软土超大面积基坑群工程安全与环境控制设计与实践*

王卫东, 沈 健, 胡 耘

(1 华东建筑集团股份有限公司，上海 200011；2 华东建筑设计研究院有限公司上海地下空间与工程设计研究院，上海 200011；3 上海基坑工程环境安全控制工程技术研究中心，上海 200011)

0 引言

随着城市建设的发展,中心城区用地日益紧张,城市地下空间的需求不断增加[1],建设的规模也越来越大,伴随而来的基坑工程常呈现超大规模、集群式开发的特点,如上海后世博片区、武汉商务区、天津于家堡、南京江北新区等[2-3]。区域性地下空间开发又与轨道交通设施、市政道路等建设相互交错,面临突出的环境保护问题。与常规单地块基坑相比,基坑群工程体量大、同步或先后实施的关系错综复杂、土体卸荷应力路径复杂,对周边环境产生的叠加影响效应显著。此外,软土呈强度低、易扰动、压缩性高、流变显著等特性。在上述方面综合作用下,软土地区超大面积基坑群工程安全和环境影响控制问题突出,成为城市建设中的难题。

本文背景工程为上海某个由九个地块与规划道路组成的地下空间,形成开挖面积近16万m2的超大面积基坑群工程。该工程紧邻运营中的11号线地铁车站与区间隧道等敏感保护对象,周边环境条件复杂,地下承压水丰富。面对软土基坑群工程相互作用下的安全控制、叠加的环境影响、复杂的承压水等方面的难题,阐述了基坑群工程的分区设计与安全控制对策、提出了以运营地铁为主要保护对象的敏感环境控制的支护体系设计,以及基于现场抽水试验以环境控制为重点的承压水处理对策等,相关的设计与分析可作为类似工程参考。

1 工程简介

1.1 工程概况

西岸传媒港与上海梦中心项目位于上海市徐汇滨江规划黄石路以北、云锦路以东、龙腾大道以西、规划七路以南,由九个地块及之间的市政道路组成整体地下空间(简称西岸“九宫格”)。项目建设主体众多,中三地块(F、L、M三个地块)与北三地块(E、J、K三个地块)和南三地块(G、N、O三个地块)地下建设主体分属于上海梦中心与西岸传媒港,上部26栋单体又分属7家不同的使用方,各地块均有不同的工期目标。

环境总平面图如图1(a)所示,基坑总面积约15.7万m2,外围周长约2km,普遍区域地下三层,开挖深度16～17m。E地块地铁侧局部地下二层,开挖深度约为12m;G地块地铁侧局部地下一层,开挖深度约为8m。

图1 环境总平面图与剖面

南北两侧均为待建地块,环境条件较为宽松。东侧为新修建的龙腾大道,保护对象为道路及其下方的市政管线。最重要的保护对象为西侧运营中的11号线龙耀路车站、出入口与风井等附属结构,南北两端均邻近隧道和车站结合部与区间隧道。如图1(b)所示,地铁车站本体为地下两层,底埋深普遍约17.2m,局部端头井位置埋深约19m。出入口以及风井底板埋深约10.8m。区间隧道盾构直径约6.7m,覆土厚度约10.3m。E、F地块地下车库外墙与车站附属结构最小距离仅9～10m。G地块邻近区间隧道,地下室外墙距离隧道最小距离仅9m。本工程是上海紧邻运营地铁线路最大规模的建筑基坑群工程之一。

1.2 工程地质与水文条件

工程建设场地位于黄浦江西岸,属于滨海平原地貌类型。如图2所示,基坑开挖深度范围内涉及的土层主要为②1层、③层、④层,其中③层中夹薄层黏质粉土,局部含粉性土颗粒较重,易渗水,并可能产生流砂、管涌等现象。③层、④层为淤泥质黏土层,饱和、流塑,抗剪强度低,灵敏度中～高,具有触变性和流变的特点,对控制基坑与周边环境变形较为不利。水文地质条件复杂,距离黄浦江不足200m,对场地地下水有一定的补给。深层承压含水层分布复杂,承压含水层顶埋深约30m,以下为⑤3-2粉质黏土夹砂质粉土层,此层为微承压含水层,场地深度约45m以下分布有⑦砂土层,为上海地区的第一承压含水层。场地处于古河道沉积区,⑥层土层缺失,⑤3-2层微承压水与⑦层第一承压水直接连通,⑦层下部又与⑨层第二承压水直接连通,形成了三层连通且无法隔断的深厚(微)承压含水。⑤3-2层微承压水水头埋深3～4m,⑦1层第一承压水水头埋深6～7m,地下三层区域基坑普遍开挖深度达16.2m,抗突涌不满足要求,开挖期间需深层承压含水层进行降压。

