上海某超大深基坑變形報警原因分析及應對措施

■張 強 ZHANG Qiang

0 引言

近年來，地下空間的開發力度越來越大，超大深基坑越來越多，一些學者做了大量研究工作：黃華對某實際項目基坑變形報警情況及其原因進行了介紹與分析[1]；易禮從設計角度對基坑變形數據與工況對應關系進行了分析[2]；任家佳等將數值計算與監測數據進行對比，驗證了圍護設計方案的合理性[3]；方銀鋼對基坑變形因素分析后提出了相應的變形控制措施[4]；袁堅等對多分區基坑進行了周邊環境變形實測分析[5]。本文以上海某超大深基坑變形報警進行原因分析，探究如何科學有效地采取應對措施，對類似超大深基坑工程施工可起到參考作用。

1 工程概況

1.1 場地概況

本工程位于上海虹橋商務區，規劃總用地面積14953 m2，總建筑面積109065.3 m2，其中：地上建筑面積72910.3 m2，地下建筑面積36155.6 m2；容積率4.8；建筑密度34.1%；綠地率20%。項目由1 棟高層辦公樓和1 棟商業樓組成，主要空間功能為辦公及配套商業。基坑總平面見圖1。

圖1 基坑總平面圖

1.2 周邊基本情況

（1）基坑東側唧泵站。由于該泵站的建造年代較早（上世紀60 年代建造），因此，自身抵抗施工影響的客觀條件較差，但重要性較高，且距離基坑位置較近，受施工影響的風險較高，故項目部委托有資質的檢測單位在施工前對水庫、泵房、連接管道、配電間和西側圍墻進行檢測，根據檢測報告委托相應有資質的設計院、施工單位分別進行加固設計和加固施工；在基坑施工期間對唧泵站構筑物、管道、變形縫等重要部位進行實時監控。此外，在項目基坑與唧泵站之間增設一道隔離樁（上部用圍檁梁連成整體）。當土方開挖至第四層時，因變形縫累計變形達到5 mm 的報警值；為了進一步降低基坑開挖、拆撐等作業的不利影響，項目部通知管理所停用臨近基坑的水庫，待水庫變形穩定后進行第二次修復等工作，確保后期正常使用。

（2）基坑南側臨近廠房和住宅。施工期間通過降噪降塵、基坑監測等多項措施，減輕施工期間對其影響，目前整體情況較好，臨近的建筑外墻未出現與項目施工相關的裂縫。

（3）基坑西南側變電站。在項目地下結構施工階段，變電站圍墻有裂縫，但其建筑墻體等部位未開裂。為推進架空線落地工程，國網公司擬自行拆除重建該站。

（4）西側加油站。項目開工前經與加油站母公司協商，簽訂了對該加油站的保護協議——基坑變形致其圍墻達到報警值后通知其停止使用并給予相應補償。目前該加油站監測指標已達報警值，已暫停使用；項目與之相鄰的結構已經完成正負零值，待經過相關評估后恢復使用。

（5）項目西北側代建綠地和項目部辦公地“小白樓”。項目開工前相關部門不考慮保留“小白樓”，基坑開挖階段，相關部門要求對該建筑進行甄別，經過甄別后認定該建筑物為需保留的歷史建筑；受圍護設計及基坑施工影響，該建筑物部分部位開裂，待基坑變形穩定后予以修復移交。

（6）項目北側賓館，2020 年期間，該賓館多次因公務接待需要，要求項目部暫停施工，因此，對項目工期影響較大。為保證賓館的正常運行，施工期間，已經委托某市政公司對市政道路進行修復和維護。

綜上所述，本項目地處上海市中心區域，基坑周邊建筑與公共配套密集，若基坑變形過大，會產生較大的負面影響。

1.3 地質概況

本工程屬古河道沉積區，土層分布較為穩定。在勘察深度（最大深度120 m）范圍內揭露的地基土屬第四紀沉積物，主要由黏性土、粉性土、砂土組成。根據地基土的成因、年代、結構特征及物理力學性質指標等綜合分析，最后，將本工程地基劃分為11個主要工程地質層次。

本工程開挖深度普遍為15.2 m，根據上海市工程建設規范《巖土工程勘察規范》（DGJ 08—37—2012）第12.3.3 條公示計算：當基坑開挖深度至15.2 m 時，從最不利角度考慮，第⑦層粉砂層水頭埋深按4.33 m 計算，第⑦層粉砂層頂埋深按45.9 m計算，得出：Pcz/Pwy=1.17＞1.05，因此第⑦層粉砂層的承壓水不存在突涌的可能。同樣第⑨層細砂層承壓水亦不存在突涌的可能。

