劉仁勇

（上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，上海 200235）

1 工程概況

上海硬X 射線自由電子激光裝置項(xiàng)目是“十三五”國家重大基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目之一，該項(xiàng)目建成后將成為世界上最頂尖的大科學(xué)裝置，可為基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域提供最新一代的實(shí)驗(yàn)平臺。

項(xiàng)目主體工程由五座矩形工作井和十條隧道組成。工作井基坑開挖深度40m 左右，其中五號井最深達(dá)到45.45m，是目前上海市最深的基坑之一[1]。工作井基坑尺寸和開挖深度見表1。

表1 硬X 射線自由電子激光裝置項(xiàng)目工作井特性表

其中一～二號井坑底已進(jìn)入⑦1 層第一承壓含水層中；三～四號井坑底位于⑤4 層土中，距離⑦層層頂約3m 左右；五號井坑底距離⑤3a 微承壓含水層頂僅1m 左右。圖1 為一號井工程地質(zhì)剖面圖。

圖1 一號井工程地質(zhì)剖面圖

本文主要對本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)（地下連續(xù)墻、止水帷幕）的比選進(jìn)行闡述。

2 支護(hù)形式的選擇

經(jīng)對上海地區(qū)超深基坑（非圓形）的調(diào)研，圍護(hù)體系均采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的方案，表2 為上海地區(qū)超深基坑（非圓形）的成功案例。

表2 上海地區(qū)近期超深明挖法基坑案例

該項(xiàng)目實(shí)施前上海地區(qū)已經(jīng)成功實(shí)施的最深基坑為軌道交通4 號線修復(fù)工程，深度超過40m，其余深基坑均小于40m，上述超深基坑采用的圍護(hù)形式均為1.2m 厚地下連續(xù)墻，支撐形式大都采用鋼筋砼+鋼支撐的方案，最終的圍護(hù)變形除外環(huán)隧道浦西連接井達(dá)到130mm 外，其余均在80mm 以內(nèi)。參照以往工程經(jīng)驗(yàn)，本工程工作井同樣采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的圍護(hù)體系。

3 地下連續(xù)墻深度的確定

本工程開挖深度40m 左右，需要對9 層承壓水（第二承壓含水層）進(jìn)行降水。地下連續(xù)墻的深度，除了滿足基坑穩(wěn)定性與承載力驗(yàn)算的要求外，還需要滿足減少降承壓水對周邊環(huán)境影響的要求。本工程周邊環(huán)境復(fù)雜，尤其是正在使用和運(yùn)營中的上海光源、磁懸浮、擬開通的軌道交通13 號線區(qū)間、在建的軟X 射線工程等，距離基坑約60～250m，對于地層沉降比較敏感。

為盡量減少對周邊環(huán)境的影響，本項(xiàng)目基坑降水均采用懸掛式降水，⑨層降水井均采用短濾管形式[2-5]。以五號井為例，通過數(shù)值模擬分析，對不同地下連續(xù)墻深度條件下，懸掛式降水引起的周邊環(huán)境變化進(jìn)行了比較，如圖2 所示.

圖2 各保護(hù)對象處水位降深-地墻深度曲線圖

由上述分析可知，五號井地墻深度從84m 加深至90m 時(shí)，坑內(nèi)懸掛式降水引起的周邊保護(hù)對象處的水位降深遞減明顯，在90m 加深至100m 時(shí)，降水引起的坑外水位降深幅度有所減小。同時(shí)通過對磁浮等敏感建（構(gòu)）筑物沉降的影響分析，建議五號井采用89.8m 深度的地墻。

4 地下連續(xù)墻厚度的確定

目前國內(nèi)普通現(xiàn)澆地下連續(xù)墻厚度為0.6m～1.5m。本工程以四號井為例，利用啟明星軟件，建立了二維模型，分別計(jì)算了1.2m、1.3m、1.5m 厚地下連續(xù)墻在40m 深基坑工程中的內(nèi)力和變形。并對這三種厚度的地下連續(xù)墻最大內(nèi)力斷面進(jìn)行配筋計(jì)算，詳見表3。

表3 地下連續(xù)墻對比表

根據(jù)以上計(jì)算可知：三種厚度的地下墻計(jì)算變形均能滿足規(guī)范要求，配筋基本一致，因地墻厚度不同，地墻含鋼量有所差異。

工作井地墻深度約83～90m，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，地墻接頭形式采用套銑接頭。根據(jù)對國內(nèi)市場的調(diào)研，目前除1.2m 銑槽機(jī)外，只有1.5m 銑槽機(jī)是現(xiàn)有設(shè)備，1.3m 銑槽機(jī)需要進(jìn)行改造，會對工期有所影響。1.5m 厚地墻工程量比1.2m 增加了約25%，在1.2m 厚地墻能滿足安全的前提下，推薦采用1.2m地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

工作井為近似正方形的矩形平面布置，有一定的空間效應(yīng)，利用有限元軟件建立三維分析模型計(jì)算基坑開挖過程中地下墻的內(nèi)力[6]，地墻按照各向異性的板殼元模擬，不考慮水平方向傳遞彎矩，厚度取1.2m。按照分層開挖的工況，分步建立模型，并施加荷載，每一步需考慮上步計(jì)算引起的結(jié)構(gòu)變形。基坑開挖到底時(shí)，三維計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。

