張 軍

(上海黃浦江大橋建設有限公司， 200090， 上海∥高級工程師)

硬X射線自由電子激光裝置是我國“十三五”規(guī)劃中的重點科技項目。該項目土建配套工程位于上海市，將建設5座埋深逾40 m的超深工作井、10條盾構隧道及18個地面單體建筑。本文以該項目的1號、4號工作井(以下分別簡稱“1號井”“4號井”)的超深基坑為研究對象，通過大量現(xiàn)場實測數據的分析，研究其支護結構受力與變形規(guī)律。

1 工程概況

1.1 工程簡介

1號井和4號井均采用1.2 m厚的地下連續(xù)墻作為圍護結構，基坑設置了多道水平混凝土支撐，其圍護設計信息如表1所示，圍護結構剖面圖分別如圖1、圖2所示。

表1 1號井和4號井基坑的圍護設計信息Tab.1 Information of foundation pit enclosure design of No.1 and No.4 shafts

注：除注明者及標高以m計外，其余單位均為mm;t為厚度；L為長度。圖1 1號井圍護結構橫剖面圖Fig.1 Cross-sectional view of the enclosure structure of No.1 shaft

1.2 工程地質及水文地質

1號井的場地區(qū)域基本為上海市正常沉積地層，各土層基本以水平狀分布為主。土層自上而下依次為：①-1 層人工填土；②層褐黃色—灰黃色粉質黏土；③層灰色淤泥質粉質黏土夾黏質粉土；④層灰色淤泥質黏土；⑤-1層灰色黏土；⑥層暗綠色—草黃色黏土；⑦-1層草黃色砂質粉土，⑦-2層草黃色—灰色粉細砂；⑧-21層灰色粉質黏土與粉砂互層；⑨層青灰色粉細砂。此外，1號井北側部分區(qū)域⑥層缺失，該處的⑤-1層與⑦-1層之間為⑤-3層灰色粉質黏土?；涌拥孜挥冖?1層的草黃色砂質粉土中。圍護墻墻底位于⑨層青灰色粉細砂中。

4號井的場地區(qū)域分布有⑥層暗綠色—草黃色黏土，各土層基本以水平狀分布為主。沿線區(qū)域受Q32晚期古河道切割影響，該處第⑥層暗綠色—草黃色黏性土缺失，且在局部切割較深處第⑦層亦缺失，沉積了溺谷相的⑤-3層灰色粉質黏土、⑤-3a層灰色砂質粉土夾粉質黏土和⑤-4層灰綠色粉質黏土。4號井的場地區(qū)域地層分布不穩(wěn)定，局部區(qū)域層位起伏較大。

注：除注明者及標高以m計外，其余單位均為mm。圖2 4號井圍護結構橫剖面圖Fig.2 Cross-sectional view of the enclosure structure of No.4 shaft

1號井和4號井的場地區(qū)域有第Ⅰ承壓含水層(位于⑦-1層、⑦-2層)、第Ⅱ承壓含水層(位于⑨層)和第Ⅲ承壓含水層(位于層)。

2 工作井基坑監(jiān)測方案

根據DG/TJ 08—2001—2016《基坑工程施工監(jiān)測規(guī)程》，本項目安全等級為一級，周邊環(huán)境保護等級為一級。因其地質條件復雜程度為復雜，故工程監(jiān)測等級為一級。兩個工作井的監(jiān)測項目如表2所示，其測點布置分別如圖3、圖4所示。

表2 1號井、4號井的監(jiān)測點 Tab.2 Monitoring items of No.1 and 4 shafts

圖3 1號井各監(jiān)測點的平面布置Fig.3 Plane layout of monitoring points in No.1 shaft

圖4 4號井各監(jiān)測點的平面布置Fig.4 Plane layout of monitoring points in No.4 shaft

1號井的監(jiān)測工作與實際施工同步開展，如表3所示，1號井的監(jiān)測自2018-06-23圍護結構施工開始，至2020-11-17地下結構施工完成后結束。

表3 1號井施工工況統(tǒng)計表Tab.3 Statistics of construction conditions of No.1 shaft

4號井的監(jiān)測工作與實際施工同步開展，如表4所示。4號井的監(jiān)測自2019-02-22圍護結構施工開始，在各階段施工過程中進行了全面的跟蹤監(jiān)測，至2021-08-30地下結構施工完成后結束。

