工程的基坑围护及监测

周 燕 上海铁路轨道交通开发有限公司

上海铁路局经营管理培训中心"于2009年5-9月进行地下工程施工，该项目位于徐汇区零陵路、小木桥路口，邻近地铁四号线大木桥路站，为一栋沿零陵路南北向建造的综合办公楼。项目占地面积1800 m2，建筑面积5684 m2。该建筑结构为地上6层，地下1层。地下室结构形式为框架＋剪力墙结构，基坑挖深4.85 m。

1 场地工程地质及水文地质条件

拟建场地地势平坦，地下土层参数见表1。其杂填土，层底埋深1.5 m；粉质粘土，层底埋深3.0 m；淤泥质粉质粘土，层底埋深7.5 m；淤泥质粘土，层底埋深14 m；

表1 开挖土层主要参数表

2 基坑围护支撑结构

本项目基坑原设计为三级基坑，但综合考虑周边环境条件，主要是轨道4号线上行线距基坑边线在2倍基坑深度左右，所以最终决定提高基坑等级为二级，即地面最大沉降量＜0.2%H，围护墙最大水平位移＜0.3%H，抗隆起安全系数＞2.0。根据此设计要求，该项目地下室采用SMW工法桩围护（Φ650三轴搅拌桩内插 H500×200×10×16 型钢） 以及大刚度钢筋混凝土圈梁加Φ609×16钢管支撑的总体方案。经验算该结构土体最大位移d=9.6mm,最大弯矩Mmax=122.9kN·m＜409.2（H500×200×10×16 型钢的最大抗弯值），完全满足了结构变形和稳定要求，同时确保了地下室开挖施工产生的土体位移不至于影响地铁的正常运行及周边道路、建筑物及各种地下管线的正常使用。

2.1 基坑降水

本工程地下水位约为-0.5 m，土体含水量较大，结合实际情况，于基坑开挖前14天采用4套轻型井点降水，考虑降水曲线至基坑底以下1 m左右。

2.2 止水结构

止水结构采用三轴搅拌桩入土深度9.5 m，击穿高渗透性粉质粘土层和中渗透性粉质粘土层并插入其下微渗透性淤泥质粘土层不小于1.5 m内，形成可靠的止水帷幕。原设计图纸规定水泥掺入量为20%，水灰比设计为1.5-2.0，后经实际修正水灰比为1.842，这样既保证了搅拌桩的强度，对型钢的插入又有利，在确保水泥土和型钢有良好的握箍力的前提下，创造了便利的型钢拔回条件。

2.3 挡土结构

本工程南侧、东侧采用H500×200×10×16型钢挡土，型钢间距为0.9 m，长9.0 m，插入比1.30。北侧、西侧临近五层混凝土结构建筑处采用 H500×200×10×16 型钢挡土，型钢间距为0.9 m，长10.0 m，插入比1.56。

2.4 支撑系统

支撑系统采用钢支撑，并施加一定的预应力以控制围护结构的位移。支撑系统中心标高设为自然地坪下-0.75 m，钢筋混凝土圈梁断面为1100×500。支撑采用Φ609×16钢管，支撑平面形式为6根间距8.1 m的对撑加4根角撑，另设H500×200型钢连杆加强其稳定性。

2.5 基坑开挖

基坑开挖分为3个阶段：第一阶段自然地坪自南向北挖土至标高-1.0 m处，浇筑圈梁，随后在-0.75 m处加钢支撑并对钢支撑施加750 kN预应力；第二阶段在圈梁达到80%设计强度，搅拌桩达到0.8 MPa强度后，开始机械开挖支撑以下的土方至坑底标高以上30 cm处，随后再人工开挖至坑底设计标高-4.85 m；第三阶段局部挖土至标高-5.85 m。

3 监测点的布设及监测目的

为尽可能减少基坑开挖对基坑围护结构及周边环境（特别是地铁）造成的不利影响，及时掌握情况以确保施工安全，该项目在整个施工中实施信息化监测施工，监测内容主要包括基坑边坡深层土体变形监测、邻近建筑物、地下管线的沉降监测、支撑轴力监测和地铁结构变形监测等四部分。

3.1 基坑开挖前的现场情况调查

由于建筑物周边十分接近规划红线（距离2.3 m-5.4 m），周边地下管线最近距离5.1 m，同时项目北侧紧邻一假日酒店（距离8.0 m-12.3 m），尤其是该项目南侧基坑开挖线距地铁4号线上行线距离仅为8.8 m，属地铁监护范围内，而地铁隧道应开挖施工引起的位移要求小于2 cm，如何确保基坑周边原有建筑物、地下管线，尤其是地铁的安全就成为了施工关键。

3.2 基坑边坡土体及围护结构表面的位移监测

基坑开挖卸载形成临空面，边坡土体有向基坑内滑动趋势，直接威胁基坑及周边环境的安全，为了及时了解和掌握基坑边坡深层土体的位移变形和围护结构的变形与安全情况，我们在基坑周边布置土体位移监测孔6个，孔深14.0 m，在支护结构表面布置26个监测点。

