在工况2下的隆起量值均较小；并随着各区域后续工况基坑逐步开挖，各个测点立柱的隆起量逐步增加，且顺作区增长速率相对偏大，此外，在开挖淤泥质土层工况(顺作区的工况3及逆作区的工况13)的增长速率均为最大；最终随着底板的浇筑，隆起量基本趋于稳定。

其中逆作区域在工况2～工况12工况期间，受顺作区施工影响和由于时间效应引起的土体蠕变，导致各立柱均有一定的隆起，此期间增量均值为18.2mm，平均隆起增量占总量的23%，可见顺作区基坑开挖时对位于其坑外的逆作区土体回弹影响不容忽视。

3.4 支撑轴力监测

顺作上交所区域各道支撑轴力随时间的变化情况如图8所示。第1～5道支撑的最大轴力值分别为：19 321，33 268，36 434，37 779，12 660kN，第3，4道支撑的轴力最大，第2道支撑次之，第1,5道支撑最小，这与围护体侧向变形的最大值分布形态基本匹配。且根据各道支撑轴力历时分布形态可知，各道支撑轴力在支撑实施后其下邻近约两皮土方的开挖工况、邻近下方2道支撑拆撑施工的工况下，支撑轴力增长速率最快。

图8 上交所支撑轴力随时间变化情况

3.5 墙后地下水位变化

坑外承压水位变化对坑外土体应力、变形变化等有一定作用，本工程采用新型TRD工法构建的等厚度水泥土搅拌墙作为止水帷幕，以满足坑内潜水、承压水位降低对坑外水位影响。施工期间基坑的坑外潜水水位、坑外承压水水位测点的水位随时间变化情况如图9，10所示。

图9 坑外潜水水位变化曲线

从图9中可以看出，上交所、中结算、中金所的坑外潜水水位变化值分别为0.55，2.41，0.58m，均在上海潜水水位变化幅度范围内。且在整个施工期间坑外潜水水位一直很稳定，表明围护结构的施工质量较好，起到了很好止水作用。

由图10可以看出，基坑实施期间抽降承压水，悬挂帷幕未能完全隔断承压含水层，因此坑外承压水水位亦相应有所降低。基坑开挖至基底时，坑内水位降深约25m，相应坑外水位最大降深约10m，坑内外承压水水位降深比达到2.5∶1。

图10 坑外承压水水位变化曲线

3.6 墙后水土压力分布

围护墙坑内外两侧的水土压力分布是墙体受力、变形及稳定的重要影响因素，位于逆作区的地下连续墙侧压力监测孔对应各施工工况下坑内外侧压力变化情况如图11所示，并将坑外开挖前的理论静止土压力、朗肯主动土压力以及坑内朗肯被动土压力分布绘于图中，计算采用的水位线高程为潜水水位。由图可知，坑内外的墙后侧压力(水、土压力合力)分布形态均类似三角形分布，且坑外墙后侧压力均随着施工工况而逐步减小。

图11 基坑开挖过程中两侧水土压力合力的变化情况

坑外墙后侧压力较理论朗肯主动土压力值要小。坑内墙前侧压力分布表现为：工况2下在25m深度以上实测土压力与朗肯被动土压力理论值大致相当，而在25m深度以下，实测值较小朗肯被动土压力理论值要小。可能是由于朗肯主动土压力理论值计算方法以假设围护墙与土体接触面光滑为前提，从而高估了实际表面粗糙的围护墙后土侧压力。