图2 土层分布及特性示意图

2 基坑面临主要问题及总体设计方案

2.1 基坑面临主要问题

(1)基坑群工程的工期实现与安全控制。本工程不同地块分属不同建设主体,各自均有明确的工期目标,相互之间存在开发进度、施工工况等方面的协调,基坑总体分区需将所有地块的工期作为重要目标实现。超大面积基坑群工程建设周期较常规单地块基坑大大加长,基坑安全风险也大幅增加,同时相邻基坑同步实施的相互作用显著[4-7]。基坑需突破常规进行技术创新,同时满足基坑安全与工期目标。

(2)超大面积基坑群工程卸荷方量巨大、环境影响叠加效应显著,保护难度极高。周边以运营地铁为主的环境保护对象极为敏感,基坑群实施与单体基坑实施存在较大的差异性,地铁侧面临的基坑开挖暴露长度近500m,东侧龙腾大道侧的基坑开挖暴露长度也达到了约450m,同一个保护对象会面临多个分区基坑开挖卸载与施工动载作用的叠加[8-11]。

(3)基坑群工程面临大范围、长时间抽降深部(微)承压水及其环境影响控制问题。基底以下分布的⑤3-2层微承压含水层存在突涌风险,且与下部⑦层、⑨层第一、二承压含水层直接连通。本工程外圈围护长达2km,若将上述承压含水层完全隔断,投入的成本将十分巨大。同时基坑群工程承压水抽降时间长、环境影响范围大,也存在叠加效应。因此合理的承压水控制措施也是超大面积基坑群工程的主要难点之一。

2.2 总体设计与对策

为解决以下3个主要问题与难点,制定本基坑群工程的总体设计思路,采取如下技术对策:

(1)工期实现与基坑群工程安全控制。针对超大规模基坑群工程开挖、工程安全、工期差异等复杂条件,基坑分区进行设计,通过灵活动态设置单隔断与双隔断应对不同地块之间不同关系的工期需求,在保障基坑群工程安全的同时力求实现全部工期目标。

对相邻基坑面临需同期实施且缓冲区宽度不足时的矛盾,建立基于有限土压力理论的临界缓冲区宽度概念与设置有限宽度缓冲区后两侧基坑同步或交叉实施的设计方法,在常规基础上大幅度缩小缓冲区的宽度,解决基坑群工程安全控制与工期方面的矛盾。

(2)超大面积基坑群工程开挖的环境叠加影响控制。以西侧运营中的地铁车站与区间隧道为重点保护对象,在地铁侧划分出窄条基坑,同一个地块内基坑均由远及近、先大后小开挖,同时三个地块分在两期三个阶段先后实施,减小对地铁的叠加影响。在支护体系设计方面,通过加大地下连续墙厚度、地墙接缝采用十字钢板接头、采用三轴水泥土搅拌桩对地墙两侧槽壁与基坑被动区进行加固、大基坑混凝土支撑采用正交十字对撑布置形式、窄条小基坑采用轴力伺服钢支撑等措施,对基坑支护进行加强,重点保护敏感环境。采用上海软土小应变模型和全套参数的成果[12-16]对邻近运营地铁的基坑开挖进行三维模拟分析,评估基坑群工程实施对周边敏感环境的影响。

(3)承压水控制。针对地勘报告揭示的⑤3-2层微承压水、⑦层第一承压含水层、⑨层第二承压含水层直接连通,而⑤3-2层与⑦层水头埋深存在明显差异的情况,开展现场单井与群井抽水试验。结合抽水试验结果,对运营地铁侧、龙腾大道市政道路侧、其余环境宽松区域采取不同的设计处理措施,重点保护周边环境同时又控制工程造价。