圖3 四號井基坑開挖三維計(jì)算結(jié)果

表4 為三維模型與平面模型計(jì)算結(jié)果對比，可看出，三維模型比平面模型內(nèi)力與變形略小，利用平面模型計(jì)算的結(jié)果偏安全。

表4 三維模型與平面模型對比表

5 第二道隔水帷幕的必要性及設(shè)計(jì)方案

工作井基坑開挖深度極大，地下水處理難度高。雖然采用了地下連續(xù)墻圍護(hù)，套銑接頭的形式，但施工中仍然難以避免會出現(xiàn)墻身或接縫滲漏水隱患，借鑒既有的超深基坑經(jīng)驗(yàn)，可考慮在外圍增設(shè)一道隔水帷幕。

上海某地塊基坑的涌水險(xiǎn)情和修復(fù)方案說明了上海地區(qū)第一承壓含水層的危害性，以及增設(shè)隔水帷幕的必要性。該項(xiàng)目基坑開挖深度約27.2m，坑底位于⑦-1 層，采用52m 地下連續(xù)墻圍護(hù)，墻趾位于⑦-2 層。在開挖到底時(shí)，坑內(nèi)出現(xiàn)涌水問題，并造成坑外30m 以外的地鐵區(qū)間、地下管線等出現(xiàn)明顯沉降，且不斷發(fā)展。因此首先通過向坑內(nèi)注水、回填等措施控制住了險(xiǎn)情。隨后制定了修復(fù)方案：在原地下連續(xù)墻外側(cè)重新施作了一道55m 深的地下連續(xù)墻，并在新做的地下連續(xù)墻外側(cè)增設(shè)了一排MJS 隔水帷幕，通過多道隔水帷幕，有效隔斷了⑦層承壓水向坑內(nèi)的管涌。

分析地下連續(xù)墻滲漏水的成因，滲漏水一般有三方面：第一，墻身施工質(zhì)量缺陷；第二，接縫施工質(zhì)量缺陷；第三，由于較大的側(cè)向變形引起墻縫開裂。其中，地下連續(xù)墻的墻身混凝土施工質(zhì)量缺陷可以通過超聲波檢測甚至取芯來判斷，如果不滿足防滲要求則可在開挖前進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理；接縫施工質(zhì)量缺陷可以在開挖前通過抽水試驗(yàn)查明并采取接縫止水措施；但在開挖施工中由于圍護(hù)較大側(cè)移造成接縫錯(cuò)位引起的滲漏水是無法通過事先的檢測進(jìn)行判斷。傳統(tǒng)的接縫止水在圍護(hù)變形后也會產(chǎn)生縫隙。尤其是基坑坑底位于或者接近承壓含水層時(shí)，地墻內(nèi)外壓差大，在內(nèi)外壓差的作用下，極易通過該縫隙產(chǎn)生涌水，如不及時(shí)采取措施，縫隙會逐漸變大，并進(jìn)一步導(dǎo)致涌水量越來越多。所以更需要外側(cè)的附加隔水帷幕來防止?jié)B漏。

根據(jù)已有的深基坑變形經(jīng)驗(yàn)及基坑開挖計(jì)算分析，當(dāng)坑底土強(qiáng)度較高時(shí)，圍護(hù)最大側(cè)移出現(xiàn)在坑底偏上的位置。硬X 射線工作井基坑深度40m，坑底位于⑦層，該處的圍護(hù)側(cè)移極易引起接縫處集中滲漏，在巨大的內(nèi)外壓力差下，會導(dǎo)致坑外⑦層承壓水的快速補(bǔ)給，產(chǎn)生突涌風(fēng)險(xiǎn)，因此有必要采用第二道隔水帷幕隔斷該層。

⑦層以下的⑧-2 層為弱含水層，根據(jù)水勘資料，其水平相滲透系數(shù)明顯高于垂直向，可起到隔斷⑨層向⑦層補(bǔ)給的作用。因此建議第二道隔水帷幕進(jìn)入8 層2～3m，以隔斷⑦層水。根據(jù)⑦、⑧層土的埋深，各工作井外側(cè)隔水帷幕的深度在65～70m 左右。

經(jīng)過調(diào)研，國內(nèi)可施工70m 以內(nèi)隔水帷幕的工法有素砼墻、超深MJS、CSM，以及TRD 工法。其中TRD 工法施工帷幕的連續(xù)性更好，隔水效果更佳，施工效率高、費(fèi)用也相對更低，目前在上海地鐵15 號線上海南站站中已有65m 深的成功經(jīng)驗(yàn)[7]，因此推薦采用TRD 工法作為第二道隔水帷幕。建議實(shí)施前先進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)備施工能力。

6 結(jié)論

（1）本文對硬X 射線自由電子激光裝置項(xiàng)目的圍護(hù)結(jié)構(gòu)（地下連續(xù)墻、止水帷幕）的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了闡述。通過計(jì)算分析，對地下連續(xù)墻的深度、厚度進(jìn)行了比選，保證基坑安全并盡量減少對周邊環(huán)境的影響。對第二道止水帷幕設(shè)置的必要性和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了闡述。

（2）本工程對上海地區(qū)超深基坑的圍護(hù)設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)，對類似工程設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。