摘 要:上海申能能源大厦基坑紧邻地铁隧道和建筑，环境保护要求很高。首先介绍了基坑支护体系的设计和保护环境的措施，然后采用数值分析方法预测了基坑开挖引起的邻近地铁隧道的变形，采用简化分析方法预测了邻近建筑的沉降。计算结果表明，基坑开挖对周边环境可能造成的不利影响在允许范围之内。对基坑的实测数据作了分析，结果表明，预测值与实测值吻合得较好，设计方案的实施有效地保护了基坑周边环境。

关键词: 基坑; 设计; 现场监测; 复杂环境

 

      上海申能能源大厦基坑邻近敏感的地铁隧道、建筑物及市政管线。在这种复杂环境条件下，基坑支护结构除满足自身强度要求外，还须满足变形要求，将基坑周边土体的变形控制在允许范围之内。本文介绍了该基坑工程的总体设计方案，包括围护结构设计、水平支撑体系设计和保护环境的措施。基坑设计过程中预测了基坑开挖对周边环境的影响。通过对现场实测数据的分析，验证了设计方案的可行性，预测值与实测值的对比分析也验证了预测方法的适用性。上海申能能源大厦基坑的设计方案和设计中基坑开挖对环境影响的简化分析方法^{［1 ～5］}和数值分析方法^{［6 ～8］}可为今后类似工程的设计提供参考。

 

      申能能源大厦位于上海虹井路与老虹井路之间的地块区域，其主体结构由 9 层主楼、3 层裙楼以及地下车库组成。主体结构整体设置 2 层地下室，采用桩筏基础。基础筏板厚度为 800 mm，柱下及墙下承台厚度为 1 400 mm，芯筒下承台厚度为1 800 mm。本工程 ± 0． 000 = + 5． 550 m，自然地面设计相对标高约为 － 1． 350 m，基础底板面设计相对标高为 －9． 400 m，基底设置 200 mm 的混凝土垫层。基坑开挖深度为筏板底 9． 05 m，柱下承台底 9． 65 m，芯筒下承台底 10． 05 m，整个基坑面积约为 8 200 m²。

 

      建筑场地位于长江三角洲冲积平原，根据工程地质勘察报告，地质勘察所揭露的 70 m 深度范围内的地基土均属第四系河口 ～ 滨海相、滨海 ～ 浅海相沉积层，主要由饱和粘性土、粉砂土、砂土组成。根据土的成因、结构和物理力学特性将其分为 7层，其中缺失上海地区通常存在的土层⑥黑绿色粘土。第⑤和⑦层又可以分为两个亚层。基坑开挖所涉及的土层主要是土层①、②、③和④; 其中土层③为淤泥质粉质粘土，土层④为淤泥质粘土，这两层土体含水量高、渗透系数很小、抗剪强度低、变形量大。图 1 给出了各土层的部分物理力学指标。

      本工程场地范围内涉及到的地下水主要有浅部粘性土中的潜水，浅部粉性土层中的微承压水和深部粉性土、砂土层中的承压水。潜水位埋深为0． 7 ～ 1． 0 m，年平均地下水位埋深为 0． 5 ～ 0． 7 m。第⑤_2-1、⑤_2-2层微承压水和⑦₁、⑦₂、⑨层承压水连通，勘查测得承压水位为 3 ～11 m。潜水位和承压水位随季节、气候等因素而有所变化。地下水对混凝土无腐蚀性。

       基地东侧为四条地铁隧道，距离本工程围护结构外 边 线 由 近 至 远 依 次 为 15． 8 m、28． 1 m、38． 3 m、49 m，轨顶埋深分别为 9． 1 m、16． 6 m。基地北侧为一栋 1 层建筑、闵行供电公司和一栋 9 层新建办公楼，分别距离本工程围护结构外边线3． 2 m、16． 4 m、15． 6 m; 南侧为汽车维修公司，距离基坑 7． 1 m; 西侧为老虹井路，之间埋设了地下管线，由近至远依次为煤气管线( 10． 3 m) 、信息管线( 22． 2 m) 、信息管线 ( 23． 3 m) 、给水管线( 24． 7 m) 等。基坑平面如图 2 所示。

      综合考虑了基坑周边的环境保护要求、施工工期以及经济性等因素，本工程采用钻孔灌注桩结合三轴水泥土搅拌桩止水帷幕作为基坑围护结构，在坑内设置两道钢筋混凝土支撑，支撑以十字对撑形式布置。