3 基坑群工程安全控制与分区设计

3.1 临界缓冲区宽度分析

基坑工程设单隔断临时分隔墙时相邻分区需先后实施,待前一分区基坑地下结构基本完成后施工后一分区。当相邻分区需同步实施时需设置双隔断形成缓冲区,常规认识下上海软土地区缓冲区宽度一般需大于3H(H为基坑开挖深度)。本工程如此大体量的基坑群,必然涉及相邻地块需要同步实施的情况,且为确保上部结构的工期,缓冲区仅能设置在不影响地上结构的区域,很多区域无法满足基坑之间的缓冲区宽度达到3H的要求。因此需分析并大幅缩小临界缓冲区的宽度,确保基坑安全同时满足工期要求。

分别采用极限平衡法[17]和有限元方法研究基坑群内相邻基坑缓冲区宽度对围护体受力变形的影响规律。图3(a)为基于极限平衡法滑砌体理论的缓冲区两侧围护体有限土压力计算模型,缓冲区两侧围护体有限主动土压力Eat与缓冲区宽度B、缓冲区两侧基坑开挖深度H1和H2、重度γ、黏聚力c、内摩擦角φ、围护体与土间摩擦角δ(常规取值同φ)、超载q有关,主动土压力折减比例随土体等效抗剪强度的减小而增大,等效内摩擦角的敏感性大于等效黏聚力。以开挖深度15～20m的相邻基坑为例,H=(H1+H2)/2,B=B1+B2。如图3(b)所示,当B>1.6H时,有限主动土压力可以达到半无限库伦土压力Ea(Ea=Eat+Ea0,其中Ea0为由滑动楔体dec产生的主动土压力)随着B的减小有限主动土压力逐渐减小;当B=1.2H时,有限主动土压力可以达到半无限库伦土压力计算值的95%左右;当B=0.8H时,主动土压力减小至85%左右。

采用有限元方法分析对比缓冲区侧与非缓冲区侧围护体的受力变形。当缓冲区宽度过窄,由于缓冲区两侧围护体受力不平衡,会加剧非缓冲区侧围护体变形。当B/H>1.2,内、外两侧围护体的受力差异较小,且逐渐趋于一致(图4(a));当B/H>1.4时,内、外两侧围护体最大变形差值小于5mm(图4(b));缓冲区宽度变化对缓冲区侧围护体变形的影响大于受力。

图4 缓冲区宽度对围护体受力、变形影响曲线

根据上述分析,提出临界缓冲区宽度Bcr,当缓冲区宽度大于Bcr时,缓冲区两侧围护体设计可按半无限土体考虑。Bcr与两侧基坑挖深、土层条件相关。上海软土地区基坑开挖深度15～20m条件下,不考虑相互影响的最小缓冲区宽度可取1.2H左右,远小于较常规认识的3H,可缓解相邻地块开发进度不一致的矛盾。在辅以一定设计施工措施的情况下,缓冲区两侧同步开挖可满足安全控制要求。

3.2 基坑群工程分区设计

基于上述分析,考虑不同投资主体、分期开发需求、环境保护等诸多因素,基坑分区设计灵活设置单隔断与双隔断应对不同关系的工期需求,在保障基坑安全的同时力求实现全部工期目标。基坑群总体考虑分两期先后实施,共划分为25个分区,基坑群总体分期分区如图5所示,上部建设体量大、建设工期相对更紧的上海梦中心以及沿龙腾大道具有较高形象要求的共五个地块作为一期工程实施,即中部F、L、M地块与K、O地块作为一期,对工期要求相对较低的剩余四个地块E、J、G、N作为二期工程。如图6所示,一期工程第一阶段同步开挖F1、L1、L1、M1、M1与O1区基坑,一期工程第二阶段开挖第一阶段基坑之间的缓冲区基坑(L2、M2、K2、O2区基坑);二期工程第一阶段同步开挖E1、J1、G1、N1区基坑,二期工程第二阶段开挖第一阶段基坑之间的缓冲区基坑(J2、N2区基坑)和临地铁侧的窄条分区基坑(E2-1～E2-4、F2-1～F2-3、G2-1～G2-3)。

