张 军

(上海黄浦江大桥建设有限公司， 200090， 上海∥高级工程师)

硬X射线自由电子激光装置是我国“十三五”规划中的重点科技项目。该项目土建配套工程位于上海市，将建设5座埋深逾40 m的超深工作井、10条盾构隧道及18个地面单体建筑。本文以该项目的1号、4号工作井(以下分别简称“1号井”“4号井”)的超深基坑为研究对象，通过大量现场实测数据的分析，研究其支护结构受力与变形规律。

1 工程概况

1.1 工程简介

1号井和4号井均采用1.2 m厚的地下连续墙作为围护结构，基坑设置了多道水平混凝土支撑，其围护设计信息如表1所示，围护结构剖面图分别如图1、图2所示。

表1 1号井和4号井基坑的围护设计信息Tab.1 Information of foundation pit enclosure design of No.1 and No.4 shafts

注：除注明者及标高以m计外，其余单位均为mm;t为厚度；L为长度。图1 1号井围护结构横剖面图Fig.1 Cross-sectional view of the enclosure structure of No.1 shaft

1.2 工程地质及水文地质

1号井的场地区域基本为上海市正常沉积地层，各土层基本以水平状分布为主。土层自上而下依次为：①-1 层人工填土；②层褐黄色—灰黄色粉质黏土；③层灰色淤泥质粉质黏土夹黏质粉土；④层灰色淤泥质黏土；⑤-1层灰色黏土；⑥层暗绿色—草黄色黏土；⑦-1层草黄色砂质粉土，⑦-2层草黄色—灰色粉细砂；⑧-21层灰色粉质黏土与粉砂互层；⑨层青灰色粉细砂。此外，1号井北侧部分区域⑥层缺失，该处的⑤-1层与⑦-1层之间为⑤-3层灰色粉质黏土。基坑坑底位于⑦-1层的草黄色砂质粉土中。围护墙墙底位于⑨层青灰色粉细砂中。

4号井的场地区域分布有⑥层暗绿色—草黄色黏土，各土层基本以水平状分布为主。沿线区域受Q32晚期古河道切割影响，该处第⑥层暗绿色—草黄色黏性土缺失，且在局部切割较深处第⑦层亦缺失，沉积了溺谷相的⑤-3层灰色粉质黏土、⑤-3a层灰色砂质粉土夹粉质黏土和⑤-4层灰绿色粉质黏土。4号井的场地区域地层分布不稳定，局部区域层位起伏较大。

注：除注明者及标高以m计外，其余单位均为mm。图2 4号井围护结构横剖面图Fig.2 Cross-sectional view of the enclosure structure of No.4 shaft

1号井和4号井的场地区域有第Ⅰ承压含水层(位于⑦-1层、⑦-2层)、第Ⅱ承压含水层(位于⑨层)和第Ⅲ承压含水层(位于层)。

2 工作井基坑监测方案

根据DG/TJ 08—2001—2016《基坑工程施工监测规程》，本项目安全等级为一级，周边环境保护等级为一级。因其地质条件复杂程度为复杂，故工程监测等级为一级。两个工作井的监测项目如表2所示，其测点布置分别如图3、图4所示。

表2 1号井、4号井的监测点 Tab.2 Monitoring items of No.1 and 4 shafts

图3 1号井各监测点的平面布置Fig.3 Plane layout of monitoring points in No.1 shaft

图4 4号井各监测点的平面布置Fig.4 Plane layout of monitoring points in No.4 shaft

1号井的监测工作与实际施工同步开展，如表3所示，1号井的监测自2018-06-23围护结构施工开始，至2020-11-17地下结构施工完成后结束。

表3 1号井施工工况统计表Tab.3 Statistics of construction conditions of No.1 shaft

4号井的监测工作与实际施工同步开展，如表4所示。4号井的监测自2019-02-22围护结构施工开始，在各阶段施工过程中进行了全面的跟踪监测，至2021-08-30地下结构施工完成后结束。

