复合群坑与城市地下通道同步开发的风险控制研究

闫 威

1. 上海建工二建集团有限公司 上海 200080；2. 上海建筑工程逆作法工程技术研究中心 上海 200080

随着城市建设的持续发展，越来越多的大型开发项目建设需要伴随着周边城市地下道路施工一同进行。基坑开挖过程不仅涉及群坑之间存在的明显耦合作用，还需要综合考虑对城市地下道路开发的影响。复兴地块办公用房项目为群坑施工，紧邻黄浦江，周边存在道路下管线及城市道路开发工程，环境复杂。文章以此群坑施工为研究对象，介绍了外滩滨江环境下复合群坑与城市地下道路同步开发风险控制技术[1-2]。

1 工程概况

1.1 基坑布置及周边城市道路概括

复兴地块办公用房项目位于上海市外滩区域，北至新码头街，南至公义码头街，西至中山南路，东邻外马路，为狭长形基坑，南北长367 m，东西宽89～115 m，总占地面积33 680.2 m2，基坑开挖面积30 000 m2。基坑分为Ⅰ-1区、Ⅰ-2区及Ⅱ区共3个区。围护体系采用地下连续墙，其中，四周地下连续墙厚1 000 mm，深46.1 m，中隔墙厚800 mm，深36.9 m。基坑东侧距离黄浦江85～91 m，基坑西侧为城市道路开发工程，工程第1阶段施工区域距离基坑约20 m（图1）。

紧邻基坑西侧为城市道路开发工程（图2）。城市道路工程的开发共分2个阶段，其中第1阶段施工区域的2层深基坑（－15.4 m）与本项目基坑的施工在时间轴上有交叉。本项目基坑与城市道路开发工程第1阶段施工区域间预留有宽约20 m的城市道路，其下方有压力管，分别是φ300 mm的给水管及φ300 mm的燃气管，材质均为铸铁管。

图1 基坑平面示意

图2 项目与城市道路开发工程剖面关系

地下室基坑共3层，设4道混凝土支撑。基坑对应主楼区域挖深18.8 m，普遍区域18.5 m，局部深坑22.6 m。城市道路普遍区域挖深14.5 m。围护设计概况见表1。

表1 支撑概况

1.2 工程地质条件

场地距离黄浦江较近，浅部分布有第①3层黏质粉土（江滩土），层顶埋深1.5～6.1 m。江滩土土质松散，在水动力等外力作用下易产生流沙及管涌等不良地质现象。影响深度范围到第3道支撑标高。深部受古河道切割，场地西部和东北角缺失第⑥层，沉积了一定厚度的⑤3层土。

1.3 地下水

上海地区浅层地下水属潜水，主要补给来源为大气降水及地表径流，埋深一般为地表下0.30～1.50 m，黄浦江最高潮水位在5.70 m，实测地下水静止水位埋深在1.00～3.30 m之间，相应绝对高程为3.13～0.83 m。

场地内承压水主要为深部第⑦、⑨层承压含水层，承压水水位呈周期性变化，水位埋深3.0～12.0 m。第⑦层层顶最浅埋深28.1 m。下部第⑨层承压水对本工程基坑没有直接影响。

2 基坑潜在施工风险分析

2.1 群坑耦合作用可能引起基坑失稳

为了减小大面积卸载对周围环境的影响，本工程基坑采取了分坑措施进行地下结构施工，即Ⅰ-1、Ⅰ-2区先施工，Ⅱ区后施工。Ⅰ-1、Ⅰ-2区开挖过程中，Ⅱ区土体形态类似孤岛。由于Ⅰ-1、Ⅰ-2区2个基坑工程量相差较大，Ⅰ-1施工进度可能滞后于Ⅰ-2区。此时，两侧土体的高差会引起堆载效应，产生较大的水平土压力（图3），可能引起基坑失稳。

图3 土体高差引起的堆载效应

2.2 基坑开挖可能导致附近管线破坏

本工程基坑与邻近城市道路开发工程施工区域之间存在压力管，分别是φ300 mm的给水管及φ300 mm的燃气管，材质均为铸铁管。基坑施工可能对管道产生不利影响。

2.3 潮汐水位对基坑降水的影响

本工程基坑开挖深度较深，降⑦层承压水时，黄浦江潮汐水位可能会对基坑降水造成不利影响。

3 基坑施工风险的解决方案

3.1 控制群坑之间开挖深度差以减少主动土压力

在施工过程中，Ⅰ-1、Ⅰ-2区基坑开挖采用盆式开挖，一般情况下距各自中隔墙15～20 m范围内土方，为各自区域最后开挖，同时采用对称开挖。另外，应确保Ⅰ-2区基坑与Ⅰ-1区基坑的最大高度差为1道支撑距离，以减少Ⅱ区两侧基坑土体的主动土压力差。