图5 基坑群总体分区示意图

图6 基坑分期分阶段实施流程图

3.3 缓冲区宽度较小时的设计加强措施

由于施工场地紧张,相邻基坑之间的缓冲区需作为施工道路使用,研究[17]表明,受超载影响时缓冲区地面沉降和缓冲区两侧围护体变形显著增大。相邻基坑开挖前结合缓冲区首道支撑设置了栈桥和立柱体系相结合的重载车道,将施工超载通过竖向传力构件传至深部持力层,减小因施工超载扩散对缓冲区两侧围护体的不利作用。另外对相邻基坑缓冲区两侧的被动区土体进行加固改良,提高土体抗力。为减小缓冲区两侧相邻基坑同步开挖的相互影响,对基坑边土方进行留土后挖,留土部分土方要求抽条、限时、对称、平衡卸载。通过开挖期间的监测数据实施调整施工工况。

实测结果表明,同步实施的区域如O1区与M1区的地下连续墙在缓冲区两侧变形约90mm,在其余非缓区变形70～80mm,缓冲区宽度仅约1.2H时并未由于土压力较小导致缓冲区两侧地下连续墙水平向变形明显减小,且缓冲区两侧基坑同步交错施工引起的整体偏移量不足1cm。表明临界缓冲区宽度取1.2H是合理可行的,在考虑设计施工方面的加强措施后,可以在缓冲区宽度较小的情况下实现两侧基坑同步开挖。

4 基坑支护结构设计

4.1 周边围护结构设计

如图7所示,在地下三层开挖深度条件下普遍采用0.8m厚地下连续墙围护,西侧靠近地铁侧、东侧龙腾大道侧的地下连续墙加厚至1m,南侧外地下连续墙厚考虑永久阶段受力加厚至1m。E地块紧邻地铁侧地下二层开挖深度12m,地下连续墙厚也由常规项目0.8m加厚至1m,G地块紧邻地铁侧地下一层开挖深度8m,围护形式也由常规灌注桩加强为0.8m厚地下连续墙。

图7 地下连续墙厚度及支撑道数分布示意图

地铁侧地下连续墙均采用止水效果更好的十字钢板接头并设三轴搅拌桩槽壁加固等措施,以提高墙止水效果以及减小成槽影响。另外地铁侧在地下连续墙外侧设置灌注桩形成隔离桩,隔离桩桩底进入较好的⑤3-2层,进一步加强对运营地铁的保护。

4.2 水平支撑设计

除紧邻地铁侧窄条基坑以外,其余基坑水平支撑普遍均采用钢筋混凝土支撑。对于不同环境的保护要求,主要体现在支撑道数以及布置形式这两方面的差异。如图8、9所示,在同样地下三层开挖深度条件下,非地铁侧大基坑竖向布置三道对撑、角撑体系,而地铁侧F1、E1、G1区支撑道数加强至四道,且采用整体刚度更大的十字正交对撑体系。邻近地铁的窄条小基坑(F-1～F2-3、E2-1～E2-4、G2-3区)采用首道钢筋混凝土支撑结合下部多道轴力伺服系统钢支撑,钢支撑采用无围檩的“一墙两撑”设计,加快支撑形成速度,进一步减小对地铁的影响。

图8 地铁侧围护结构剖面

图9 龙腾大道侧与普遍区域围护结构剖面

4.3 被动区加固设计

在邻近地铁与市政道路等保护区域,对被动区土体进行地基加固。如图10所示,对邻近地铁的大基坑F1、E1、G1区地基均进行宽度约10m的裙边加固,对紧邻地铁的窄条小基坑区域地基采用满堂加固,对邻近龙腾大道侧、M1区与O1区相邻跨中位置的地基均进行宽度约10m的裙边加固,另在缓冲区宽度较窄的区域两侧,对其地基进行裙边加固。其余环境宽松区域,未考虑进行地基加固。

图10 地基加固平面布置图

5 基于小应变模型的敏感环境影响分析

采用《基坑工程技术标准》(DG/TJ 08-61—2018)[18]设计方法,无法分析基坑群工程相互作用以及环境叠加影响等效应,需建立包含土层、支护结构、地铁在内的模型,进行敏感环境的三维数值分析。有限元分析时采用合理的土体本构模型是提高模拟精确度的关键,徐中华等[12]对各种土体本构模型进行了对比分析,认为小应变模型(HS-Small)具有较好的适用性。笔者团队[13-16]利用薄壁取土器采集了上海典型土层的原状土样,通过一维压缩、土体三轴固结排水剪切、三轴固结排水加载-卸载-再加载、标准固结、弯曲元及共振柱等一系列室内试验,系统研究了上海软土地区典型土层的小应变特性,得出了小应变模型(HS-Small)的整套计算参数,并被纳入《基坑工程技术标准》(DG/TJ 08-61—2018)。本工程应用上述相关的参数成果进行全过程分析。