本工程基坑安全等級為一級，環境保護等級西北角（臨公共綠地側）為二級，其余為一級。裙樓開挖深度約為15.4 m，主樓下基坑開挖深度約為16.6 m/20.4 m。本工程采用800 mm/1000 mm 厚地下連續墻兩墻合一圍護結構，墻長根據位置不同由31～35.6 m 不等。地下連續墻圍護結構平面如圖2。

圖2 地下連續墻圍護結構平面示意圖

2 監測數據

2.1 監測點位布置圖

監測數據包括各類管線沉降值、圍護墻體測斜、圍護墻頂水平及豎向位移、周邊房屋沉降值，其中圍護墻體測斜、圍護墻頂水平及豎向位移等監測最重要；具體基坑監測點布置如圖3。

圖3 基坑監測點布置圖

2.2 監測數據

本工程于2019年9月10日開工。基坑開挖深度普遍為15.2 m，分四層開挖。自2020 年6 月4 日開挖第二層土方，至2020 年10 月6 日第四層土方開挖結束，歷時4 個月。施工工況見表1。

表1 基坑施工工況表

自2020 年6 月4 日開挖第二層土方開始，監測數據顯示基坑各項變形開始加快發展。對此項目團隊于2020 年9 月4 日開始，采取了若干應急搶險措施。監測所得關鍵指標，圍護墻體測斜變化速率由采取應急搶險措施前的月均4.71 mm/d 降至月均2.78 mm/d，低于圍護墻體測斜日變量警戒值。至2020 年10 月6 日第四層土方開挖結束時，基坑變形速率已放緩，基本可以判定險情結束。圍護墻體測斜在數個關鍵節點的監測數據變化見圖4。

圖4 基坑圍護體深層水平位移（測斜）特征變化曲線圖

3 基坑變形原因分析及應對措施

3.1 基坑變形原因分析

1776 年，Coulomb 提出了經典的庫倫理論，根據不同墻面對應的墻后土楔體處于極限平衡狀態時的受力平衡條件，假定破裂面形狀，依據極限狀態下破裂棱體的靜力平衡條件來確定土壓力[6]。當基坑開挖時，圍護結構的內側荷載發生卸載，圍護結構受到土方接觸壓力即被動土壓力的作用而產生向基坑內變形的趨勢，當位移產生后，圍護結構外側的靜止土壓力逐步減小，逐步向主動土壓力狀態發展。在二三層土方開挖過程中，基坑變形增長較快，特別是圍護墻體深層水平位移監測數據。對于基坑變形超出預警值的現象，判斷主要為以下幾點原因：①現場支撐、底板澆筑施工工期滯后，時空效應導致基坑變形超過預期；②變形較大部位可能受車輛、施工堆載影響；③總包對分包單位缺乏有效管控，分包單位管理不善以及勞務人員配置嚴重不足。

3.2 基坑變形應對措施

召開基坑安全專家評審會議后，制定了如下四條應急安全措施。

（1）若存在工程界面不清晰互相推諉的情況，所有專業分包單位無法或拒絕或進度滯后的施工內容均由總包單位負責施工。（2）盡快在已開挖但還未形成墊層的區域實施有配筋墊層，規格為（HRB400）10@150 單層雙向，鋼筋保護層控制在30～40 mm，將墊層混凝土強度標號提高至C30，厚度為200 mm，采用預鋪反黏防水材料以減少工序時間。

（3）合理安排施工次序，要求已開挖區域底板同時介入施工，底板流水作業未形成之前，未開挖土方區域暫緩作業（采用中心盆式開挖）。

（4）必要時24 h 作業，對基坑支護結構和周邊保護對象采取應急措施。盡快完成墊層施工以及底板澆筑施工，確保基坑及周邊環境安全。

在2020 年9 月4 日采取應急安全措施后，圍護墻體測斜變化速率明顯減小，具體數據見表2。

表2 采取應急措施前后圍護墻體測斜變化速率對比表

4 結論

由于現場施工進度滯后于計劃施工進度，基坑變形超出預警值，采取了加快施工進度、暫緩土方開挖、提高墊層級配與設置配筋墊層等應急措施后，基坑變形得到了有效控制。可總結出控制超大深基坑變形的要點包括：設計階段宜嚴格把控基坑安全等級與環境保護等級，本工程變形過大最早發生在基坑薄弱的臨公共綠地側；施工過程中，應合理安排土方開挖與支撐澆筑及時工序搭接，以減少基坑暴露時間，加快施工進度。

本工程為類似超大深基坑工程施工提供了幾點啟示：首先，在設計階段，應充分考慮超大深基坑變形的各類不利因素，提高圍護結構剛度，減小其變形發展；其次，土方開挖施工過程中，應增加監測頻率，保證監測與施工間嚴密的聯動，及時有效控制變形；此外，除應編寫專門的基坑變形應急搶險預案外，還應提前做好應急搶險技術、人員與物資的準備，盡快采取有效措施控制基坑變形發展。