上海超深地下工作井圍護結構比選研究

劉仁勇

（上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海 200235）

1 工程概況

上海硬X 射線自由電子激光裝置項目是“十三五”國家重大基礎設施項目之一，該項目建成后將成為世界上最頂尖的大科學裝置，可為基礎科學領域提供最新一代的實驗平臺。

項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目工作井特性表

其中一～二號井坑底已進入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結構（地下連續(xù)墻、止水帷幕）的比選進行闡述。

2 支護形式的選擇

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

該項目實施前上海地區(qū)已經(jīng)成功實施的最深基坑為軌道交通4 號線修復工程，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，最終的圍護變形除外環(huán)隧道浦西連接井達到130mm 外，其余均在80mm 以內(nèi)。參照以往工程經(jīng)驗，本工程工作井同樣采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的圍護體系。

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)境復雜，尤其是正在使用和運營中的上海光源、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)境變化進行了比較，如圖2 所示.

圖2 各保護對象處水位降深-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，坑內(nèi)懸掛式降水引起的周邊保護對象處的水位降深遞減明顯，在90m 加深至100m 時，降水引起的坑外水位降深幅度有所減小。同時通過對磁浮等敏感建（構）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)力斷面進行配筋計算，詳見表3。

表3 地下連續(xù)墻對比表

根據(jù)以上計算可知：三種厚度的地下墻計算變形均能滿足規(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，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 銑槽機外，只有1.5m 銑槽機是現(xiàn)有設備，1.3m 銑槽機需要進行改造，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)墻作為圍護結構。

工作井為近似正方形的矩形平面布置，有一定的空間效應，利用有限元軟件建立三維分析模型計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算引起的結構變形?；娱_挖到底時，三維計算結果如圖3 所示。

圖3 四號井基坑開挖三維計算結果

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

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計方案

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，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，可考慮在外圍增設一道隔水帷幕。

上海某地塊基坑的涌水險情和修復方案說明了上海地區(qū)第一承壓含水層的危害性，以及增設隔水帷幕的必要性。該項目基坑開挖深度約27.2m，坑底位于⑦-1 層，采用52m 地下連續(xù)墻圍護，墻趾位于⑦-2 層。在開挖到底時，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情。隨后制定了修復方案：在原地下連續(xù)墻外側重新施作了一道55m 深的地下連續(xù)墻，并在新做的地下連續(xù)墻外側增設了一排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行補強處理；接縫施工質(zhì)量缺陷可以在開挖前通過抽水試驗查明并采取接縫止水措施；但在開挖施工中由于圍護較大側移造成接縫錯位引起的滲漏水是無法通過事先的檢測進行判斷。傳統(tǒng)的接縫止水在圍護變形后也會產(chǎn)生縫隙。尤其是基坑坑底位于或者接近承壓含水層時，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，如不及時采取措施，縫隙會逐漸變大，并進一步導致涌水量越來越多。所以更需要外側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)驗及基坑開挖計算分析，當坑底土強度較高時，圍護最大側移出現(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，該處的圍護側移極易引起接縫處集中滲漏，在巨大的內(nèi)外壓力差下，會導致坑外⑦層承壓水的快速補給，產(chǎn)生突涌風險，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層補給的作用。因此建議第二道隔水帷幕進入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[7]，因此推薦采用TRD 工法作為第二道隔水帷幕。建議實施前先進行試驗，驗證設備施工能力。

6 結論

（1）本文對硬X 射線自由電子激光裝置項目的圍護結構（地下連續(xù)墻、止水帷幕）的設計方案進行了闡述。通過計算分析，對地下連續(xù)墻的深度、厚度進行了比選，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置的必要性和設計方案進行了闡述。

（2）本工程對上海地區(qū)超深基坑的圍護設計提供了經(jīng)驗，對類似工程設計具有一定指導意義。