采用数值模拟软件建立基坑群计算模型,如图11(a)所示,基坑群实施完成时,如图11(b)所示,大基坑、E1、F1、G1区邻地铁的侧地下连续墙计算的最大变形分别为37、37、43mm,大基坑E1、F1、G1非地铁侧地下连续墙计算的最大变形分别为52、55、65mm,E2-1～E2-4、F2-1～F2-3、G2-1～G2-3区紧邻地铁侧的窄条小基坑地下连续墙计算最大变形分别为16、20、10mm,表明了分坑与支护设计等加强措施的有效性。

图12给出了各分区开挖到基底时的地下连续墙实测最大水平变形。地铁侧窄条小基坑地下连续墙最大变形约1cm,大基坑中隔墙普遍5～6cm,内部隔墙和南北侧外圈地下连续墙变形6～14cm。基坑群工程总体安全可靠,适当放宽内部中隔墙及环境宽松区域地下连续墙的变形,着重控制敏感环境侧围护体变形的效果较为明显。

图12 地下连续墙实测变形

如表1数据显示,地铁侧基坑分区中隔墙变形实测值较紧邻地铁侧地下连续墙普遍大10～20mm。其余内部区域实测变形较大主要是由于施工过程中受开挖停工、支撑与底板施工速度等因素影响较大,优先保证环境敏感区域的支护与地下结构形成,适当放缓环境相对宽松区域的工程进度。总体而言,各区域地下连续墙变形均在安全可控范围内。

表1 地下连续墙计算变形与实测变形对比

如图13所示,由于地铁车站自身刚度大、距离基坑较远,车站主体变形较小;车站附属结构由于基础埋深浅、距离基坑近,基坑开挖对附属结构的影响更大,车站主体变形3～4mm,附属结构变形12～22mm,地铁隧道变形8mm。

图13 地铁车站与附属结构变形云图/mm

图14给出了G1区施工期间实测的地铁车站及隧道的竖向变形,其中负值为沉降。基坑群地下结构完成时,实测地铁车站竖向变形不足5mm,区间隧道最大沉降9mm。如图15所示,车站附属结构沉降22.7～33.7mm。实测变形及规律与数值计算的吻合度较好,总体而言,基坑支护体系有效保证了地铁的正常运营。

图14 地铁车站与区间隧道竖向位移曲线示意图

图15 F1区风井附属结构竖向变形示意图

6 承压水控制设计

6.1 现场抽水试验

如前所述,对基坑开挖存在影响的(微)承压水主要为连续分布的⑤3-2层微承压含水、⑦层第一承压含水层与⑨层第二承压含水层,顶埋深约30m,底埋深超过90m,⑤3-2层抗突涌安全系数在普遍开挖深度16.2m区域内为0.95,在塔楼最深开挖深度21.5m区域内约为0.64,不满足规范要求,基坑内部承压水层降压幅度为3～10m。⑦层抗突涌安全系数处于临界状态。

常规将三层(微)承压水作为一个大含水层考虑,不仅无法隔断,按⑦层降压且需设置悬挂帷幕时,地下连续墙深度将超过70m,代价巨大。⑤3-2层与⑦层水头差异较大,表明两层之间的水力联系可能不强,若将降压目标层仅锁定在⑤3-2层,处理难度将大幅降低。因此开展了针对⑤3-2层与⑦层的抽水试验。根据土层差异和空间距离共进行了5个地块的抽水试验,每个地块进行了5组现场抽水试验,包括⑤3-2层单井、群井试验以及⑦层单井试验,抽水试验内容见表2,试验期间观测相互之间的连通性。

