上海某基坑超深地墻變形與接縫張開分析

葉可炯

[上海城建市政工程（集團）有限公司，上海市 200331]

0 引 言

近年，隨著我國城市地下空間開發的快速發展，超深基坑工程與日俱增，且臨近建（構）筑物的密度越來越大，給基坑開挖的環境擾動控制帶來了一系列的挑戰[1-7]。超深基坑施工的環境擾動往往與許多因素相關，其中以地下連續墻的變形與接縫滲漏的影響最為顯著。

近十年來，地下連續墻的滲漏問題得到了逐步認識和重視[8-11]。谷湘泉[9]通過對南昌地鐵一號線車站深基坑地下連續墻的滲漏水部位和滲漏量值進行分析，得出以下兩點主要原因：（1）混凝在澆筑過程中受鋼筋約束，墻縫位置混凝土澆筑困難易產生離析，引起地墻縫處混凝土不密實而出現縫隙，從而引發滲漏；（2）地下連續墻在接縫處的夾泥也是造成地下連續墻滲漏的主要原因之一。國內外大量學者的研究主要集中在對超深地下墻的滲漏檢測方法：聲吶法、電滲法、光纖測溫法、CT 成像法等的探索研究[10，11]，對基坑變形與滲漏的關系尚缺乏深入研究，特別是深基坑開挖工序及空間效應導致的變形不均勻性引起的地下墻接縫張開問題，尚未見文獻報道。

但是，國內地鐵車站滲漏很多是發生在施工開挖到一定深度并產生較大變形后[12]，證明超深基坑的滲漏不僅由圍護結構的缺陷造成，基坑開挖過程中圍護結構因開挖的空間效應而產生的縱橫向不均勻變形，可能會使得地墻接縫出現某種程度的錯動張開，進而也造成坑內外水土連通。因此，本課題結合上海北橫通道某深基坑工程，采用數值模擬方法分析基坑開挖全過程地下墻的三維變形規律，建立基坑不同槽段部位變形與其接縫張開的關系，進而判斷基坑地下墻接縫滲漏的安全，從而可為深基坑設計和施工優化提供有益的補充和參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

上海楊樹浦港盾構工作井開挖深度約為30.5 m，基坑外尺寸為74.8 m×（24.4～34.8）m（長×寬），圍護結構采用厚1.2 m 的地下連續墻，長63 m，地下連續墻之間接縫采用銑接頭。內襯厚度1.2 m，豎向設置6 道鋼筋混凝土支撐，見圖1、圖2。

圖1 基坑支護剖面圖（單位：mm）

圖2 基坑支撐結構平面示意圖（單位：mm）

工作井基坑采用順作法施工，從上往下依次開挖、澆筑第一至第六道支撐及圍檁（圍檁的詳細參數見表1，基坑施工工況見表2）。其中，盾構穿越工作井時，部分內襯墻、底板與B1 板（下二層板）已澆筑完畢，第三至第六道支撐已拆除，第一道與第二道支撐保留，阻礙盾構過井的格構柱已割除。盾構過井完成后，由下向上依次澆注中隔墻、梁柱、B2～B4 板等內部結構。待結構達到設計強度之后，拆除第二道支撐，澆筑頂板。待頂板滿足強度要求后，拆除第一道支撐。上述結構達到強度后，鑿除剩余格構柱，補澆筑孔洞，回填覆土，恢復交通。

表1 工作井基坑混凝土支撐截面

表2 施工工序

1.2 周邊環境與地質條件

基坑周邊環境見圖3，基坑南北側為翻交后保持通行的周家嘴路，基坑北側有楊浦區中小企業園區（1～5 層磚混結構距離基坑約9.73 m）、中化道達爾站（距離基坑約46 m）；基坑西側有楊樹浦港及其橋梁（距離基坑約64.14 m）；基坑南側有正在拆遷二鋼廠。需要保護的敏感建構筑物較多，基坑安全等級及環境保護等級均按一級考慮，圍護結構的變形與滲漏應得到嚴格的控制。

圖3 基坑周圍環境圖

地層分布見圖1，自上而下為①1填土、②1褐黃～灰黃色粉質黏土、③t黏質粉土夾淤泥質粉質黏土、③淤泥質粉質黏土、④淤泥質黏土、⑤1黏土、⑤3-1粉質黏土、⑤3t灰色黏質粉土夾粉質黏土、⑧1粉質黏土、⑧2t粉砂夾粉質黏土、⑧2粉質黏土與粉砂互層、⑨1灰色粉砂。⑨灰色粉砂。基坑坑底位于⑤3-1粉質黏土。

工程場地淺部地下水屬潛水類型，常年平均地下水位埋深為0.5～0.7 m。據地質勘察資料，⑤3t層為微承壓水層，⑧2層、⑧2t層、⑨層為承壓水含水層并呈連通狀態。據上海地區工程經驗，⑤3t微承壓水層水位埋深在3～11 m，⑧2、⑨層承壓含水層水位埋深在3～12 m。

2 數值計算模型

2.1 土體本構模型及參數

為了模擬基坑開挖過程中土體存在的小應變階段的非線性、應力相關等特性，采用土體小應變硬化模型（HHS）。土體的實際參數取值參考顧曉強[12]等研究，具體參數見表3。

