軟土地區(qū)超深基坑施工對周邊環(huán)境的影響分析

韓 澤 亮

(上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司，上海 200002)

1 工程簡介

1.1 工程概況

硬X射線自由電子激光裝置是我國“十三·五”規(guī)劃重點科技項目，它是目前世界上最為先進的X射線光源，它將覆蓋整個X射線波段，可以支撐十幾條世界一流的光束線和數(shù)十個實驗終端，為物理、化學(xué)、生物、醫(yī)藥、材料、能源、環(huán)境等等領(lǐng)域，提供最新一代的大科學(xué)實驗平臺和前所未有的研究手段，它的出現(xiàn)將會推動我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進入一個全新的階段。該裝置是我國迄今投資最大的基礎(chǔ)科學(xué)設(shè)施。本項目土建配套工程將建設(shè)5座埋深超過40 m的超深工作井、10條盾構(gòu)隧道。本文參考的一號工作井是整個項目最早開工的工作井，已于2019年成功筑底。

一號工作井基坑呈類矩形，基坑外包尺寸24.4 m×74.08 m～77.94 m，內(nèi)凈尺寸為20 m×70 m(局部寬73.2 m)，開挖深度37.95 m(落深區(qū)40.6 m)。圍護結(jié)構(gòu)采用1.2 m厚83 m深套銑接頭地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻外設(shè)一圈850 mm厚62.9 m深止水帷幕。共設(shè)十道支撐(其中第二、三道為帶自動伺服系統(tǒng)的鋼支撐，其余為鋼混凝土支撐)?；拥孜挥诘冖?層砂質(zhì)粉土中，圍護墻趾進入⑨層粉砂約6 m(見圖1)。

1.2 周邊環(huán)境

基坑位于羅山路東側(cè)規(guī)劃綠地中，西側(cè)為羅山路，其中主路距離基坑最近約為35.32 m，輔路距離基坑最近約為26.07 m；工作井北側(cè)為祖沖之路，距離基坑最近約為57.24 m；工作井南側(cè)有220 kV高壓鐵塔，獨立承臺基礎(chǔ)，距離基坑超過150 m；工作井東側(cè)為現(xiàn)狀三八河河道，距離基坑最近約15.23 m，基坑開挖期間須降⑨層承壓水，影響范圍較常規(guī)基坑更大，受影響的周邊建構(gòu)筑物還有磁懸浮、三八河橋、祖沖之路橋、三八河防汛墻等。

1.3 工程地質(zhì)水文概況

工程沿線場地150 m深度范圍內(nèi)土層由第四系全新統(tǒng)至中更新統(tǒng)沉積地層組成，按其成因類型、土層結(jié)構(gòu)及其性狀特征可劃分為11個主要工程地質(zhì)單元層。一號井場地區(qū)域基本為上海市正常沉積地層，分布有第⑥層暗綠～草黃色黏性土，下部分別為⑦1層砂質(zhì)粉土和⑦2層粉細砂；各土層基本以水平狀沉積為主，分布穩(wěn)定，層面起伏較小。地勘揭露地層層序自上而下為①1層人工填土、②層褐黃～灰黃色粉質(zhì)黏土、③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土、④層灰色淤泥質(zhì)黏土、⑤1層灰色黏土、⑥層暗綠～草黃色黏土、⑦1層草黃色砂質(zhì)粉土、⑦2層草黃～灰色粉細砂、⑧21層灰色粉質(zhì)黏土與粉砂互層、⑨層青灰色粉細砂。另外，工作井北側(cè)部分區(qū)域⑥層缺失，⑤1層與⑦1層之間為⑤3層灰色粉質(zhì)黏土。一號工作井基坑坑底位于⑦1層草黃色砂質(zhì)粉土中；圍護墻墻底位于⑨層青灰色粉細砂中。

