紧邻防汛墙基坑防汛安全影响研究

郝眩明

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

0 引言

随着上海经济的迅速发展，上海市城区内地下建筑物的数量逐渐增加，规模也逐步增大。在此情况下，地下基坑的开挖对于河道防汛墙的安全将造成影响，从而也引出了一个必须考虑的防汛安全问题。因此，合理地预测和评估基坑开挖对河道防汛墙的影响显得尤为重要，随着上海“十二五”期间的发展和“四个中心”的建设，该课题的研究必将成为城市建设中迫切需要解决的重大工程问题。

近年来，随着经济的持续快速发展、人口的膨胀和汽车的普及，上海的生活密度越来越大，为了充分利用不可再生的土地资料，房屋之间的间距越来越小，直接连通、共用一片场地的工程也屡见不鲜。同时，地下空间越来越受到重视并得到了充分的开发。由此产生了新的工程问题，即在复杂的周边环境条件下，在原有无桩建筑旁边进行新的工程建设，深度较原建筑更深，并与原建筑直接连通的基坑工程设计和施工问题。如何在复杂条件下确保原建筑和新基坑工程的安全，对基坑的设计、施工和管理提出了较高要求。处理好上述问题，可以起到节约土地、保护环境、方便人们生活等作用。

1 工程概况

南滨江三角绿地综合改造工程由于地处陆家嘴核心区域，东边面临正大广场与香格里拉酒店，西面为南滨江公园，北起陆家嘴西路，南接东昌路（见图1）。总用地面积41500 m2，总建筑面积14470 m2，其中地下车库及商业配套用房建筑面积14275 m2。该地下地下车库为地下一层，地上一层，结构体系为无梁楼盖+柱帽体系。该工程利用自重抗浮，不设抗拔桩。

图1 工程地理位置图

拟建场区地势较为平坦，标高在4.00 m左右。基坑开挖前对场地表层土进行整平后绝对标高3.10 m，基础底板顶面绝对标高为-0.60 m，底板厚0.9 m，基底设置200 mm厚度垫层，则其基坑开挖深度为4.80 m。

该项目基坑围护墙体周长约435 m，基地开挖面积约8635 m2，基坑开挖深度4.80 m，故该基坑定义为三级基坑。考虑到该项目西面与富都世界一期车库（即黄浦江大道段的箱体防汛墙结构）的距离较近，并且车道下有一Φ2200雨水总管在两倍开挖深度范围内，故该基坑环境保护等级定为二级基坑（见图2）。

图2 工程环境剖面图

2 地质水文情况

拟建场区位置属滨海平原类型。土层自上而下可划分为四大层及四个亚层，其中①1层为填土，②层～⑤层为全新世Q4沉积层。拟建场区①1层为填土，成分复杂，主要为粘性土，夹少量粉性土，含有较多的碎石、碎砖、煤渣等建筑垃圾；②层以粘质粉土为主，上部夹粘性土，场区中均有分布，厚度较多；其中②0T层为淤泥质粉质粘土，场地内局部分布，流塑为主，高压缩性，土质较差；②0层为粘质粉土，局部夹砂质粉土，土质松散、基本不成形、中压缩性；④2层为砂质粉土，局部夹粘质粉土，场区内均有分布，厚度有一定变化，稍密、中压缩性，土质较好；；⑤层可分为二个亚层，其中⑤1层为粉质粘土，软塑为主，高压缩性，土质一般；⑤3层为粉质粘土，软塑、高压缩性，土质相对稍好（见表1）。

表1 地基土特性表

根据勘察结果，地下稳定水位埋深为0.9～2.45 m（标高3.10～1.47 m）。设计时按均水位埋深0.5 m采用。

3 工程难点

该工程西侧临滨江公园和黄浦江，环境条件比较复杂，主要表现为：

（1）工程西侧为滨江公园，该段黄浦江的箱体防汛墙结构兼做滨江公园停车库。箱体结构的东侧（即拟建车库所在侧）为敞开汽车坡道，宽约9.0m。将来工程施工时将对箱体结构的开敞车道挡土墙及排水系统进行改造处理，并连通新老两建筑的地下室。新工程基坑挖深约4.8 m，比防汛墙箱体结构车库底板底标高还要低2.35 m。

（2）滨江公园的西面是黄浦江，离开该工程基坑边距离仅60 m，黄浦江设计高水位5.86 m，设计低水位0.69 m，常年平均高潮位3.35 m。其中设计高水位高出该基坑底标高7.56 m，即使是常年平均高潮位也要高出该基坑底标高5.05 m。基坑内外水位差较大，而基坑西侧围护却因为要与防汛墙箱体结构连通而施工困难。