表2 抽水试验内容汇总

图16、17为⑤3-2层群井试验⑤3-2层、⑦层观测井水位曲线,抽水试验主要结论如下:1)⑤3-2层初始水头埋深4～5m,⑦层初始水头埋深6～7m,与前期地勘情况基本一致。2)⑤3-2层群井试验期间自身水位下降5～10m情况下,⑦层水位基本稳定不动。单井试验的情况也基本类似。表明,⑤3-2层层底和⑦1层层顶虽直接接触,但上含水层降水引起下含水层水头下降较小,表明两层之间自上而下的水力联系较小。施工过程中可以仅针对⑤3-2层进行降压。3)⑤3-2层分别设置5～8m长度不等滤管的试验井涌水量均在1.2～1.7m3/h之间,表明降压井滤管全部设置在⑤3-2层时,涌水量对滤管长度并不敏感,可以尽量设置较短的滤管进行降压。

图16 ⑤3-2层群井试验期间⑤3-2层观测井水位曲线

图17 ⑤3-2层群井试验期间⑦层观测井水位曲线

6.2 承压水处理设计原则

由6.1节试验结论确定了降压井的设计原则,具体如下:

确定降压目标层仅为⑤3-2层,⑦层满足突涌要求的情况下仅设置观测与应急备用井。⑤3-2层降压井采用短滤管密布方式,滤管长度普遍为5m,尽量增加悬挂帷幕的深度。

针对⑤3-2层与⑦层水利联系不密切,以及降压仅针对⑤3-2层的情况。为减小基坑内承压水降压引起的环境影响,并尽量控制工程造价,根据环境敏感程度不同确定承压水处理的不同作法,具体如下:

(1)对邻近地铁最为敏感的地带(图18中AB段,剖面示意如图8所示),采取隔断⑤3-2层与悬挂不少于10m深度帷幕的双控原则。即E地块西侧与北侧地下连续墙、F地块北西南三侧地下连续墙、G地块西侧与南侧地下连续墙超过⑤3-2层进入⑦层,形成对⑤3-2层的隔断,同时墙底深于降压井滤管底不小于10m,形成悬挂帷幕。隔断与增加承压水的绕流补给路径,提高基坑内降压效率,减小对地铁的影响。

图18 结合承压水抽降需求地下连续墙深度设置分布图

(2)如图18中CD段所示,K、M地块基坑面积较大,降水周期较长,且邻近龙腾大道,普遍区域⑤3-2层水头降幅3m以上,因此沿龙腾大地道地下连续墙加深至降压井滤管底不小于5m形成悬挂帷幕,剖面示意如图9所示。

(3)位于基坑内部,或基坑面积较小且周边环境宽松区域,或开挖深度较小无须抽降承压水,上述区域地下连续墙不考虑加深,结合实测水位按需降压。

由于采用了悬挂帷幕,因此需合理评估承压水降水对周边环境的影响。为此开展了现场群井抽水试验,结合抽水试验得到的承压含水层水头下降实测数据,经反演分析,确定了承压含水层的渗透系数和贮水系数等,并根据抽水试验测得的地表沉降数据反演分析,得到了合理的土层沉降计算参数。根据群井抽水试验结果,制定了基坑的降压方案以及不同区域止水帷幕深度,然后建立基坑三维渗流分析模型,基于反演分析得到的参数进行模拟,得到承压水降压引起的基坑外水头变化以及土体有效应力增加,并采用分层沉降总和法计算地表沉降,预估沉降对环境的影响。计算结果表明,坑内降压引起地铁侧地表沉降仅约0.5mm,龙腾大道一侧地表沉降3～4mm,其余敞开区域沉降7～8mm。表明所采取悬挂帷幕和降压措施能满足环境保护要求。

6.3 承压水控制实施效果

基坑外承压水水头下降高度可以直接反映基坑承压水控制效果,可对基坑外的水头下降高度和坑内、外水头降深比进行分析。图18水位监测点的水头实测数据显示,敏感环境区域承压水控制效果达到预期,如图19(a)、(b)所示,在基坑内的⑤3-2层水头最大降深达到设计需求的8m时,地铁侧基坑外⑤3-2层水头降幅仅约0.5m,基坑内、外水头下降深度比值16∶1;如图19(c)所示,龙腾大道侧基坑外⑤3-2层水头最大降深2m,基坑内、外水头下降深度比值10∶1～4∶1;如图19(b)所示其余区域地下连续墙未考虑隔断⑤3-2层基坑外水头最大降深3～4.5m,基坑内、外水头下降深度比值约2∶1。