表4 4號井施工工況統(tǒng)計表Tab.4 Statistics of construction conditions of No.4 shaft

3 工作井基坑實測數據分析

3.1 圍護結構深層水平位移對比分析

基于1號井測點P05的監(jiān)測數據，繪制了該測點圍護結構深層水平位移曲線，如圖5所示。其中：取測點向坑內方向的位移為正值。

由圖5可知，各階段工況下地下連續(xù)墻變形曲線都為鼓肚狀，發(fā)生水平最大位移的地方基本在每層的開挖深度附近，且隨著逐層向下開挖，其水平最大位移處也隨著開挖深度逐漸下移。截至基坑封底，該測點發(fā)生最大水平位移的位置在開挖面以上；底板以下深度范圍內(⑦-2層、⑧-21層)的水平位移明顯減小；地下連續(xù)墻的累計最大水平位移為80 mm。

圖5 1號井P05測點的圍護結構深層水平位移曲線Fig.5 Deep horizontal displacement curve of the enclosure structure at P05 measuring point in No.1 shaft

繪制4號井基坑封底后地下連續(xù)墻P02測點的水平位移曲線，如圖6所示。其中：取測點向坑內方向的位移為正值。

由圖6可知，第二層至第五層土方在開挖階段發(fā)生最大水平位移的地方均在開挖面以下約5 m，第六至第十層土方的最大水平位移基本在每層土的開挖深度附近。造成這種差異的原因為前5層土方開挖深度范圍內疏干降水影響較大，其地下連續(xù)墻的水平位移為土方開挖和降水疊加共同作用的結果。

圖6 4號井基坑封底后地下連續(xù)墻P02測點變形曲線圖Fig.6 Deformation curve of measuring point P02 of diaphragm wall after completion of No.4 well foundation pit

截至基坑封底，地下連續(xù)墻發(fā)生最大位移的部位在深度35 m左右(⑤-3層)；在開挖面以上軟弱土層內，最大變形值為155 mm；底板之下深度范圍內(⑤-4層、⑦層、⑧層)變形明顯減小。由于⑤-4層為上海軟土區(qū)域次生硬土層，土質較好，⑦層、⑧層均為砂層，大底板位置及以下土質的明顯改善大大提高了被動區(qū)土體抗力，使地下連續(xù)墻的變形明顯受到了抑制。

綜上，本文進一步對比分析了1號井與4號井圍護變形差異，其差異的原因主要為：①兩個工作井的層差異較大,1號井的開挖面直接揭露⑥、⑦層土，開挖深度到25 m以下時坑內被動區(qū)已為硬土層，土體強度高，對圍護變形控制有利,而4號井的開挖面以上均為軟弱土層，開挖階段圍護結構的變形持續(xù)較大，直至底板位置在⑤-4層土時其變形方有所減緩;②兩個工作井的基坑形狀不同，混凝土支撐的強度形成及發(fā)揮應力補償作用不同,1號井為矩形基坑對撐布置，依次開挖時開挖面上方對撐已達到設計強度，能夠及時進行應力補償，從而較快地控制圍護結構的變形,4號井為正方形基坑，采用邊桁架加十字對撐支撐，開挖時需待上道支撐整體強度達到設計強度后方能產生較好的補償效果，而在實際施工過程中存在本道支撐最后一段養(yǎng)護時間不足便開始下層土方開挖施工的現(xiàn)象。

3.2 圍護結構相關實測數據分析

通過對1號井與4號井變形規(guī)律的綜合分析研究發(fā)現(xiàn)，兩者圍護結構的頂部豎向位移、支撐軸力和立柱豎向位移的實測變化規(guī)律類似，故本文僅以4號井為研究對象，進行實測數據分析。

3.2.1 圍護結構頂部豎向位移分析

繪制4號井圍護結構頂部7個測點的豎向位移時程曲線，如圖7所示。由圖7可看出，混凝土支撐通過圍檁和地下連續(xù)墻形成剛性連接，支護體系整體性較好，由于支撐約束和壓重傳遞到地下連續(xù)墻上，有效控制了地下連續(xù)墻上抬，因此在每次挖土過程中地下連續(xù)墻墻頂只有少量的抬升。在第七層至第九層土方開挖階段，逐步開啟⑦層、⑨層降壓井進行減壓降水，是地下連續(xù)墻豎向位移趨穩(wěn)的主要原因。

