复杂周边环境下的深基坑变形分析

0 引 言

城市建设的快速发展使得土地资源日趋紧张，尤其是在上海等一线城市中，新开发项目周边往往面临着既有建筑、地铁隧道以及各种管线等复杂环境。为确保周边环境及基坑安全，复杂周边环境下基坑开挖引起的变形控制显得尤为重要。目前国内外许多研究人员利用数值模拟的方法对基坑开挖引起的周边环境变形特性进行分析，如毛朝辉等人利用数值分析研究基坑开挖对其下方隧道的影响[1]，然而相较于理论分析，现场实际埋设的监测点位更能够综合考虑各种因素带来的影响，实时反馈基坑及周边环境的安全性，是研究基坑施工影响下周边环境变形规律的一种重要手段[2-4]。

深基坑工程具有一定的区域特性[5]，春秋航空总部办公楼项目（以下简称“本项目”）周边有地铁隧道、人行地道、高架桥以及地下管线等不利因素。本文以本项目为例，介绍复杂周边环境情况下深基坑设计、施工管理以及周边环境专项保护措施，对基坑及周边环境监测数据进行分析，为该地区其他类似工程提供指导和借鉴。

1 工程简介

1.1 工程概况及周边环境

本项目坐落于上海市长宁区虹桥机场东片区，用地面积约为12 447.2 m2，总建筑面积约为42 993 m2，地上7层，地下3层，属于多层办公楼建筑。其中工程地基基础采用桩基础，基坑总面积约为6 675 m2，开挖深度达17 m。受场地下方贯穿轨道交通10号线隧道影响，基坑分N区、S1区和S2区三个区域进行开挖，10号线区间隧道埋深为17.3 m，距南北侧基坑开挖边线约9 m；友乐路地道埋深约为5.35 m～6.35 m，距N区开挖边线最近约11.2 m，虹桥路机场高架柱墩距N区开挖边线最近33 m。此外，场地周边还有若干市政道路和大量市政管线。

1.2 水文地质情况

地质勘察报告显示，本项目地基土以黏性土、粉土和砂土为主，表层分布有杂填土。场地潜水水位约为1.95 m～ 2.44 m，基坑开挖范围内主要以黏性土为主，该土层含水量高、渗透性差，疏干降水难度大。施工现场承压水水头约为3 m～12 m, 在第⑤2-1层、第⑤2-2层、第⑧2层、第⑨层广泛分布，且各个承压含水层彼此连通，组成复合型巨厚承压水层，止水帷幕难以截断整个含水组层，基坑开挖期间须根据承压水水位变化情况采取降压措施。

2 设计和施工管理

为保障基坑在开挖过程中自身及周边环境安全，本项目在基坑的支护设计及现场施工管理上采取了一定的措施。具体措施如下。

（1）围护设计。围护设计采用地下连续墙（以下简称“地连墙”）＋支撑体系，同时地连墙作外墙使用。地连墙厚1 m，外围地连墙墙深41 m，采用十字钢板止水接头的刚性连接方式。为防止地连墙出现冷缝，地连墙两侧各设置一排三轴搅拌桩进行加固，同时在被动区域加固土体与三轴搅拌桩之间采用高压旋喷桩进行填充。

（2）支撑体系。本项目基坑N区设四道支撑，中部首道采用C35混凝土支撑，下三道采用钢支撑，两侧采用四道C35混凝土支撑，水平钢支撑可施加轴力补偿，竖向为钢格构柱。

（3）降水井设计。经过验算，现场共布置疏干井20口，承压井18口，采取真空深井降水系统，坑外布置应急回灌井36口。基坑施工期间，采用浅井疏干、深井减压的降水方法加坑外深部承压水回灌的措施，使坑外地下水达到平衡。

（4）土方开挖及支撑施工管理。现场分N区、S1区和S2区三个基坑顺序开挖，采用顺作法施工，现场须待降水条件以及上道支撑强度满足要求后再进行下层土方开挖，开挖过程中应根据监测情况适时优化施工顺序。本项目支撑包含混凝土支撑和钢支撑，就混凝土支撑施工而言，需对其钢筋、模板、混凝土浇筑分项工程进行有效管理，钢支撑伺服动力首次加载采用分级加载方式，轴力调整以基坑围护变形为主要依据。

3 基坑开挖与周边环境监测

3.1 施工工况

本文选取本项目N区从基坑开挖至第三道支撑拆除期间进行分析，根据现场实际共划为13个工况。具体工况划分，如表1所示。

3.2 周边环境监测及保护

为确保基坑安全，开挖过程中地连墙水平侧向位移累积量要求小于60 mm，单日变化量小于3 mm。基坑周边人行地道、高架桥和办公大楼属于重点保护对象，地道竖向变形控制日变量小于2 mm，累计变量小于20 mm；办公大楼建筑结构竖向变形控制日变量小于2 mm（连续2 d），累计变量小于20 mm；高架立柱竖向变形控制日变量小于2 mm，累计位移量小于10 mm，施工期间严禁重荷载堆放于需保护的建（构）筑物一侧。根据上海市市政工程管理局发布的《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》，水平和竖向累计位移均应小于10 mm。根据此规定，本项目要求地铁上部地表累计位移小于15 mm，单日变化量小于2 mm。