      普遍侧的钻孔灌注桩直径为 850 mm，间距为1 050 mm，钻孔灌注桩插入基底以下 10 m，有效深度为 17． 8 m。

      第 一 道 钢 筋 混 凝 土 支 撑 主 撑 截 面 为1 000 mm × 700 mm，围 檩 截 面 为 1 100 mm ×700 mm，八字撑截面为 900 × 700 mm; 第二道钢筋混凝土支撑主撑截面为为 1 200 mm × 800 mm，围檩截面为 1 300 mm × 800 mm，八字撑截面为1 000 mm × 800 mm。支撑平面布置如图 2 所示。图 3 为地铁隧道侧竖向支撑剖面图。

      在邻近地铁隧道侧，钻孔灌注桩直径增大为1 000 mm，间距为 1 200 mm，桩端进入⑤_2-2层的深度不少于 1 m，同时在围护桩外侧设置双排三轴水泥土搅拌桩止水帷幕; 采用 Ф850@ 600 三轴水泥土搅拌桩对坑内被动区土体进行满堂加固，加固区的深度范围为第一道支撑底面至基底以下 4 m，基底以上水泥掺量为 10%，基底以下水泥掺量为20% ; 严格控制地铁隧道侧的施工车辆通行，施工荷载限制在 10 kPa 以内; 加深地铁侧止水帷幕深度，增加微承压水的补给路径。

      在基坑以南邻近汽车维修公司侧，钻孔灌注桩直径增大为 900 mm，间距为 1 100 mm; 所有邻近建筑侧的钻孔灌注桩均插入基底以下 12 m，有效深度为 19． 8 m; 采用 Ф700@ 500 三轴水泥土搅拌桩对坑内被动区土体加固，加固体呈墩式分布，加固区的范围与水泥掺量与地铁隧道侧相同。

 

      采用有限元商业软件 PLAXIS 预估基坑开挖引起的邻近地铁隧道的变形，用以分析采用本基坑支护方案开挖对邻近地铁隧道的影响，为设计方案提供指导意见。

土体采用高精度的 15 结点三角形单元模拟，围护结构、隧道采用梁单元模拟，水平支撑采用弹簧单元模拟。土体本构模型采用 Hardening Soil( HS)^［9］模型。模型参数来源于地质勘察报告和大量类似工程的实测数据反分析。相应结构的截面积与惯性矩等几何参数按每延米等效计算。

      在地铁侧选取一个典型剖面( B-B) 进行分析，图 2 给出了所取剖面的平面位置。模型的总尺寸为 130 m ×55 m。模型底部约束竖向和水平位移，左右两边约束水平位移。有限元模型如图 4 所示。模型总单元数量为3 126 个，总结点数为25 933个。

      图 5 和图 6 分别是基坑开挖至基底时地铁隧道的竖向位移和水平位移计算结果。从图 5 和图6 分别可以看出地铁隧道的最大竖向隆起位移为1． 16 mm，最大水平位移为 1． 46 mm。数值计算结果表明，采用现设计方案可将基坑开挖对地铁隧道可能造成的不利影响控制在允许范围之内。

      采用简化分析方法^［2］对本工程开挖至基底时基坑北侧 9 层新建办公楼沉降进行了预测，如图 7所示。从图 7 可以得出 9 层新建办公楼的最大沉降为 8 mm，最大角变量为 1/1 500，小于一般建筑物不出现裂缝的容许的角变量 1/500。计算结果表明，采用现设计方案同样可将基坑开挖对邻近建筑可能造成的不利影响控制在允许范围之内。

      ( 1) 围护结构侧向位移监测: 在基坑四周的钻孔灌注桩内布置 19 个测点监测围护结构的侧向位移，测点编号为 J1 ～ J19，如图 2 所示。

      ( 2) 墙后土体侧向位移监测: 在围护结构外侧的土体内布设 7 个深层土体位移监测点，测点编号TT1 ～ TT7。

      ( 3) 立柱沉降监测: 支撑立柱桩的桩顶设置了24 个测点，测点编号为 LZ1 ～ LZ24。

      ( 4) 钢筋混凝土支撑轴力监测: 每道支撑设置9 个测点，在每个测点处的钢筋混凝土支撑断面的4 个角安装 2 ～ 4 个钢筋应力计。测点编号为第 1道: Z1-1 ～ Z1-9，第 2 道: Z2-1 ～ Z2． 9。

