徐而進(jìn)

上海陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)開發(fā)股份有限公司 上海 200127

隨著城市的基礎(chǔ)設(shè)施完善和地下空間開發(fā)，產(chǎn)生了大量的地下管線工程和深基坑工程。上海地區(qū)地下管線埋深大多在4 m范圍內(nèi)[1]，而深基坑工程的開挖深度一般超過5 m，某些地鐵車站、大型變電站的深基坑開挖深度甚至超過30 m[2]。深基坑工程將不可避免地影響周圍的電力、供能、雨水、燃?xì)夂托畔⒌裙芫€，這一問題已逐漸引起研究人員的重視。

唐海峰等[3]分析某基坑開挖引起的管線沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，基坑工程可能引起周圍管線持續(xù)發(fā)生沉降并超過警戒值，需采取跟蹤注漿的保護(hù)措施。

李大勇等[4]建議考慮管線、土體和基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用，采用線性三維有限元方法研究了某懸臂式基坑開挖引起柔性管線的位移和內(nèi)力。

王成華等[5]、杜金龍等[6]進(jìn)一步采用三維非線性有限元方法，分析管線變形與基坑開挖特性參數(shù)之間的關(guān)系。

鄒淼等[7]對(duì)比西安某地鐵車站基坑開挖引起的管線沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，指出管線沉降受基坑分步開挖深度影響較大，同時(shí)需重視底板施工階段的管線沉降。

張陳蓉等[8-9]鑒于考慮基坑開挖實(shí)際施工過程的力控制整體有限元分析方法（FCFEM）工作量大，且針對(duì)性過強(qiáng)的缺點(diǎn)，提出根據(jù)位移控制有限元（FCFEM）結(jié)果，得到上海軟黏土地區(qū)板式圍護(hù)體系基坑圍護(hù)墻的側(cè)向變形和土體沉降預(yù)測(cè)曲線，在此基礎(chǔ)上提出基于Winkler彈性地基梁模型計(jì)算管線變形的簡化計(jì)算方法。

上述研究，大多從理論方面研究基坑開挖引起的管線變形。理論方法無論采用三維有限元分析方法，還是采用簡化分析方法，計(jì)算結(jié)果均在一定程度上依賴于土體模量的選擇[10]，實(shí)際操作受主觀因素影響較大。雖然已有文獻(xiàn)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析基坑工程對(duì)周圍環(huán)境的影響，但大多限于分析基坑周圍土體、建筑或隧道的變形，有關(guān)周圍管線變形的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)很少[11]。

本文以上海軟土地區(qū)某深基坑工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例，分析基坑周圍的電力、雨水、供能和信息管線的變形特性，并提出相應(yīng)的控制管線變形的建議措施。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

本項(xiàng)目位于上海浦東前灘地區(qū)的核心地帶，西鄰耀體路，東鄰東育路，橫跨上海軌道交通6號(hào)線、8號(hào)線和11號(hào)線的換乘站——東方體育中心站，是前灘定位較高的商業(yè)及辦公物業(yè)，其中的超高層辦公樓是前灘中心項(xiàng)目中，也是整個(gè)前灘地區(qū)（約2.8 km2）內(nèi)最高建筑，具有明顯的地標(biāo)性質(zhì)。

本文以該工程中的25-1北區(qū)地塊進(jìn)行分析。該地塊開挖面積約9 953 m2，基坑形狀近似為一個(gè)等邊三角形（圖1），其中最長邊長度為147 m。除7區(qū)開挖深度為6.45 m，1區(qū)坑開挖深度為10.30 m外，其他區(qū)域基坑開挖深度為10.40 m，其中局部深坑落深1.80 m。采用先開挖中心大坑，后開挖邊緣小坑的開挖步驟，其中1區(qū)采用2道混凝土支撐加地下連續(xù)墻的圍護(hù)形式，其他區(qū)域采用3道鋼支撐加地下連續(xù)墻的圍護(hù)形式。施工階段為：1區(qū)基坑（①階段）→2、4區(qū)基坑（②階段）→3、5區(qū)基坑（③階段）→6區(qū)基坑（④階段）→地下結(jié)構(gòu)（⑤階段）。整個(gè)基坑外圍施作了打入不透水層的止水帷幕。

圖1 基坑平面示意

1.2 地質(zhì)概況

基坑所在地屬濱海平原地貌，地面的絕對(duì)高程為3.5～6.0 m。地塊原為濕地公園，目前場(chǎng)地內(nèi)主要為空地。西側(cè)為公交車站和地鐵站?？碧缴疃葍?nèi)均為第四系土層。根據(jù)收集的資料及本次勘察成果，場(chǎng)地處于古河道分布區(qū)，其中⑥層粉質(zhì)黏土缺失。地基土埋深在20.0～60.0 m范圍內(nèi)分布相對(duì)復(fù)雜，多呈交互成層或透鏡體狀分布，20.0 m以上及60.0 m以下基本穩(wěn)定。