图19 不同区域基坑开挖坑外⑤3-2微承压水水头时程曲线图

7 工程实施

7.1 施工工况

西岸“九宫格”项目从2015年8月开始首地块土方开挖至2016年4月(历时8个月)完成首批(F1、M1基坑)地下结构施工,至2018年1月全部主体地下结构完成。近30个月即完成了近16万m2、16～17m深基坑群工程的开挖和近60万m2的地下结构建设。两期主要的施工工况与时间汇总见表3、4,实景见图20。

表3 一期主要工况时间汇总

表4 二期主要工况时间汇总

图20 工程实施照片

7.2 工程实施效果

基坑群工程实施期间,对支护结构和周边环境进行了全面的监测,前文已结合具体设计对基坑工程与周边环境实测变形做了一定的分析。本节对地下连续墙侧移曲线及周边环境监测做适当补充。

图21为基坑地下连续墙典型位置的水平位移曲线。各测点地下连续墙水平位移随开挖工况增长,最大变形的位置也逐渐下移,变形曲线形态呈纺锤形,符合上海地区地下连续墙普遍变形规律规。从不同典型区域测点地下连续墙的水平位移来看,基坑群工程实施完成后,非重点保护区域(此处以N1区为例)的地下连续墙位移最大,龙腾大道一侧地下连续墙及近地铁基坑分区的中隔墙水平位移相当属于上海地区类似基坑地下连续墙水平位移正常水平[19-20],近地铁侧的地下连续墙水平位移最小,说明重点保护区域的地下连续墙变形通过围护结构设计方面的加强得以有效控制。

图21 典型区域地下连续墙水平位移曲线

周边环境变形监测结果见表5。西侧运营地铁在整个基坑群工程实施期间整体可控,相应西侧云锦路的地面沉降也较小,约31mm。东侧龙腾大道受基坑开挖、降水、施工重载的叠加作用,产生了一定的沉降变形,其中以施工较早且作为出入口的O地块一侧最为明显,最大沉降约120mm,但总体基坑与周围环境均处于安全可控状态。

表5 周边环境实测最大变形汇总

项目的顺利实施为2019年9月移交中央广播电视总台长三角总部暨上海总站挂牌等重大节点的完成打下扎实基础,2020年1月最后一栋单体O地块塔楼封顶,圆满实现了全部建设主体工期目标。造价方面:减少了地块内部临时隔断地下连续墙近800m,考虑环境控制为重点的帷幕设计节省地下连续墙超1万m3,仅上述两项节约工程造价不低于7 000万元,合理的基坑设计取得了良好的社会效益与经济效益。

8 结论

上海西岸“九宫格”项目基坑总面积超15.7万m2,周长约2km,计入内部临时隔断围护总长约5km,普遍开挖16～17m,总出土量达250万m3,周边紧邻地铁和景观道路,分为25个分区同步或交叉实施。本文以该项目为背景,针对软土城市超大规模基坑群工程所面临的基坑群工程安全和环境影响控制等突出问题开展研究和工程实践。得到的主要结论如下:

(1)软土地区大规模深基坑工程,可以通过灵活、动态设置单/双隔断,采用分区分期开发,以满足基坑群安全与工期控制需求。建立了与挖深、土层、工况相关的临界缓冲区宽度概念和计算方法,大幅缩减了同步开挖两基坑之间所需缓冲区宽度,化解了不同主体开发进度的矛盾。

(2)采用上海软土小应变模型和全套参数成果开展了超大规模复杂基坑群实施对敏感环境对象影响的三维模拟分析,在此基础上形成了考虑基坑群叠加影响的地铁敏感环境保护设计,通过基坑分区与工况控制、地下连续墙刚度加强、支撑体系加强和伺服轴力控制、设置可靠的被动区土体加固等方式的有机结合,实现了对运营地铁车站与区间隧道等重点环境对象的保护。

(3)基于专项水文地质勘察,探明场地微承压水与承压含水层的实际水头及两者之间的水力联系情况,明确降压目标含水层。在此基础上,针对运营地铁侧、市政道路、环境宽松区域不同的变形控制目标,提出了基坑群承压水精细化控制技术,确保基坑群安全和降压环境控制的同时兼顾经济性。