      ( 5) 地表沉降监测: 在地铁侧布设 3 个地表沉降监测点，测点编号为 P1 ～ P3; 在老虹井路侧布设5 个地表沉降监测点，测点编号 P4-1 ～ P4-5，监测点距离基坑围护结构外边线分别为 5 m、10 m、15 m、20 m、25 m。

      ( 6) 管线沉降监测: 在老虹井路侧煤气管线上布设 7 个监测点( M1 ～ M7) ，信息管线上布设 7 个监测点( H1 ～ H7) ，上水管线上布设 6 个监测点( S1 ～ S6) ; 在基地北侧上水管线上布设 4 个监测点( S7 ～ S10) 。

      ( 7) 邻近建筑及地铁隧道竖向位移监测: 在场地周边建筑物上共布设 29 个监测点，测点编号为F1 ～ F29。在隧道结构上共布设 19 个测点，测点编号为 X1 ～ X19。

      ( 1) 围护结构侧向位移: 图 8 为具有代表性的测斜点在基坑不同施工工况下的侧向位移。从图8 可以看出随着开挖的加深，各个测点的侧向位移逐步加大，底板( Stage 5) 浇筑完成时各个测点的侧向位移达到最大值。Stage 3 时，基坑开挖至 －7． 5 m 标高，此时已经是基坑的第二次开挖，围护结构侧向位移呈两端小中间大的形态，这说明第一道钢筋混泥土支撑已经开始发挥作用，最大侧移为7． 34 mm，位于测点 J16。Stage 4 时，基坑开挖至坑底( －9． 05m 标高) ，此时开挖面已进入软弱的第④层( 淤泥质粘土) ，围护结构的侧向位移迅速增大，最大侧移为 22． 47 mm，位于测点 J16。Stage 5时，基坑开始浇筑底板，虽然基坑开挖深度没有增加，但是底板浇筑完以后，围护结构侧向位移仍有较大发展，这说明上海软土的流变性质对基坑变形的发展影响也很大，最大侧移为 27． 13 mm，位于测点 J16。由于设计方案在邻近地铁隧道侧和基坑以北邻近建筑侧采取了保护环境的专项措施，因此这两侧的测斜点( J3、J18) 的侧向位移较小并且小于普遍侧的测斜点( J16) 的侧向位移，这说明设计中保护周边环境的措施是成功的。由于在地铁隧道侧增大了围护桩的直径，因此该侧的测斜点( J3) 的侧向位移小于邻近建筑侧的测斜点( J18)的侧向位移。

      图 9 为所有 19 个围护结构测斜点在开挖阶段( Stage 3 和 Stage 4) 的最大侧移与开挖深度之间的关系。本工程各测斜点的最大侧移基本介于0． 05H% 与 0． 25H% 之间。徐中华^［3］通过对上海软土地区 80 个采用灌注桩围护的深基坑变形资料的统计分析发现，所有基坑的最大侧移基本介于 0． 1%H 和 1． 0% H 之间，平均最大侧移为 0． 44% H。本工程基坑的最大侧移为 0． 25H%，小于 0． 44 % H，这再次说明本工程采用的控制基坑变形的设计方法是成功的。

      图 10 为所有 19 个( 点重叠) 围护结构测斜点在开挖阶段( Stage 3 和 Stage 4) 最大侧移的深度位置与开挖深度的关系。可以看出，Stage 3 时的最大侧移的位置略偏于开挖面的上方，而开挖到底( Stage 4) 时各测点最大侧移的位置基本位于开挖面的附近。最大侧向位移的深度位置基本介于H － 3 ～ H m 的范围内，这也在徐中华^［3］统计的范板浇筑完成后地表的历时沉降情况，其中横坐标原点对应于开挖第一层土体开挖开始时间。从图中可以看出，各测点的沉降历时沉降形态基本相似。在基坑开挖初期，地表的沉降发展较为缓慢，随着开挖深度的进一步增大各个测点的沉降增长加快。地铁侧路面沉降监测点的最大沉降发生于 P1 测点，最大沉降为17 mm。老虹井路沉降监测点的最大沉降发生于 P4-1 测点，最大沉降为 17． 2 mm。

