上海某基坑超深地墙变形与接缝张开分析

2022-11-24叶可炯

城市道桥与防洪 2022年10期

叶可炯

[上海城建市政工程（集团）有限公司，上海市 200331]

0 引言

近年，随着我国城市地下空间开发的快速发展，超深基坑工程与日俱增，且临近建（构）筑物的密度越来越大，给基坑开挖的环境扰动控制带来了一系列的挑战[1-7]。超深基坑施工的环境扰动往往与许多因素相关，其中以地下连续墙的变形与接缝渗漏的影响最为显著。

近十年来，地下连续墙的渗漏问题得到了逐步认识和重视[8-11]。谷湘泉[9]通过对南昌地铁一号线车站深基坑地下连续墙的渗漏水部位和渗漏量值进行分析，得出以下两点主要原因：（1）混凝在浇筑过程中受钢筋约束，墙缝位置混凝土浇筑困难易产生离析，引起地墙缝处混凝土不密实而出现缝隙，从而引发渗漏；（2）地下连续墙在接缝处的夹泥也是造成地下连续墙渗漏的主要原因之一。国内外大量学者的研究主要集中在对超深地下墙的渗漏检测方法：声呐法、电渗法、光纤测温法、CT 成像法等的探索研究[10，11]，对基坑变形与渗漏的关系尚缺乏深入研究，特别是深基坑开挖工序及空间效应导致的变形不均匀性引起的地下墙接缝张开问题，尚未见文献报道。

但是，国内地铁车站渗漏很多是发生在施工开挖到一定深度并产生较大变形后[12]，证明超深基坑的渗漏不仅由围护结构的缺陷造成，基坑开挖过程中围护结构因开挖的空间效应而产生的纵横向不均匀变形，可能会使得地墙接缝出现某种程度的错动张开，进而也造成坑内外水土连通。因此，本课题结合上海北横通道某深基坑工程，采用数值模拟方法分析基坑开挖全过程地下墙的三维变形规律，建立基坑不同槽段部位变形与其接缝张开的关系，进而判断基坑地下墙接缝渗漏的安全，从而可为深基坑设计和施工优化提供有益的补充和参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

上海杨树浦港盾构工作井开挖深度约为30.5 m，基坑外尺寸为74.8 m×（24.4～34.8）m（长×宽），围护结构采用厚1.2 m 的地下连续墙，长63 m，地下连续墙之间接缝采用铣接头。内衬厚度1.2 m，竖向设置6 道钢筋混凝土支撑，见图1、图2。

图1 基坑支护剖面图（单位：mm）

图2 基坑支撑结构平面示意图（单位：mm）

工作井基坑采用顺作法施工，从上往下依次开挖、浇筑第一至第六道支撑及围檁（围檩的详细参数见表1，基坑施工工况见表2）。其中，盾构穿越工作井时，部分内衬墙、底板与B1 板（下二层板）已浇筑完毕，第三至第六道支撑已拆除，第一道与第二道支撑保留，阻碍盾构过井的格构柱已割除。盾构过井完成后，由下向上依次浇注中隔墙、梁柱、B2～B4 板等内部结构。待结构达到设计强度之后，拆除第二道支撑，浇筑顶板。待顶板满足强度要求后，拆除第一道支撑。上述结构达到强度后，凿除剩余格构柱，补浇筑孔洞，回填覆土，恢复交通。

表1 工作井基坑混凝土支撑截面

表2 施工工序

1.2 周边环境与地质条件

基坑周边环境见图3，基坑南北侧为翻交后保持通行的周家嘴路，基坑北侧有杨浦区中小企业园区（1～5 层砖混结构距离基坑约9.73 m）、中化道达尔站（距离基坑约46 m）；基坑西侧有杨树浦港及其桥梁（距离基坑约64.14 m）；基坑南侧有正在拆迁二钢厂。需要保护的敏感建构筑物较多，基坑安全等级及环境保护等级均按一级考虑，围护结构的变形与渗漏应得到严格的控制。

图3 基坑周围环境图

地层分布见图1，自上而下为①1填土、②1褐黄～灰黄色粉质黏土、③t黏质粉土夹淤泥质粉质黏土、③淤泥质粉质黏土、④淤泥质黏土、⑤1黏土、⑤3-1粉质黏土、⑤3t灰色黏质粉土夹粉质黏土、⑧1粉质黏土、⑧2t粉砂夹粉质黏土、⑧2粉质黏土与粉砂互层、⑨1灰色粉砂。⑨灰色粉砂。基坑坑底位于⑤3-1粉质黏土。