3.3 邻近建筑的沉降变化监测和地下管线的变形观测

基坑开挖后坑壁的水土流失及降水均可能导致邻近建筑物出现不均匀沉降，为了保证邻近建筑物的安全，在周边建筑物上设置沉降观测点14个，水、电、煤气管线沉降观测点26个。另地铁公司在地铁上、下行线隧道内各设置21个监测点以监测地铁隧道的水平位移、垂直沉降变化。

3.4 支撑轴力监测

钢筋计布置2组，安装在钢支撑的端部，用配套的轴力计安装架固定，测量仪器采用FLJ-40型振弦式反力计。

4 监测成果分析及评价

(1)根据监测数据，我们发现在基坑开挖过程中，支护结构边坡土体的水平位移各斜孔最大的水平位移及水平位移速率全部出现在基坑开挖最后一层，以C4号孔为例，从其典型深度与位移曲线上（如图1）可以看出，基坑开挖初期，水平位移值s变化不大(α为位移曲线与铅垂线夹角)，基坑挖至基底标高时，水平位移变化相对较大，随着基坑底板的浇筑，水平位移逐渐趋于稳定，变化速率也相应递减，水平位移变化速率最大为3.16mm/d。

图1 基坑深度与位移曲线

(2)基坑支护结构表面的水平位移矢量方向均指向基坑内，水平位移较大地段为基坑北边中段、基坑南边中段。从观测数据看，基坑周边支护结构表面的累积水平位移值在2.0-15 mm之间，未对周边环境产生大的影响。

基坑支护结构表面的沉降变化规律与水平位移不同，沉降量相对水平位移滞后。在整个基坑施工期间，基坑边坡累计沉降值在3.2-10.7 mm之间。

(3)周边建筑物及地下管线沉降

北侧假日酒店通过监测，其倾斜率约为1.5/2000，与开挖前测试的结果相差不大，沉降值在0-3.0 mm之间变化,处于正常范围内，说明基坑开挖引起的不均衡沉降较小。

(4)邻近的地铁隧道变形总体不大，其沉降最大值为2.65 mm,水平位移最大值为1.7 mm,均小于地铁公司的报警值（沉降 10 mm,水平 20 mm），属允许范围内，但趋势是前期上升下沉，后期上抬至高峰点再逐渐恢复（如图2），这是由于前期基坑上部周边土体侧移而后期应浅层土体侧移较大而形成应力释放，促使隧道上抬。地下工程完成后，地铁隧道将逐渐恢复常态。

(5)基坑周边的煤气、上水、信息等管线位移情况正常，最大沉降值为＋2.4 mm，最小位移值为0 mm。

(6)在土方开挖到一定深度（约3 m）时，基坑附近的地表观察到许多平行于基坑的裂缝，此时土体深层水平位移值并未报警，说明阶段土体变形还在容许范围内，但要随时观测并采取相应措施 ：

①及时用水泥浆将裂纹灌密实，以免地表水渗入造成土体更大位移。

②基坑周边严格控制施工荷载，严禁超载，并不得扰动土体。

图2 基坑开挖时位移值

5 总结与体会

5.1 围护结构形式的选择、比较

该项目选用SMW工法作为围护结构主要基于以下几点考虑：

（1）项目基坑深度在SMW工法适用范围（最大深度14 m）内，同时由于项目两条建筑红线紧邻道路，施工作业面较小，而SMW工法在作业面上具有相当优势,其中心线离建筑物的墙面80 cm即可施工,这是其他工法所无法比拟的。

（2）SMW工法构造简单,施工速度快,可大幅缩短工期。根据本工程实践,每台搅拌机每昼夜可施工基坑周长在10 m～15 m左右。另外，SMW工法用于围护墙体,其成本约为地下连续墙结构的70%,若考虑型钢回收则可以降到50%，在现有围护结构中造价是最低的。

（3）因SMW工法围护结构与主体结构分离，主体结构侧墙可以施工外防水，与地下连续墙相比结构整体性和防水性能均较好，并能降低后期运营维护成本。

5.2 基坑监测的体会

基坑监测工作既是检验基坑设计的正确性和发展基坑支护技术的重要手段,又是及时指导正确施工避免事故发生的必要措施。从本次深基坑开挖监测的实施和监测结果综合分析,主要体会如下：

（1）对于场地地质条件和环境复杂的深基坑开挖,进行基坑开挖环境监测是十分必要的。

（2）基坑开挖监测工作必须与施工方、设计方、监理方、建设方相互配合,方能取得好的效果。各观测点需施工方的有效保护,才能保证监测资料的连续性、完整性和正确性。

（3）分层开挖,分层施工,及时排水,严禁超挖,及时反馈监测信息,是基坑开挖安全的重要保障。

（4）关于监测预警问题,应综合分析,并考虑其发展趋势,不能孤立片面的分析。

6 结束语

"上海铁路局经营管理培训中心"项目经过缜密设计并结合现场地质勘察状况，采用了适宜的围护支撑结构，同时在施工中持续跟踪监测支护结构的变形情况，最终确保了地下工程安全、优质地顺利完成。