一號井場地區(qū)域有第Ⅰ承壓含水層(⑦1,⑦2層)，第Ⅱ承壓含水層(⑨層)，第Ⅲ承壓含水層(層)。第Ⅰ承壓含水層頂板標高為-23.17 m～-40.22 m，水位埋深為標高-1.40 m～-2.64 m，第Ⅱ承壓含水層第⑨層(局部為第⑧22層)頂板標高為-61.98 m～-77.01 m，水位埋深為標高-4.78 m～-7.04 m。

2 開挖及降水

2.1 監(jiān)測概況

根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范DG/TJ 08—2001—2016基坑工程施工監(jiān)測規(guī)程3.2節(jié)：一號工作井基坑安全等級為一級，周邊環(huán)境保護等級為一級、地質(zhì)條件復(fù)雜程度為復(fù)雜、監(jiān)測等級為一級。根據(jù)圍護設(shè)計要求、周邊環(huán)境、基坑本身特點及相關(guān)工程經(jīng)驗，測點布置主要選擇在2倍基坑開挖深度影響范圍內(nèi)布設(shè)，所涉及的內(nèi)容為基坑開挖過程中基坑本體、周圍土體以及周邊環(huán)境的監(jiān)測，部分測點布置如圖2所示。由于降⑨層承壓水影響范圍更大，降⑨層承壓水降水期間對距離基坑200 m左右的磁懸浮高架也進行了監(jiān)測。

2.2 降水運行

一號井基坑開挖深度超過40 m深，開挖期間需對⑦層及⑨層承壓水進行降水，其降水分為三個階段：

第一階段疏干降水，對應(yīng)土層(①～⑤1層)：針對坑底以上潛水層，通過淺層疏干井進行降水；

第二階段減壓降水，對應(yīng)土層(⑦1層～⑧21層)：針對坑底以下⑦1,⑦2層、⑧21層含水層進行降壓，其已被地墻穿過，且坑底已揭露⑦1層，先減壓后疏干，需把水位控制在坑底下1 m；開挖至第六層土時，啟動1口⑦層降壓井進行減壓降水；

第三階段為減壓降水，對應(yīng)土層(⑨層)：針對⑨層承壓含水層，滲透系數(shù)較大，降水漏斗平緩；開挖至第九層土時，啟動1口坑內(nèi)⑨層降壓井進行減壓降水，開挖至第十層土時，啟動3口坑內(nèi)⑨層降壓井進行減壓降水。

2.3 開挖進程

本工作井基坑共設(shè)十道支撐，基坑開挖采用分層分段開挖方式，每一層開挖方向由北往南，依次向前推進。上一層開挖支撐完成后，再進行下一層的開挖。土方開挖完成后，進行基坑大底板的施工。本基坑開挖累計耗時約4個月。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 圍護墻體位移監(jiān)測與分析

3.1.1測點布置

在一號工作井地下連續(xù)墻短邊中部，每邊布設(shè)1個測斜孔；在地墻長邊，每邊布設(shè)2個測斜孔；共計布設(shè)6個測斜孔，測孔編號為P01～P06。其中P03和P06采用自動化監(jiān)測，其余4孔采用人工監(jiān)測。監(jiān)測孔孔深80 m，人工測孔按0.5 m間距測讀數(shù)據(jù)，自動化測孔按1.0 m間距測讀數(shù)據(jù)(見圖3)。

3.1.2深層水平位移曲線分析

從圖4中可以看出，各測點對應(yīng)每道撐施工完成后的變形曲線線型呈正態(tài)分布，其峰值隨著開挖深度逐漸下移，最大變形所處深度基本都是在底板位置處，變形在底板之下深度范圍內(nèi)迅速減小。這說明在開挖過程中，混凝土支撐、基坑底板及圍護墻體本身的剛度有效的抑制了周邊土體的變形。⑦1,⑦2砂層在降水后固結(jié)也形成了強大的支撐作用。