4 实测分析

4.1 地连墙侧向变性分析

考虑到基坑变形存在一定的空间效应，分别在基坑中部和角部选取CX1、CX7、CX10和CX23四个监测点进行分析，其中，监测点CX10为距地铁隧道较远的基坑中部监测点，CX23为靠近地铁一侧的监测点。分析阶段为从基坑第二道支撑设置完成至基坑大底板混凝土浇筑完成。监测结果，如图1所示。

据图1可知，各监测点墙体测斜位移随着基坑开挖逐渐增加，且最大位移量不断下移，最大位移量始终处于基坑开挖面下方邻近位置，地连墙的水平位移曲线整体上呈“大肚型”。

基坑监测点CX10最大位移量为55.1 mm，临近监测报警值，监测点CX7位于基坑角部，最大位移量为30.9 mm，明显小于CX10监测值，这也进一步印证了基坑在开挖时变形存在一定的空间效应。靠近地铁一侧基坑内被动区域土体进行了一定的加固，并对钢支撑施加轴力补偿，基坑监测点CX23最大水平位移为36.1 mm，相较于CX10最大位移量减少约40%，这说明地铁隧道的变形在根本上得到了有效控制。

4.2 人行地道及其上方地表道路变形分析

基坑施工期间人行地道沉降和人行地道上方地表沉降观测结果，如图2所示。

观测结果表明，仅距离基坑最近的观测点DD6变形较大，且随基坑开挖深度增加，变形逐步增大，最大值为12.1 mm，在第三层土方开挖完成后趋于稳定，基坑支撑拆除阶段略有回升，其他位置几乎无影响，总体上处于可控状态。

人行地道上方地表道路沉降观测点DB8-1至DB8-6按距基坑由近到远进行布置，由图2可知，1倍于基坑深度范围内路面竖向位移较大，最大沉降为17.4 mm，距离基坑边线2倍开挖深度范围外时，几乎不受影响，同一工况地表沉降值要大于下方人行地道沉降值。这表明间接监测方法要比直接监测得出的结果大一些。

4.3 邻近高架桥立柱变形分析

基坑附近的虹桥路高架桥立柱竖向位移变化曲线，如图3所示。

本项目选取8个立柱柱墩进行观测。结果表明，随着基坑开挖深度增加，高架桥立柱竖向位移呈小范围波动，其中最大沉降值为3.9 mm，部分时段出现小幅隆起。高架桥立柱更加关注的是差异化沉降，据图3可知，高架立柱最大差异沉降发生在基坑第二层土方开挖时，差值仅为5 mm，这表明基坑开挖期间对邻近高架桥的稳定性影响很小。

4.4 相邻地铁区间隧道变形分析

地铁隧道表面竖向位移变化曲线，如图4所示。

区间隧道顶部埋深约为17.3 m，基本与基坑开挖底部持平，由于地铁隧道表面不易布设直接观测点，本次监测利用地铁上部地表进行间接观测，其中DB10-1至DB10-6以及DB11-1至DB11-6按距基坑由近至远进行布置，点位间距5 m左右。由图4观测结果可以看出，基坑在临近基底的第四层土方开挖时，出现了较大的突变沉降，最大沉降值为15.9 mm，出现在监测点DB10-3，略微超过监测报警值，后续逐渐趋于稳定；部分监测点位在基坑支撑拆除后结构施工时沉降值有小幅回升，最大沉降值为18.1 mm，基本上处于可控状态。后续应当注意在距离地铁隧道较近的基坑现场施工时，要密切关注监测数据，开挖至下层土方时根据需要可加大观测频率，合理安排现场施工，减少基坑暴露，基坑支撑拆除后及时进行结构施工。

5 结 语

本项目周边施工环境复杂，且基坑底部与相邻地铁隧道顶部持平。为保障基坑以及周边环境在施工过程中的稳定性，项目基坑在设计时充分预估深基坑施工对周边环境附加的变形影响，对基坑围护结构选型、基坑加固形式、基坑支撑体系和基坑降水方式进行了系统性设计，并对基坑及周边进行了监测。监测结果显示，各项监测指标基本符合要求，但地铁隧道上部地表沉降略微超过报警值。这说明基坑支护设计基本满足要求，但应当进一步加强对与基坑施工较近的地铁隧道的专项保护工作，严格进行施工管理，同时改善地铁隧道变形位移的观测方法，使其能够更加科学、直接地反映地铁隧道在基坑施工过程中的变化规律。

参考文献：

[1]毛朝辉，刘国彬．基坑开挖引起下方隧道变形的数值模拟[J]． 地下工程与隧道，2005（4）：24–27，63-64．

[2]况龙川．深基坑施工对地铁隧道的影响[J]．岩土工程学报，2000（3）：284–288.

[3]蒋洪胜，侯学渊．基坑开挖对临近软土地铁隧道的影响[J]．工业建筑，2002（5）：53–56．

[4]徐中华，宗露丹，沈健，等．邻近地铁隧道的软土深基坑变形实测分析[J]．岩土工程学报，2019（增刊1）：41-44．

[5]陈伟锋．海珠区某深基坑支护方案设计及监测数据分析[D]．武汉：湖北工业大学，2018．