地勘資料顯示場(chǎng)地所處地層從上至下依次為：①雜填土、②粉質(zhì)黏土、③1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④淤泥質(zhì)黏土、⑤2-1砂質(zhì)粉土與粉質(zhì)黏土互層、⑤2-2粉砂與粉質(zhì)黏土互層、⑤3-1粉質(zhì)黏土、⑤3-2砂質(zhì)粉土與粉質(zhì)黏土互層、⑤3-3粉質(zhì)黏土、⑦粉細(xì)砂、⑨粉細(xì)砂。

場(chǎng)地淺部分布的③1和第④層是影響工程的主要軟土層，土質(zhì)松軟，靈敏度較高。主要微承壓含水層為⑤2-1和⑤2-2層，⑤2-1層厚度為10 m左右，為坑內(nèi)的深層減壓井的抽水層。設(shè)置坑內(nèi)降壓井14口，坑外觀測(cè)井9口。

因⑤2-1層土分布均勻、厚度較大，且基坑開挖過程中對(duì)該層的降深很大，若止水帷幕隔水效果不好，可能對(duì)坑外產(chǎn)生較大影響。為控制坑外承壓水位，布置坑外回灌井12口。

1.3 支護(hù)方案

基坑工程采用分區(qū)順作開挖法。基坑的地下連續(xù)墻厚800mm，墻底標(biāo)高－25.90 m。地下連續(xù)墻外側(cè)均設(shè)置厚600mm的TRD工法槽壁加固，樁底標(biāo)高－38.90 m，打入了不透水層；內(nèi)側(cè)采用φ850mm@600mm三軸水泥土攪拌樁進(jìn)行槽壁加固。其中，1區(qū)大基坑采用2道混凝土支撐進(jìn)行支護(hù)，分別設(shè)置在－1.00、－6.70 m處；其他區(qū)域采用3道鋼支撐（自動(dòng)軸壓伺服系統(tǒng)）進(jìn)行支護(hù)，分別設(shè)置在－0.75、－4.05、－7.30 m處（圖2）。鄰近地鐵分區(qū)設(shè)置厚300mm素混凝土墊層，1區(qū)設(shè)置厚200mm素混凝土墊層。在各分區(qū)分隔墻處，設(shè)置厚400mm的加厚素混凝土墊層。

圖2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)示意

2 施工流程與監(jiān)測(cè)方案

基坑北側(cè)有供能、燃?xì)狻⒂晁?、電力和信息?條管線。每條管線自東向西布置11個(gè)位移測(cè)點(diǎn)，自東向西分別為：雨水管線觀測(cè)點(diǎn)YS13～YS23、信息管線觀測(cè)點(diǎn)XX12～XX22）、燃?xì)夤芫€觀測(cè)點(diǎn)RQ12～RQ22、供能管線觀測(cè)點(diǎn)GN1～GN11、電力管線觀測(cè)點(diǎn)DL23～DL33?；?xùn)|側(cè)有電力、信息和雨水3條管線，每條管線同樣布置11個(gè)位移測(cè)點(diǎn)（圖3）。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置平面

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 基坑?xùn)|側(cè)管線沉降分析

基坑?xùn)|側(cè)3根管線沉降隨時(shí)間變化的規(guī)律基本相同（圖4）。自11月15日基坑開始開挖，各管線均快速沉降。12月施作第2道混凝土支撐后，各管線的沉降速度放緩。1月左右，繼續(xù)開挖第2層土體時(shí)，各管線再次快速沉降，但沉降量小于第1階段沉降量。1區(qū)基坑底板澆筑完成，沉降趨于穩(wěn)定。在拆除第2道支撐時(shí)，管線又開始沉降。因東側(cè)管線緊鄰2、4區(qū)，開挖2、4區(qū)小坑階段，東側(cè)管線沉降加速。開挖3、5區(qū)基坑時(shí)，因3、5區(qū)與東側(cè)管線距離較遠(yuǎn)，管線無明顯沉降。

圖4 基坑?xùn)|側(cè)管線沉降

從時(shí)間上分析，在大基坑開挖階段、拆除橫支撐階段及開挖緊鄰管線的小基坑3個(gè)階段，管線沉降速率較快?；拥装鍧仓瓿珊?，各管線產(chǎn)生一定回彈。

從空間上分析，由圖4可知，越靠近基坑邊緣的管線沉降也越明顯。另一方面，以DL管線為例，靠近基坑中心的測(cè)點(diǎn)的沉降量較靠近基坑邊緣的測(cè)點(diǎn)的沉降量大。