雖然每個點的變形曲線相同，但其最大值有所不同(見表1)。四邊形墻體最長邊中點P06和P03變形最大，分別達到91.8 mm和89.4 mm；最長邊1/4點P02和P05變形較小，分別為71.3 mm和66.1 mm，最短邊中點P01和 P04變形最小，分別只有50.6 mm和39.3 mm。

表1 各測點最大變形與平均變形表 mm

通過比較長邊測點P03，P06，短邊測點P01，P04可以發(fā)現(xiàn)，兩者變形相差較大，其一部分原因是由短邊處墻體受橫向兩側(cè)墻體的限制，很好的抑制了其墻體的變形，另一部分由于墻體自身的剛度原因，墻體縱向剛度越大，變形越小。

通過比較P01及P04點，P04的最大變形相較于P01較小，其原因是由于P04點坑外土體做了盾構(gòu)進出洞加固(三軸攪拌樁加固44 m深度)，加固土體減小了地墻的主動土壓力，對地墻變形起了一定的抑制作用。

對于P02和P05，在底板施工之前，每道曲線的變形值都是P02>P05，但在底板開挖時卻扭轉(zhuǎn)了，出現(xiàn)了P05>P02，原因可能是P05更加接近于落深區(qū)。

3.2 建構(gòu)筑物變形分析

在基坑開挖期間，對基坑2倍開挖深度范圍內(nèi)主要建構(gòu)筑物進行監(jiān)測，包括位于基坑北側(cè)的祖沖之路橋及西北側(cè)的王家浜橋，距離基坑分別為74 m，69 m。兩座橋基礎(chǔ)均為雙樁承臺基礎(chǔ)，樁徑800 mm，樁長46 m，承臺中心間距25 m。在祖沖之路橋承臺位置設(shè)沉降觀測點G1，G2，G3，G4，王家浜橋承臺位置設(shè)沉降觀測點G5，G6，各測點變化如圖5，圖6所示。

從圖5,圖6中可以看出：

1)基坑開挖期間，祖沖之路橋沉降觀測累計沉降最大點位為G3，沉降值為4.97 mm，累計最小沉降點位為G4，沉降量為1.8 mm，最大差異沉降為3.17 mm，兩點之間間距為25 m，累計傾斜度為0.127‰;黃家浜橋沉降觀測累計沉降最大點位為G6，沉降值為3.79 mm，累計最小沉降點位為G5，沉降量為2.77 mm，最大差異沉降為1.02 mm，兩點之間間距為25 m，累計傾斜度為0.041‰；遠遠小于2‰累計傾斜度報警值，其余各點間的累計傾斜度均未報警，這說明了建筑物的基礎(chǔ)構(gòu)造及自身的剛度抵消了一部分變形，也進一步保證了自身的安全。

2)在基坑開挖后至第七層土方開挖期間，各觀測點均在4 mm范圍內(nèi)波動，整體較為平穩(wěn)。說明了超深基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計采用地下連墻墻體及止水帷幕墻體對⑦層承壓水進行隔斷，可大大的減小基坑開挖期間降⑦層承壓水對周邊環(huán)境的影響。

3)在第八層土方開挖后，對應(yīng)開挖深度大于25 m，各測點變形逐漸下降，然后趨于穩(wěn)定，在開始進行坑內(nèi)⑨層承壓水降水后，又再一次下降，停止⑨層承壓水降水后，各測點變形開始回彈，逐漸上升，趨于穩(wěn)定。這說明了⑨層承壓水流量大，補給快，對周邊環(huán)境的影響僅僅在其降水期間，停抽后周邊環(huán)境的變形迅速恢復(fù)至降水前的變形值，降⑨層水引起的差異沉降非常小。

3.3 周邊土體變形分析

在基坑四條邊分別布設(shè)周邊土體沉降觀測點，各觀測點距基坑距離分別為5 m,10 m,15 m,25 m,35 m,45 m，選取基坑西側(cè)、北側(cè)及南側(cè)的土體沉降觀測點進行分析，各測點變形情況如圖7所示。