      图 12 为 P4-1 ～ P4-5 断面地表沉降测点在各个工况下的沉降情况，图 12( a) 给出了该断面附近的围护结构测斜点处的围护结构侧移情况。可以看出，地表沉降随着开挖深度的增大而增大，并与连续墙的变形相对应。在 Stage 5 时，地表沉降达到最大，最大值为 17． 2 mm，由于监测点离基坑西南角较近，在角部效应^［10］的影响下，该最大值小于采用简化方法^［2］预测的最大地表沉降( 32 mm) ，最大地表沉降与开挖深度的比值为 0． 2%。P4-1 ～P4-5 断面附近的测点的最大侧移为 25． 7 mm，最大地表沉降与最大侧移的比值为 66． 9%。从图 12( b) 中可以看出，墙后地表沉降的影响范围约为25 m，约为开挖深度的 3 倍。

      ( 3) 管线沉降: 图 13 为基坑第一次开挖至底板浇筑完成后各地下管线的历时沉降情况，其中横坐标原点对应于第一层土体开挖开始时间。从图中可以看出，上水管线、信息管线、和煤气管线的历时沉降形态基本相似。在基坑开挖初期，各管线的沉降波动较大，发展较为缓慢，随着开挖深度的进一步增大各个测点的沉降增长加快，在底板浇筑以后各个测点的沉降仍继续发展。老虹井路下的上水管线沉降监测点的最大沉降发生于 S6 和 S1 测点，最大沉降为 7． 8 mm。信息管线沉降监测点的最大沉降发生于 H1 测点，最大沉降为 6． 5 mm。煤气管线沉降监测点的最大沉降发生于 M3 测点，最大沉降为9． 2 mm。基坑施工期间，各个管线均处于正常运行状态，表明本工程的设计方案较好地保护了基坑周边的管线。

      ( 4) 建筑物沉降: 图 14 为基坑第一次开挖至底板浇筑完成后基坑周边建筑物沉降测点的历时沉降曲线，其中横坐标原点对应于第一层土体开挖开始时间。可以看出各个测点的沉降在基坑开挖初期，建筑物的沉降发展较为缓慢，随着开挖深度的进一步增大各个测点的沉降增长加快。图 14( a) 为某建筑各个测点的沉降情况，可以看出最大沉降为 66． 9 mm，位于测点 F4。图 14( b) 为闵行供电公司的沉降情况，最大沉降为 13． 6 mm，位于测点 F7。图 14( c) 为新建办公楼各个测点的沉降情况。由于新建办公楼采用了桩基础，因此各个测点的沉降都很小，最大沉降仅为9．7 mm( F15) ，与上述预测最大沉降( 8 mm) 吻合得较好。图 14( d) 为汽车维修公司的沉降情况，最大沉降为 99．3 mm，位于测点 F26。总体而言，测点中 F1 ～ F6、F25 ～ F29的沉降远大于其它测点，此现象主要是由围护结构局部渗漏引起。

      ( 5) 隧道的竖向位移: 图 15 为施工期间虹井路地铁隧道的历时沉降。从图 15 可以看出，地铁的最大沉降发生于 X7 测点，最大沉降为 2． 6 mm，最大回弹发生于 X1 测点，最大回弹为1． 5 mm。实测结果和上述数值计算结果吻合得较好，两者均表明，采用现设计方案可将基坑开挖施工对地铁隧道可能造成的不利影响控制在允许范围之内。

      上海申能能源大厦基坑工程邻近地铁隧道和建筑，周边环境保护要求很高，同时基坑所处基地的地质情况较差。设计中采用钻孔灌注桩结合三轴水泥土搅拌桩止水帷幕作为基坑的围护结构; 采用两道钢筋混凝土支撑作为水平支护体系。通过水泥土搅拌桩加固等措施，有效地控制了基坑开挖引起的位移。为确保基坑施工的安全进行，对基坑开挖进行了全面的和全过程的监测。监测结果表明，基坑开挖引起的位移值均在控制范围内，周边地铁隧道、建筑和管线亦处于安全状态。采用数值分析方法预估了基坑开挖引起的邻近地铁隧道的最大变形，采用简化分析方法预估了邻近建筑的最大沉降。计算结果表明，基坑开挖对周边环境可能造成的不利影响在允许范围之内，并且预测值和实测值吻合得较好，这也验证了上述两种方法的适用性。本工程为在密集建筑群中的同类基坑工程的设计提供了借鉴。同时，完整而全面的监测数据对今后的同类工程具有直接的参考价值，有利于提高基坑工程的设计水平。

 

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