为了确保基坑在上述开挖过程中的稳定性，使用通用有限元软件ANSYS对开挖过程进行模拟分析，开挖过程中Ⅰ-2区基坑与Ⅰ-1区基坑的高度差为1道支撑距离。计算模型中，土体和地下连续墙采用平面应力单元模拟，支撑采用杆单元模拟。土体采用Drucker-Prager理想弹塑性本构模型，地下连续墙和支撑假设为线弹性材料。为了真实地模拟支撑结构和土体之间的共同作用及不同施工方案对支护结构的影响，本文使用了ANSYS的单元“生死”功能来模拟土体开挖和支护施工。计算模型在基坑侧向和底部均留有8倍开挖深度的距离，用以消除边界条件的影响。模型包含节点数39 192个，单元数39 982个（图4）。

计算结果显示，开挖过程中坑底最大隆起量为23.5 mm，基坑土体未出现明显的塑性变形及失稳现象（图5）。结合工程经验，认为该开挖方案是可行的。

图4 基坑开挖稳定性分析（局部）

图5 基坑竖向位移云图

3.2 与城市道路开发工程错坑施工以保护管路

结构底板的完成通常被认为是基坑的稳定性及对周围环境影响的转折点，底板完成后的后续结构施工对周围环境的影响大大减少。结合基坑开挖过程中先深后浅原则，在合理规划复兴地块基坑与中山南路城市道路开发工程的施工顺序时，采取了错坑开挖措施，减少二者之间的相互影响，即Ⅰ-1、Ⅰ-2区基坑施工完成后，开挖城市道路开发工程基坑；对应Ⅱ区范围城市道路开发工程基坑大底板施工完成，且Ⅰ-1、Ⅰ-2区基坑工程完成后，开始施工群坑范围的Ⅱ区基坑。

3.3 调整降水方案

根据抽水试验结果，工程范围下伏第⑦1、⑦2-1水位受黄浦江潮汐影响，每日水头波动在60 cm以内。承压降水井布置呈梅花形，充分结合基坑内的局部深坑、局部缺失⑥层土及水头与黄浦江潮汐的关系进行布置。

减小黄浦江潮汐对承压水降水影响的措施如下：

1）黄浦江一侧的基坑外增设5孔观测井（间距不大于100 m）。

2）黄浦江侧的4个塔楼局部深坑侧，各增设1口减少黄浦江潮汐影响的降水井（图6），深度至⑨层承压水。

图6 降水井设计

4 方案的实施效果评估

4.1 基坑土体稳定性评估

Ⅰ-1区、Ⅰ-2区同一横截面的地下连续墙测斜变化趋势（图7、图8）显示：Ⅰ-1区、Ⅰ-2区地下连续墙的测斜趋势相同，基坑开挖期间最大变形量分别为64.77 mm及61.82 mm，群坑施工变形有耦合性[3-4]。

图7 Ⅰ-1区横截面地下连续墙测斜

图8 Ⅰ-2区横截面地下连续墙测斜

Ⅰ-1（LZ10）、Ⅰ-2（LZ30）区的基坑隆起变化趋势（以立柱隆起替代）显示（图9），群坑的基坑隆起趋势及隆起量有耦合性，最大值分别为28.88 mm及27.32 mm，略大于有限元模拟得到的变形结果。

综合以上观测结果可以发现，基坑的变形量处在安全允许范围，基坑土体稳定性良好。因此，本工程采用的开挖方案是合理、安全的。

图9 立柱隆起变化趋势

4.2 邻近管线安全性评估

通过采取错坑开挖措施，群坑与城市道路工程中间约20 m范围内道路下的φ300 mm给水管最大沉降为32 mm，φ300 mm燃气管最大沉降为28 mm，在安全允许范围内。上述2根管线的沉降变化之所以超过设计给出的10 mm报警值，主要是前期1根φ2 000 mm的污水合流管搬迁，对上述2根管线产生了一定影响。所以，本工程采取的错坑开挖措施也得到了较为理想的结果。

4.3 降水方案合理性评估

在降水实施过程中，基坑与黄浦江间预留的观测井起到了掌握黄浦江潮汐水位变化对⑦层承压水头影响的作用。

当观测到坑外承压水头受黄浦江水头的影响在变大时，主楼局部深坑各增加的1口降压井及时进行开启。

在开挖过程中，降水井的有效布置一方面保证了在黄浦江潮汐水位的影响下坑内承压水位可降至安全水位，另一方面，坑外预留的观测井又做到了按需降水，最大化地减少了降承压水对周边环境的影响。

综上所述，本工程采取的降水方案也是合理有效的。

5 结语

复兴地块办公用房项目的群坑施工过程表明，运用施工过程有限元分析、优化群坑开挖顺序以及增设观测井、降压井等措施，可以有效解决滨江环境下复合群坑与城市地下道路同步开发过程中潜在的施工风险，对今后类似工程的风险控制具有重要的参考价值。