（3）防汛墙箱体结构的车道为敞开结构，主要靠底板自重、挡土墙自重和底板挑脚上部压土来抗浮，详见图3所示。但是由于拟建车库与箱体结构之间要连通，导致拟建车库基坑围护墙体和止水帷幕必须得在箱体结构车道内部施工，凿除车道挡土墙和部分底板后，车道抗浮计算无法满足。图4为防汛墙体结构老车道实景。

图3 防汛墙箱体结构现状剖面图（单位：mm）

图4 黄浦江防汛墙箱体结构老车道实景

（4）基坑开挖将卸载防汛墙东侧的土压力，而西侧的土体压力将导致防汛墙箱体结构两边土压力不平衡。同时由于地下水的缘故，防汛墙底板与土之间的摩阻力较小，将难以抵挡防汛墙西侧的土压力，故该防汛墙在两侧土压力不平衡的情况下有往拟建车库基坑移动的趋势，将导致原防汛墙位移进一步增大，乃至滑移破坏。

（5）箱体结构老车道下有一Φ2200雨水总管，离开拟建基坑边线最小距离约为7.0 m，该雨水管在陆家嘴区域起着至关重要的作用，一旦发生损坏，不但影响到陆家嘴金融区的排水，而且由于管线埋于车道底板下，维修将非常困难。

综上所述，因紧挨黄浦江防汛墙箱体结构，拟建地下空间工程西侧环境复杂、保护等级高，牵涉到的内容广、多、杂，尤其是基坑西侧防汛墙箱体结构的保护、车道下雨水总管的保护、老车道与拟建工程地下室的连通改造，以及抗浮问题，均是该工程基坑该侧围护结构设计的难点。

4 基坑设计

4.1 围护介绍

基坑北侧、东侧和南侧三面围护墙采用4.7 m厚Φ700@500水泥搅拌桩重力坝的围护形式，水泥掺量为13%。围护顶部按1:2放坡，放坡高度为0.5 m，重力坝顶施工钢筋混凝土面板。坝体顶标高2.60 m，底标高-8.20 m。考虑到防汛墙空箱结构处老车道挡土墙在基坑开挖过程中将被拆除，基坑西侧与老车道共同改造处采取在车道底板下贴近挡土墙位置纵向施工一排咬合型旋挖桩，旋挖桩桩顶与老车道底板进行有效连接，旋挖桩兼作挡土、止水和抗拔作用。

由于地下室有较多集水井需要超深度开挖，对贴边集水井周围进行搅拌桩加固并进行坑底压密注浆封底，对基坑中间集水井及电梯井周围进行搅拌桩加固。采用Φ700@500双轴水泥土搅拌桩，水泥掺量为15%。

图5为基坑平面布置图，图6为防汛墙空箱结构车道侧咬合桩围护示意图。

图5 基坑平面布置图（单位：mm）

图6 防汛墙空箱结构车道侧咬合桩围护示意图（单位：mm）

4.2 围护计算

为了较准确地预测基坑工程开挖引起已建西侧防汛墙空箱结构的附加变形，采用通用有限元分析软件MIDAS进行基坑开挖过程的有限元数值模拟，取西侧围护剖面进行弹塑性有限元计算，预测基坑开挖卸载对周边环境的附加变形。

计算过程如下：

土体采用Hardening Soil model模型，该模型在岩土工程中应用较多。计算中不同分层土体的重度、粘聚力、摩擦角等参数由勘察报告提供，弹性模量则根据大量类似工程的监测数据反演得到。计算中考虑荷载为：西侧防汛墙空箱结构顶板及车道地面荷载为5 kN/m2。采用弹塑性无厚度Goodman接触面单元模拟土体和建筑底板、旋挖桩之间的相互作用。计算区域为：深度取至足够深度，为地表以下25 m。基坑剖面计算宽度为30 m；基坑外计算范围为65 m。水平向为X向，竖直向为Y向，且对X边界施加X向位移约束，Y边界施加Y向约束。采用等三角形六节点平面单元模拟土体。计算水位考虑最不利工况，取地下水位最大值。即与地面标高相同。