3.2 基坑?xùn)|側(cè)管線水平位移分析

基坑?xùn)|側(cè)3條管線水平位移隨時(shí)間變化的規(guī)律相似（圖5），絕大部分水平位移均發(fā)生在大基坑開挖至第2道支撐施工之前的階段，水平位移8～10mm。第2道支撐施工結(jié)束，繼續(xù)開挖基坑，管線無明顯水平位移。究其原因，可能是周圍管線埋深較淺，水平位移受淺部土體開挖影響較大。開挖深部土體時(shí)，因第2道支撐的約束作用，管線水平位移較小。

3.3 基坑西側(cè)管線沉降分析

基坑西側(cè)距離基坑較近的供能和燃?xì)夤芫€沉降明顯大于距離基坑較遠(yuǎn)的信息和電力管線的沉降（圖6）。與東側(cè)管線不同，東側(cè)管線僅在開挖2區(qū)小基坑時(shí)發(fā)生少量沉降，開挖3區(qū)和6區(qū)基坑時(shí)幾乎不發(fā)生沉降。而西側(cè)距離基坑較近的供能、燃?xì)夂陀晁?條管線在開挖2、3區(qū)甚至6區(qū)小基坑時(shí)均發(fā)生較大的沉降。這與管線和基坑的距離有關(guān)，東側(cè)管線距離大基坑和2區(qū)小基坑較近，而西部管線距離2、3區(qū)小基坑較近。

圖5 基坑?xùn)|側(cè)管線水平位移

圖6 基坑西側(cè)管線沉降

距離基坑較遠(yuǎn)的電力和信息2條管線沉降主要發(fā)生在大基坑開挖階段，大基坑底板澆筑完成，沉降不再發(fā)生，甚至產(chǎn)生回彈，最終沉降量約5mm?；娱_挖影響范圍為3～5倍開挖深度[12]，而電力和信息2條管線距離基坑邊緣約6倍開挖深度，若基坑外的土體位移單純由開挖引起，則電力和信息管線應(yīng)該幾乎不產(chǎn)生變形。根據(jù)基坑開挖影響范圍及管線實(shí)際沉降隨時(shí)間發(fā)展規(guī)律推測(cè)，管線沉降在1區(qū)底板澆筑完成開始回彈可能原因是，電力和信息2條管線沉降并不是由開挖引起，主要由深層承壓水降壓及止水帷幕隔水效果較差引起（圖7）。因止水帷幕隔水效果較差，導(dǎo)致坑內(nèi)降壓引起坑外承壓水位大幅降低，最終引起含水層壓縮、管線沉降。

基坑底板澆筑完成，停止降壓，坑外承壓水位恢復(fù)，故管線沉降產(chǎn)生回彈。實(shí)際施工時(shí)，通過坑外回灌井回灌，有效控制了坑外的承壓水位，從而減少了管線的沉降量。

圖7 基坑外側(cè)承壓水位變化情況

3.4 基坑西側(cè)管線水平位移分析

與東側(cè)管線相似，基坑西側(cè)管線絕大部分水平位移均發(fā)生在大基坑開挖至第2道支撐施工之前的階段，其他階段均無明顯水平位移發(fā)生（圖8）。因管線距離基坑較東部管線距基坑遠(yuǎn)，水平位移略小于東部管線的水平位移，為5～8mm。

圖8 基坑西側(cè)管線水平位移

對(duì)比圖6管線沉降，管線最終水平位移為最終沉降的10%～30%。雖然量值較小，但即使底板澆筑完成、坑外承壓水位恢復(fù)，水平位移也沒有恢復(fù)。

同時(shí)，雖然電力和信息管線距離基坑較供能管線遠(yuǎn)得多，但電力和信息管線的水平位移接近供能管線的水平位移，說明承壓水降壓引起的管線水平位移隨管線與基坑的距離衰減比較慢。實(shí)際施工時(shí)應(yīng)注意，即使管線距離基坑較遠(yuǎn)，對(duì)于止水帷幕隔水效果較差或者止水帷幕未完全隔斷承壓含水層的情況，承壓水位降低也有可能引起管線發(fā)生較大的水平位移。

4 結(jié)語

通過分析上海軟土地區(qū)某深基坑工程周圍的電力、燃?xì)?、雨水、供能和信息管線的實(shí)測(cè)變形，我們得出如下主要結(jié)論：

1）對(duì)于采用分區(qū)開挖的基坑工程，管線沉降主要發(fā)生在大基坑開挖、拆除橫支撐及開挖緊鄰管線的小基坑3個(gè)階段。

2）對(duì)于設(shè)置多道支撐的基坑工程，開挖首層土體引起的管線沉降及水平位移最大。

3）因承壓水位降壓引起的管線沉降，在承壓水位恢復(fù)后會(huì)產(chǎn)生一定的回彈，但水平位移很難恢復(fù)。

4）若基坑止水帷幕隔水效果較差，則可能引起距離基坑較遠(yuǎn)處的管線發(fā)生較大的水平位移，可采用坑外回灌的方式減少管線沉降。