表4 4号井施工工况统计表Tab.4 Statistics of construction conditions of No.4 shaft

3 工作井基坑实测数据分析

3.1 围护结构深层水平位移对比分析

基于1号井测点P05的监测数据，绘制了该测点围护结构深层水平位移曲线，如图5所示。其中：取测点向坑内方向的位移为正值。

由图5可知，各阶段工况下地下连续墙变形曲线都为鼓肚状，发生水平最大位移的地方基本在每层的开挖深度附近，且随着逐层向下开挖，其水平最大位移处也随着开挖深度逐渐下移。截至基坑封底，该测点发生最大水平位移的位置在开挖面以上；底板以下深度范围内(⑦-2层、⑧-21层)的水平位移明显减小；地下连续墙的累计最大水平位移为80 mm。

图5 1号井P05测点的围护结构深层水平位移曲线Fig.5 Deep horizontal displacement curve of the enclosure structure at P05 measuring point in No.1 shaft

绘制4号井基坑封底后地下连续墙P02测点的水平位移曲线，如图6所示。其中：取测点向坑内方向的位移为正值。

由图6可知，第二层至第五层土方在开挖阶段发生最大水平位移的地方均在开挖面以下约5 m，第六至第十层土方的最大水平位移基本在每层土的开挖深度附近。造成这种差异的原因为前5层土方开挖深度范围内疏干降水影响较大，其地下连续墙的水平位移为土方开挖和降水叠加共同作用的结果。

图6 4号井基坑封底后地下连续墙P02测点变形曲线图Fig.6 Deformation curve of measuring point P02 of diaphragm wall after completion of No.4 well foundation pit

截至基坑封底，地下连续墙发生最大位移的部位在深度35 m左右(⑤-3层)；在开挖面以上软弱土层内，最大变形值为155 mm；底板之下深度范围内(⑤-4层、⑦层、⑧层)变形明显减小。由于⑤-4层为上海软土区域次生硬土层，土质较好，⑦层、⑧层均为砂层，大底板位置及以下土质的明显改善大大提高了被动区土体抗力，使地下连续墙的变形明显受到了抑制。

综上，本文进一步对比分析了1号井与4号井围护变形差异，其差异的原因主要为：①两个工作井的层差异较大,1号井的开挖面直接揭露⑥、⑦层土，开挖深度到25 m以下时坑内被动区已为硬土层，土体强度高，对围护变形控制有利,而4号井的开挖面以上均为软弱土层，开挖阶段围护结构的变形持续较大，直至底板位置在⑤-4层土时其变形方有所减缓;②两个工作井的基坑形状不同，混凝土支撑的强度形成及发挥应力补偿作用不同,1号井为矩形基坑对撑布置，依次开挖时开挖面上方对撑已达到设计强度，能够及时进行应力补偿，从而较快地控制围护结构的变形,4号井为正方形基坑，采用边桁架加十字对撑支撑，开挖时需待上道支撑整体强度达到设计强度后方能产生较好的补偿效果，而在实际施工过程中存在本道支撑最后一段养护时间不足便开始下层土方开挖施工的现象。

3.2 围护结构相关实测数据分析

通过对1号井与4号井变形规律的综合分析研究发现，两者围护结构的顶部竖向位移、支撑轴力和立柱竖向位移的实测变化规律类似，故本文仅以4号井为研究对象，进行实测数据分析。

3.2.1 围护结构顶部竖向位移分析

绘制4号井围护结构顶部7个测点的竖向位移时程曲线，如图7所示。由图7可看出，混凝土支撑通过围檩和地下连续墙形成刚性连接，支护体系整体性较好，由于支撑约束和压重传递到地下连续墙上，有效控制了地下连续墙上抬，因此在每次挖土过程中地下连续墙墙顶只有少量的抬升。在第七层至第九层土方开挖阶段，逐步开启⑦层、⑨层降压井进行减压降水，是地下连续墙竖向位移趋稳的主要原因。

