上海軟土深基坑工程周圍管線變形特性實測分析

徐而進

上海陸家嘴金融貿易區開發股份有限公司 上海 200127

隨著城市的基礎設施完善和地下空間開發，產生了大量的地下管線工程和深基坑工程。上海地區地下管線埋深大多在4 m范圍內[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、燃氣和信息等管線，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測數據發現，基坑工程可能引起周圍管線持續發生沉降并超過警戒值，需采取跟蹤注漿的保護措施。

李大勇等[4]建議考慮管線、土體和基坑圍護結構的相互作用，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力。

王成華等[5]、杜金龍等[6]進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之間的關系。

鄒淼等[7]對比西安某地鐵車站基坑開挖引起的管線沉降實測數據和數值模擬結果，指出管線沉降受基坑分步開挖深度影響較大，同時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，且針對性過強的缺點，提出根據位移控制有限元（FCFEM）結果，得到上海軟黏土地區板式圍護體系基坑圍護墻的側向變形和土體沉降預測曲線，在此基礎上提出基于Winkler彈性地基梁模型計算管線變形的簡化計算方法。

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，計算結果均在一定程度上依賴于土體模量的選擇[10]，實際操作受主觀因素影響較大。雖然已有文獻根據現場實測數據分析基坑工程對周圍環境的影響，但大多限于分析基坑周圍土體、建筑或隧道的變形，有關周圍管線變形的實測數據很少[11]。

本文以上海軟土地區某深基坑工程現場實測數據為例，分析基坑周圍的電力、雨水、供能和信息管線的變形特性，并提出相應的控制管線變形的建議措施。

1 工程概況及地質條件

1.1 工程概況

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

本文以該工程中的25-1北區地塊進行分析。該地塊開挖面積約9 953 m2，基坑形狀近似為一個等邊三角形（圖1），其中最長邊長度為147 m。除7區開挖深度為6.45 m，1區坑開挖深度為10.30 m外，其他區域基坑開挖深度為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區采用2道混凝土支撐加地下連續墻的圍護形式，其他區域采用3道鋼支撐加地下連續墻的圍護形式。施工階段為：1區基坑（①階段）→2、4區基坑（②階段）→3、5區基坑（③階段）→6區基坑（④階段）→地下結構（⑤階段）。整個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 地質概況

基坑所在地屬濱海平原地貌，地面的絕對高程為3.5～6.0 m。地塊原為濕地公園，目前場地內主要為空地。西側為公交車站和地鐵站。勘探深度內均為第四系土層。根據收集的資料及本次勘察成果，場地處于古河道分布區，其中⑥層粉質黏土缺失。地基土埋深在20.0～60.0 m范圍內分布相對復雜，多呈交互成層或透鏡體狀分布，20.0 m以上及60.0 m以下基本穩定。

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

場地淺部分布的③1和第④層是影響工程的主要軟土層，土質松軟，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，為坑內的深層減壓井的抽水層。設置坑內降壓井14口，坑外觀測井9口。

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

1.3 支護方案

基坑工程采用分區順作開挖法。基坑的地下連續墻厚800mm，墻底標高－25.90 m。地下連續墻外側均設置厚600mm的TRD工法槽壁加固，樁底標高－38.90 m，打入了不透水層；內側采用φ850mm@600mm三軸水泥土攪拌樁進行槽壁加固。其中，1區大基坑采用2道混凝土支撐進行支護，分別設置在－1.00、－6.70 m處；其他區域采用3道鋼支撐（自動軸壓伺服系統）進行支護，分別設置在－0.75、－4.05、－7.30 m處（圖2）。鄰近地鐵分區設置厚300mm素混凝土墊層，1區設置厚200mm素混凝土墊層。在各分區分隔墻處，設置厚400mm的加厚素混凝土墊層。

圖2 基坑支護結構示意

2 施工流程與監測方案

基坑北側有供能、燃氣、雨水、電力和信息共5條管線。每條管線自東向西布置11個位移測點，自東向西分別為：雨水管線觀測點YS13～YS23、信息管線觀測點XX12～XX22）、燃氣管線觀測點RQ12～RQ22、供能管線觀測點GN1～GN11、電力管線觀測點DL23～DL33。基坑東側有電力、信息和雨水3條管線，每條管線同樣布置11個位移測點（圖3）。

圖3 監測點布置平面

3 監測結果分析

3.1 基坑東側管線沉降分析

基坑東側3根管線沉降隨時間變化的規律基本相同（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，繼續開挖第2層土體時，各管線再次快速沉降，但沉降量小于第1階段沉降量。1區基坑底板澆筑完成，沉降趨于穩定。在拆除第2道支撐時，管線又開始沉降。因東側管線緊鄰2、4區，開挖2、4區小坑階段，東側管線沉降加速。開挖3、5區基坑時，因3、5區與東側管線距離較遠，管線無明顯沉降。

圖4 基坑東側管線沉降

從時間上分析，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個階段，管線沉降速率較快。基坑底板澆筑完成后，各管線產生一定回彈。

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，靠近基坑中心的測點的沉降量較靠近基坑邊緣的測點的沉降量大。

3.2 基坑東側管線水平位移分析

基坑東側3條管線水平位移隨時間變化的規律相似（圖5），絕大部分水平位移均發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道支撐施工結束，繼續開挖基坑，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，因第2道支撐的約束作用，管線水平位移較小。

3.3 基坑西側管線沉降分析

基坑西側距離基坑較近的供能和燃氣管線沉降明顯大于距離基坑較遠的信息和電力管線的沉降（圖6）。與東側管線不同，東側管線僅在開挖2區小基坑時發生少量沉降，開挖3區和6區基坑時幾乎不發生沉降。而西側距離基坑較近的供能、燃氣和雨水3條管線在開挖2、3區甚至6區小基坑時均發生較大的沉降。這與管線和基坑的距離有關，東側管線距離大基坑和2區小基坑較近，而西部管線距離2、3區小基坑較近。

圖5 基坑東側管線水平位移

圖6 基坑西側管線沉降

距離基坑較遠的電力和信息2條管線沉降主要發生在大基坑開挖階段，大基坑底板澆筑完成，沉降不再發生，甚至產生回彈，最終沉降量約5mm。基坑開挖影響范圍為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該幾乎不產生變形。根據基坑開挖影響范圍及管線實際沉降隨時間發展規律推測，管線沉降在1區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，導致坑內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，故管線沉降產生回彈。實際施工時，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 基坑外側承壓水位變化情況

3.4 基坑西側管線水平位移分析

與東側管線相似，基坑西側管線絕大部分水平位移均發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生（圖8）。因管線距離基坑較東部管線距基坑遠，水平位移略小于東部管線的水平位移，為5～8mm。

圖8 基坑西側管線水平位移

對比圖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，水平位移也沒有恢復。

同時，雖然電力和信息管線距離基坑較供能管線遠得多，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。實際施工時應注意，即使管線距離基坑較遠，對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生較大的水平位移。

4 結語

通過分析上海軟土地區某深基坑工程周圍的電力、燃氣、雨水、供能和信息管線的實測變形，我們得出如下主要結論：

1）對于采用分區開挖的基坑工程，管線沉降主要發生在大基坑開挖、拆除橫支撐及開挖緊鄰管線的小基坑3個階段。

2）對于設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，在承壓水位恢復后會產生一定的回彈，但水平位移很難恢復。

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處的管線發生較大的水平位移，可采用坑外回灌的方式減少管線沉降。