圖7 4號井圍護結構頂部各測點豎向位移時程曲線圖Fig.7 Time-history curve of vertical displacement of each measuring point at the top of the enclosure structure of No.4 shaft

3.2.2 混凝土支撐軸力分析

4號井第四道至第九道混凝土支撐的軸力數據統(tǒng)計見表5。

表5 4號井第四道至第九道混凝土支撐的軸力數據統(tǒng)計表Tab.5 Statistics of axial force data of No.4 to No.9 concrete supports in No.4 shaft

分別繪制4號井各道支撐軸力時程曲線，如圖8所示。

由圖8 a)可知：在第二層土方開挖階段，第一道支撐軸力增大至5 000 kN左右；第三層土方開挖階段，第二道支撐軸力迅速增大，最大值達13 000 kN。由此可見，下層土方開挖時，上一道支撐為坑內土壓力損失提供了應力補償。

a) 施作第一道、第二道支撐

由圖8 b)—圖8 d)可知：在第四層土方開挖時，第三道和第四道支撐同時受力增大；依次進行第五層至第九層土方開挖時，均為開挖面以上兩道支撐軸力同時增加，即這兩道支撐同時提供反力，補償應力損失。其原因是4號井采用十字對撐形式，每道支撐的長度較長，需要分多次澆筑。在上一道支撐最后澆筑段的養(yǎng)護時間未完全滿足強度要求時即開始下一層土方的開挖，此時該道的支撐強度不足以提供足夠的反力，實際是由開挖面以上兩道支撐共同提供了反力。

3.2.3 4號井立柱豎向位移

臨時立柱的豎向位移變化量反映了開挖過程中基底的隆起量，是判斷基底是否發(fā)生隆起破壞的重要指標。分別繪制4號井立柱各測點的豎向位移時程曲線，如圖9所示。

由圖9可看出，立柱的豎向位移變化趨勢與地下連續(xù)墻的變化趨勢類似，這些豎向位移均是由于開挖卸載導致坑底隆起所致。在土方開挖階段，因受混凝土支撐約束和壓重對立柱的隆起有所抑制，立柱的隆起變形呈線性增長趨勢，無明顯突變。在第十層土方開挖階段，開挖深度達到40 m，由于立柱樁長約為50 m，疊加⑦層、⑨層承壓水影響，立柱隆起變形明顯。在開啟⑨層降壓井后，其上抬速率逐步減緩，最后趨于穩(wěn)定。最終立柱的最大隆起量與基坑深度之比為1.6‰。

圖9 4號井立柱各測點的豎向位移時程曲線Fig.9 Time-history curve of vertical displacement of each measuring point of No.4 shaft column

4 結語

硬X射線自由電子激光裝置項目土建配套工程中的1號井、4號井屬于上海軟土區(qū)域的超深基坑，具有超深圍護結構、開挖土層條件復雜和⑦層、⑨層承壓水降水等特點。通過對本項目的成功監(jiān)測，為工程施工的安全保駕護航，同時初步總結提出了在超深基坑設計、施工和監(jiān)測等方面的控制措施和建議，可為類似工程提供一定的參考：

1) 矩形基坑采用對撐時，在整體支撐養(yǎng)護時間有限的情況下發(fā)揮的作用要明顯優(yōu)于采用十字對撐加邊桁架的支撐。建議大面積基坑的支撐養(yǎng)護時間要滿足最后澆筑區(qū)域支撐強度的要求，方能保證體系的整體受力效果，同時應做好支撐系統(tǒng)的軸力監(jiān)測，對綜合分析基坑本體的安全狀態(tài)具有較高的指導意義。

2) 軟土地區(qū)接近正方形的超深基坑大面積卸土時，圍護變形控制難度較大，主要為混凝土支撐施工速度較慢，不能在開挖后應力釋放初期提供有效的反力，變形控制需要預先在設計階段加以考慮。

3) 臨時立柱的隆起量能夠明顯的反映坑內土體回彈、坑內承壓水作用的情況，有基坑突涌風險的超深基坑應做好立柱隆起變化監(jiān)測。