由圖7可以看出：

1)整個變化曲線呈“V”形，周邊土體沉降變形最大點為距基坑約25 m處，其距離大約等于基坑開挖深度的1/2，在距基坑0 m～25 m范圍，周邊沉降變形隨著距基坑距離的增加而變大，在距基坑超過25 m范圍，周邊沉降變形隨著距基坑距離的增加而變??；

2)通過比較各條邊處土體的沉降變形曲線，可發(fā)現(xiàn)，西側(cè)長邊變形>北側(cè)短邊變形>南側(cè)短邊變形，而各條邊圍護墻體的變形也遵循相應(yīng)的規(guī)律，西側(cè)P03點變形>北側(cè)P01點變形>南側(cè)P04點變形，墻體變形大的位置對應(yīng)的地面沉降也大；

3)通過比較北側(cè)短邊土體的變形及南側(cè)短邊土體的變形，可以看出，南側(cè)土體的變形較北側(cè)小，其對應(yīng)圍護墻體的變形也是如此，且南側(cè)土體的變形較為平穩(wěn)，波動較小，其原因是由于南側(cè)坑外土體做了盾構(gòu)進出洞加固，這說明了在基坑開挖前對坑外土體進行相應(yīng)的加固可以有效的控制開挖對周邊環(huán)境的影響，盾構(gòu)進出洞加固宜在基坑開挖前施工。

3.4 周邊管線變形分析

基坑的周邊有市政地下管線，管線埋深約為1.15 m，分別位于基坑西側(cè)30 m及北側(cè)34 m處，在各管線上分別布設(shè)有沉降監(jiān)測點，選取基坑北側(cè)管線沉降觀測點M1，M2，M3，M5及西側(cè)管線沉降觀測點M6，M7，M8，M9，M10，M11開挖階段變形情況進行分析，各測點變化情況如圖8，圖9所示。

從圖8,圖9中可以觀察到：

1)開挖期間北側(cè)管線沉降觀測點沉降最大點位為M3，達到了17.53 mm，最小沉降點位為M5，沉降量11.71 mm，最大差異沉降為5.82 mm，兩點之間間距為15 m，差異沉降量為0.388‰；西側(cè)管線沉降觀測點沉降最大點位為M8，沉降量為49.11 mm，最小沉降點位為M11，沉降量20.11 mm，最大差異沉降為29 mm，兩點之間間距為60 m，差異沉降量為0.483‰，均未超過2‰差異沉降量報警值，其余各點間的差異沉降均未報警。說明了在超深基坑開挖過程中，對管線會產(chǎn)生一定的影響，但各監(jiān)測點之間的變形差異相對較小，不會對管線造成破壞。

2)通過比較北側(cè)管線監(jiān)測點變形量及西側(cè)管線監(jiān)測點變形量，可以發(fā)現(xiàn)，北側(cè)管線變形小于西側(cè)管線變形，這也進一步印證了圍護墻體的變形越大，對周邊環(huán)境的影響越大。

3.5 降⑨層承壓水對磁懸浮的影響分析

位于一號井基坑西側(cè)200 m處的重要建筑物磁浮線，為高架結(jié)構(gòu)，采用35 m～45 m深φ600 mm PHC管樁基礎(chǔ)，樁端持力層位于⑦2層草黃～灰色粉細砂層中，其對沉降和變形的要求高。根據(jù)相關(guān)工程的經(jīng)驗，基坑開挖對于4倍開挖深度范圍以外的環(huán)境基本沒影響。

由于一號井基坑為非常規(guī)基坑，其開挖深度為目前軟土地區(qū)最深坑，無先例可循。根據(jù)設(shè)計計算，在基坑開挖至底板時須進行⑨層承壓水降水，由于上海地區(qū)⑨層抽水具有水量大、補給快的特點，降水對周邊環(huán)境的影響較大，且以往也沒有長時間⑨層降水的經(jīng)驗可供借鑒。故在⑨層降水期間，須加強⑨層承壓水降水期間對磁浮影響的監(jiān)測。