工程场地浅部地下水属潜水类型，常年平均地下水位埋深为0.5～0.7 m。据地质勘察资料，⑤3t层为微承压水层，⑧2层、⑧2t层、⑨层为承压水含水层并呈连通状态。据上海地区工程经验，⑤3t微承压水层水位埋深在3～11 m，⑧2、⑨层承压含水层水位埋深在3～12 m。

2 数值计算模型

2.1 土体本构模型及参数

为了模拟基坑开挖过程中土体存在的小应变阶段的非线性、应力相关等特性，采用土体小应变硬化模型（HHS）。土体的实际参数取值参考顾晓强[12]等研究，具体参数见表3。

表3 土体材料参数及取值

2.2 三维数值模型的建立

模型平面尺寸按地下连续墙深度的3 倍取值为200 m×200 m。考虑地下连续墙接缝对三维空间计算收敛及效率的影响，本模型将对地下连续墙进行以下简化：

（1）将地下连续墙视为连续的整体，建模时忽略接缝的影响；

（2）考虑到转角混凝土腋角的存在，认为转角处为刚性。

计算模型见图4。

图4 深基坑三维计算模型

3 地下连续墙侧向变形分析

3.1 地下连续墙侧向位移的竖向变化规律

地下连续墙的侧向位移变形云图见图5。可以发现，侧向位移最大发生在开挖面附近（-35.84 m）处，在第五～第六层支撑之间也较大。进一步作出地下连续墙侧移的竖向分布见图6，可见随着开挖深度不断增加，地下连续墙的侧向位移逐渐增大，同时最大侧向位移点逐渐下移始终保持在开挖面附近。最终在基坑开挖到底时，坑底附近变形为最大。

图5 地墙侧向变形云图

图6 地下连续墙侧向变形分布随土体开挖变化

3.2 基坑长短边最大侧向位移的变化规律

基坑地连墙的长短边在埋深36 m 处（由图5 可知为最大侧向变形位置附近）的最终水平位移分布见图7，在土体卸荷的作用下，地连墙的长短边均向基坑内部发生形变，且均在拐角处变形较小，在地连墙中部变形较大，变形呈近似抛物线分布，基坑边长越长变形越大，这与空间效应吻合。

图7 地下连续墙变形水平分布（z=-36 m）

4 地下连续墙接缝变形与渗漏风险分析

通过图7 地下连续墙的变形可以看出，沿墙体法向的变形是由基坑外侧指向基坑内侧且位移较大，是最主要的变形。

对本工程基坑北侧17 幅地下墙（见图2），从左到右将其编号为1-17，分别对其开挖面（深度30 m）处侧向变形曲线进行线性拟合，然后根据直线段斜率来求得每幅地下墙的转角（见图8 及式（1））。为考虑基坑角部空间效应及地墙转角槽段刚性影响，对转角槽段拟合时将直线段截距取为0。可得地下连续墙段间相对转角见表4。

表4 地下连续墙段之间相对转角单位：（°）

图8 相对转角计算示意图

式中：θ 为地墙接缝相对转角；a1、a2分别为相邻两段地墙的变形斜率。

为了更直观表示转角随位置的变化关系，变化趋势制见图8。可以看出地下连续墙在基坑边两端部的2-3 幅地墙相对转角明显大于中间部位转角，且越靠近端部增加较快。最大转角分别发生在基坑北侧左右两端邻近转角槽段的地下墙接缝。应该指出的是，本文中由于将基坑边转角槽段考虑为刚性，可能导致转角处相邻槽段相对转角偏大。如果转角处槽段发生一定转动，则使得该处邻近槽段相对转角减小。但是，基坑邻近角部的相对转角大于中部的总体趋势不变。

根据地墙厚度为1.2 m，采用式（2）计算得出每段地墙接缝间的最大宽度见表5。接缝张开最大为17.15 mm，张开较大，存在渗漏风险。地墙中间的接缝均存在不同程度的变形，为了更直观体现接缝的变化情况，作图如图9 所示。地下连续墙接缝张开宽度分布见图10。