图7 4号井围护结构顶部各测点竖向位移时程曲线图Fig.7 Time-history curve of vertical displacement of each measuring point at the top of the enclosure structure of No.4 shaft

3.2.2 混凝土支撑轴力分析

4号井第四道至第九道混凝土支撑的轴力数据统计见表5。

表5 4号井第四道至第九道混凝土支撑的轴力数据统计表Tab.5 Statistics of axial force data of No.4 to No.9 concrete supports in No.4 shaft

分别绘制4号井各道支撑轴力时程曲线，如图8所示。

由图8 a)可知：在第二层土方开挖阶段，第一道支撑轴力增大至5 000 kN左右；第三层土方开挖阶段，第二道支撑轴力迅速增大，最大值达13 000 kN。由此可见，下层土方开挖时，上一道支撑为坑内土压力损失提供了应力补偿。

a) 施作第一道、第二道支撑

由图8 b)—图8 d)可知：在第四层土方开挖时，第三道和第四道支撑同时受力增大；依次进行第五层至第九层土方开挖时，均为开挖面以上两道支撑轴力同时增加，即这两道支撑同时提供反力，补偿应力损失。其原因是4号井采用十字对撑形式，每道支撑的长度较长，需要分多次浇筑。在上一道支撑最后浇筑段的养护时间未完全满足强度要求时即开始下一层土方的开挖，此时该道的支撑强度不足以提供足够的反力，实际是由开挖面以上两道支撑共同提供了反力。

3.2.3 4号井立柱竖向位移

临时立柱的竖向位移变化量反映了开挖过程中基底的隆起量，是判断基底是否发生隆起破坏的重要指标。分别绘制4号井立柱各测点的竖向位移时程曲线，如图9所示。

由图9可看出，立柱的竖向位移变化趋势与地下连续墙的变化趋势类似，这些竖向位移均是由于开挖卸载导致坑底隆起所致。在土方开挖阶段，因受混凝土支撑约束和压重对立柱的隆起有所抑制，立柱的隆起变形呈线性增长趋势，无明显突变。在第十层土方开挖阶段，开挖深度达到40 m，由于立柱桩长约为50 m，叠加⑦层、⑨层承压水影响，立柱隆起变形明显。在开启⑨层降压井后，其上抬速率逐步减缓，最后趋于稳定。最终立柱的最大隆起量与基坑深度之比为1.6‰。

图9 4号井立柱各测点的竖向位移时程曲线Fig.9 Time-history curve of vertical displacement of each measuring point of No.4 shaft column

4 结语

硬X射线自由电子激光装置项目土建配套工程中的1号井、4号井属于上海软土区域的超深基坑，具有超深围护结构、开挖土层条件复杂和⑦层、⑨层承压水降水等特点。通过对本项目的成功监测，为工程施工的安全保驾护航，同时初步总结提出了在超深基坑设计、施工和监测等方面的控制措施和建议，可为类似工程提供一定的参考：

1) 矩形基坑采用对撑时，在整体支撑养护时间有限的情况下发挥的作用要明显优于采用十字对撑加边桁架的支撑。建议大面积基坑的支撑养护时间要满足最后浇筑区域支撑强度的要求，方能保证体系的整体受力效果，同时应做好支撑系统的轴力监测，对综合分析基坑本体的安全状态具有较高的指导意义。

2) 软土地区接近正方形的超深基坑大面积卸土时，围护变形控制难度较大，主要为混凝土支撑施工速度较慢，不能在开挖后应力释放初期提供有效的反力，变形控制需要预先在设计阶段加以考虑。

3) 临时立柱的隆起量能够明显的反映坑内土体回弹、坑内承压水作用的情况，有基坑突涌风险的超深基坑应做好立柱隆起变化监测。