一號工作井基坑于2019年10月17日正式開始降⑨層降水作業(yè)，前后歷時38 d，于2019年11月24停抽所有⑨層降水井。降水期間，持續(xù)進行一號～三號工作井⑨層水位聯(lián)測(⑨層降水周邊水位降深見圖10)；同時對磁懸浮墩臺沉降觀測點進行觀測，各測點變化情況如圖11所示。

從圖10中可以觀察到，距一號井基坑150 m處九層水位最大降深約為2.87 m，由于⑨層水位變化會隨著距離的增加而遞減，可判斷位于磁懸浮處的九層水位降深不超過2.87 m。

從圖11中可以觀察到，降水期間單個墩柱單日沉降最大值為0.5 mm，小于單日沉降報警值0.8 mm；累計沉降最大點位為C75A，沉降量為0.33 mm，遠小于累計變化量報警值2 mm；同一承臺左右墩柱，不均勻沉降單日最大僅0.11 mm，未超過0.2 mm單日差異沉降報警值；累計差異沉降量最大為0.14 mm，未超過0.5 mm累計差異沉降報警值，其余各點間不均勻沉降均未報警。

說明了在超深基坑開挖過程中，⑨層承壓水降水影響范圍廣，離開基坑一定范圍水位梯度非常平緩，所產(chǎn)生的不均勻沉降較小，不會對周邊建構(gòu)筑物造成實質(zhì)性影響。

4 結(jié)語

本文結(jié)合硬X射線項目一號工作井超深基坑工程，針對其基坑開挖期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了超深基坑開挖及降水期間對周邊環(huán)境影響的規(guī)律，得出了以下結(jié)論：

1)該工作井超深基坑工程施工采用了科學(xué)的施工流程和基坑變形控制方法，通過科學(xué)、嚴密的監(jiān)測手段，施工過程中很好的保障了周邊重要建、構(gòu)筑物的安全，支護結(jié)構(gòu)在基坑開挖及基坑降水過程中，較好的控制了周邊環(huán)境的變形，基坑施工過程中未對周邊環(huán)境造成破壞性影響，說明了此超深基坑工程圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工及監(jiān)測方案滿足深基坑工程的實際需求。

2)超深基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計采用超深地下連續(xù)墻及超深止水帷幕，隔斷⑦層承壓水，在基坑開挖時進行⑦層承壓水坑內(nèi)降水對周邊環(huán)境影響較小。

3)基坑開挖期間，周邊環(huán)境的變形取決于圍護結(jié)構(gòu)墻體的變形，圍護結(jié)構(gòu)最大的變形往往取決于圍護體自身的剛度、基坑開挖深度及支撐形成速度，在圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)充分考慮圍護體的剛度及基坑的支護結(jié)構(gòu)；在基坑開挖時應(yīng)遵循快挖快撐的原則，最大程度的減小圍護體的變形，從而遏制周邊環(huán)境的變形。

4)基坑開挖完成后，圍護結(jié)構(gòu)變形最大處發(fā)生在長邊最中間處，短邊處變形較小；周邊環(huán)境最大變形處約為距基坑開挖深度1/2位置處，其變形最大值趨近于圍護結(jié)構(gòu)本體的變形最大值。

5)通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，位于坑外加固土體附近的圍護墻體變形較小，今后有盾構(gòu)進出洞加固的基坑建議先行實施進出洞加固。

6)⑨層承壓水降水對周邊環(huán)境影響范圍較廣，但其所產(chǎn)生的不均勻沉降較小，降水期間不會對環(huán)境產(chǎn)生較大影響;在停止降水后，其水位恢復(fù)較快, 對周邊環(huán)境的影響僅僅在其降水期間，停抽后周邊環(huán)境的變形逐漸恢復(fù)至降水前的變形值。但是有條件的情況下，還是要加深圍護結(jié)構(gòu)的深度，減小降水量，降低⑨層降水井運行的風險。