表3 土體材料參數及取值

2.2 三維數值模型的建立

模型平面尺寸按地下連續墻深度的3 倍取值為200 m×200 m。考慮地下連續墻接縫對三維空間計算收斂及效率的影響，本模型將對地下連續墻進行以下簡化：

（1）將地下連續墻視為連續的整體，建模時忽略接縫的影響；

（2）考慮到轉角混凝土腋角的存在，認為轉角處為剛性。

計算模型見圖4。

圖4 深基坑三維計算模型

3 地下連續墻側向變形分析

3.1 地下連續墻側向位移的豎向變化規律

地下連續墻的側向位移變形云圖見圖5。可以發現，側向位移最大發生在開挖面附近（-35.84 m）處，在第五～ 第六層支撐之間也較大。進一步作出地下連續墻側移的豎向分布見圖6，可見隨著開挖深度不斷增加，地下連續墻的側向位移逐漸增大，同時最大側向位移點逐漸下移始終保持在開挖面附近。最終在基坑開挖到底時，坑底附近變形為最大。

圖5 地墻側向變形云圖

圖6 地下連續墻側向變形分布隨土體開挖變化

3.2 基坑長短邊最大側向位移的變化規律

基坑地連墻的長短邊在埋深36 m 處（由圖5 可知為最大側向變形位置附近）的最終水平位移分布見圖7，在土體卸荷的作用下，地連墻的長短邊均向基坑內部發生形變，且均在拐角處變形較小，在地連墻中部變形較大，變形呈近似拋物線分布，基坑邊長越長變形越大，這與空間效應吻合。

圖7 地下連續墻變形水平分布（z=-36 m）

4 地下連續墻接縫變形與滲漏風險分析

通過圖7 地下連續墻的變形可以看出，沿墻體法向的變形是由基坑外側指向基坑內側且位移較大，是最主要的變形。

對本工程基坑北側17 幅地下墻（見圖2），從左到右將其編號為1-17，分別對其開挖面（深度30 m）處側向變形曲線進行線性擬合，然后根據直線段斜率來求得每幅地下墻的轉角（見圖8 及式（1））。為考慮基坑角部空間效應及地墻轉角槽段剛性影響，對轉角槽段擬合時將直線段截距取為0。可得地下連續墻段間相對轉角見表4。

表4 地下連續墻段之間相對轉角 單位：（°）

圖8 相對轉角計算示意圖

式中：θ 為地墻接縫相對轉角；a1、a2分別為相鄰兩段地墻的變形斜率。

為了更直觀表示轉角隨位置的變化關系，變化趨勢制見圖8。可以看出地下連續墻在基坑邊兩端部的2-3 幅地墻相對轉角明顯大于中間部位轉角，且越靠近端部增加較快。最大轉角分別發生在基坑北側左右兩端鄰近轉角槽段的地下墻接縫。應該指出的是，本文中由于將基坑邊轉角槽段考慮為剛性，可能導致轉角處相鄰槽段相對轉角偏大。如果轉角處槽段發生一定轉動，則使得該處鄰近槽段相對轉角減小。但是，基坑鄰近角部的相對轉角大于中部的總體趨勢不變。

根據地墻厚度為1.2 m，采用式（2）計算得出每段地墻接縫間的最大寬度見表5。接縫張開最大為17.15 mm，張開較大，存在滲漏風險。地墻中間的接縫均存在不同程度的變形，為了更直觀體現接縫的變化情況，作圖如圖9 所示。地下連續墻接縫張開寬度分布見圖10。

圖9 地下連續墻接頭轉角分布（單位：°）

圖10 地下連續墻接縫張開寬度分布（單位：mm）

表5 地下連續墻段之間接縫張開寬度

式中：d 為地墻厚度；l 為接縫張開寬度；θ 為接縫轉角。

根據以上對地下連續墻接縫變形分析，可以得出以下結論：

（1）在垂直方向，滲漏多發生在基坑開挖面附近，及圍護結構側向位移最大處；

（2）靠近基坑轉角的地下連續墻接縫相對變形較大，易出現滲漏；

（3）在基坑邊中部，墻體的相對轉角較小，但總位移較大，也是薄弱點。

因此，對長邊基坑的深部進行局部地基加固或支撐加強控制基坑變形是有效防止基坑因圍護墻體變形造成滲漏的有效手段。

5 結 論

采用三維數值模擬手段對上海某深基坑超深地下連續墻的變形進行了分析，得出以下結論：

（1）地下連續墻的最大側向位移及位置隨開挖深度增大而下移。當基坑開挖深度大于12 m 及20 m兩個臨界點時側向位移增長速度顯著。平面上來看，地下連續墻的最大水平位移發生在基坑單邊的中點附近，向兩側逐步減小，這主要是基坑角部空間剛度大于側邊的效應引起的。

（2）與側向變形分布規律不同，基坑的接縫轉角與張開大小則是由基坑邊中點向兩端逐漸增大，這說明地下墻接縫張開滲漏的危險點并不是發生在基坑中點最大側向變形處，而是基坑邊中部與角部之間、靠角部較近的位置。

（3）通過對基坑長短邊的墻體位移分析，當開挖深度較大時，長邊位移較短邊位移明顯增大，因此對長邊基坑的深部進行局部地基加固或支撐加強是控制基坑變形的重要手段。