计算模型见图7～图10所示。

图7 计算土体初始应力场图示

图8 开挖土体至基底网格

图9 开挖至基底水平变形云图

图10 开挖至基底竖向变形云图

经计算，黄浦江防汛墙箱体结构水平位移最大值为25.2 mm，竖向位移最大值为23.5 mm。根据《上海市地下公共工程建设防汛影响专项论证报告编制导则》，对一级防汛工程设施，墙顶位移不得大于2 cm，二级防汛工程设施，墙顶位移不得大于4 cm。市区段黄浦江防汛墙均属一级防汛设施，因此墙顶位移不得大于20 mm，目前计算值已经超出理论允许值，但是在理论计算时考虑的是最不利水位（水头高度取与地面高程一致），同时未考虑抽条开挖、空间作用效应等有利因素，实际计算值应为最不利值，应将实际工程的监测结果与计算值进行对比，校核计算结果的置信度。

图11、图12为工程施工现场实景。

5 监测结果分析

在该工程的监测过程中，沿基坑西侧黄浦江防汛墙箱体结构墙顶的监测点共有10个，分别是C1点～C10点，见图13所示。

图11 咬合桩施工前准备实景

图12 箱体结构车道处施工实景

图13 边环境监测点布置示意图

将基坑施工期间防汛墙墙顶的垂直、水平位移监测值汇总整理情况见图14、图15所示。

图14 防汛墙墙顶各监测点的垂直位移变形图

图15 防汛墙墙顶各监测点的水平位移变形图

结合基坑施工的各阶段工况：

9月17日～9月28日，施做基坑东侧、南侧、北侧搅拌桩；

9月29日～11月3日，施工搬迁防汛墙机动车道下污水管，施做车道下高压旋喷桩；

11月4日～12月4日，基坑进行分区域开挖并降水，并分区域绑扎底板钢筋浇筑；

12月5日，底板全部浇筑完毕。

从图14可看出，防汛墙墙顶的垂直位移变化趋势基本随着施工阶段分为三个阶段。第一阶段：在施做基坑东侧、南侧、北侧搅拌桩墙体期间，防汛墙墙顶位移随着施工过程逐渐变大，至10 mm左右；第二阶段，在防汛墙机动车道处施工时，垂直位移变化基本稳定；第三阶段，基坑进行分区域开挖及降水，位移继续增大至约20 mm，在底板混凝土全部浇捣完毕之前，垂直位移不断增大，直至底板浇筑完毕，垂直位移变化曲线有收敛趋势。其中，垂直位移监测值最大值于12月1日出现在C4监测点，最大值为-18.9 mm。

防汛墙墙顶的水平位移变化曲线较垂直位移变化曲线相对平和，但也大致可以看出有三阶段的趋势，水平位移的最大值于11月20日C2点，最大值6 mm。

分析图16、图17中防汛墙墙顶各监测点纵向的垂直、水平位移曲线的特点，呈现基坑南北两端小、中间波浪形变化的特点。这与实际施工过程中采取了分块、抽条开挖的措施是紧密相关的。由于基坑开挖是东西向、垂直于防汛墙分条开挖，在先期开挖的基坑南侧，变形值较大，在后开挖的基坑北侧，变形相对较小。并且垂直、水平变形曲线的趋势基本一致。

图16 防汛墙墙顶各监测点纵向垂直位移曲线图

图17 防汛墙墙顶各监测点纵向水平位移曲线图

经综合上述的位移变化情况，可见，防汛墙的实际最大垂直、水平位移变形均未超过允许值20 mm，同时小于计算值（垂直位移23.5 mm、水平位移25.2 mm）。主要原因可能如下：

（1）基坑施工时间为9月下旬至12月份，该段时间为枯水期，因此地面水位较低，防汛墙受到的水土作用力较小，因此实际沉降值小于计算值；

（2）土方开挖是分段分块抽条开挖，由于合理的施工顺序及施工措施，以及基坑的空间效应，将变形曲线的沉降槽由理论上的抛物线型改变为实际的波浪形，从而减小了基坑的实际变形。

6 结语

最终得出结论，有限元的计算模型可以相对较好地模拟防汛墙受基坑影响所产生的变形，根据最不利条件计算产生的最大变形值基本可以预测防汛墙的实际变化情况；经过采取合理的施工步骤和施工措施，可以有效地减少基坑开挖对防汛墙产生的影响。因此在实际工程中，防汛墙产生的实际变形较小，满足规范要求，同时未发生墙体变形开裂等损坏情况。

[1]JGJ 120-99，建筑基坑支护技术规程.[S].

[2]DBJ08-61-97，基坑工程设计规程.[S].

[3]龚晓南,等.深基坑工程设计施工手册[M].北京：中国建筑工业出版社,1998.

[4]曾远，李志高，王毅斌.基坑开挖对邻近地铁车站影响因素研究[J].地下空间与工程学报，2005，8(4)：642-645.