超大面积深基坑全逆开挖法在上海铁路南站北广场基坑工程中的应用

超大面积深基坑全逆开挖法在上海铁路南站北广场基坑工程中的应用

1大面积出土口在全反推理的深孔工程中，当基底面积较大且开挖口较小时，将出现以下问题。(1)逆作法楼板封闭后,施工人员在封闭的楼板下面挖土和结构施工操作将面临通风和采光不足的施工环境;(2)由于出土口少且面积偏小,暗挖的土方需长距离驳运到出土口处,使得挖土效率低、出土速度慢,从而影响施工进度。在这种情况下可以考虑在作为水平支撑的梁板体系中留设面积较大的出土口(如面积在500m2以上),以便于挖土,从而加快施工速度,并明显地改善地下作业的通风和采光条件。但大面积出土口的设置会削弱水平支撑的刚度,其对基坑的变形会产生多大的影响;超大面积的深基坑工程当立柱柱网较大、结构自重和施工车辆重载较大时立柱表现出何种位移状况;大面积基坑施工时间较长,土体流变对基坑变形的影响程度等目前尚无相关文献报道。上海铁路南站北广场基坑面积超大,采用支护结构与主体地下结构全面相结合的支护型式,在水平支撑体系中设置大面积出土口并用全逆作法施工。本文先简要介绍该工程的基本情况、地质条件和基坑支护方案,然后在实测的基础上分析该基坑的变形性状,并侧重于分析出土口的设置对基坑变形的影响、立柱与水平梁板支撑体系的变形性态以及土体流变对基坑变形的影响。2基础工程的基本组成2.1基坑开挖和深基坑上海铁路南站北广场主体地下结构设置两层地下室,基础采用桩筏基础,基础底板厚1000mm,采用Φ700mm钻孔灌注桩作为抗拔桩。地下室轮廓呈扇形状,长度方向约400m,宽度方向约100m,基坑开挖面积约40000m2,开挖深度约为12.5m;属超大型深基坑。基地东侧有拟建南北走向的L1线,与北广场围护墙的最小距离约3m。东南侧有拟建L1线与改线地铁R1线换乘厅,其围护体一侧也共用北广场该侧围护墙。L1线与改线地铁R1线换乘厅为先期开挖基坑,即在北广场基坑开挖之前就已施工完成。南侧由近至远分别为拟建主站屋基础底板以及东西分布的改线地铁R1线。西侧及西南侧分布有改线地铁R1线,其施工工期在北广场基坑开挖之前结束。北侧分布有东西走向的运营中地铁R1地面线,与北广场围护墙最近距离仅为3m。周边环境平面关系如图1所示。2.2基坑支护结构及施工组织本工程场地内地基土上部土层大致稳定,包括①填土层、②1黄色粉质粘土、②2灰黄色粉质粘土,层厚较薄;其下为③淤泥质粉质粘土、④淤泥质粘土和⑤1灰色淤泥质粉质粘土,该三层土为软弱粘性土;再下普遍出露有⑤2层砂质粉土。下部土层变化较大,主要表现为场地大部⑤3层(灰色粉质粘土夹粉砂)出露较薄,分布零星,⑤4层粘性土分布稳定。场地东侧沉积有厚度较大的⑤3层灰色粘性土层,空间分布上下起伏,⑤4层粘性土出露变化较大,分布不稳定。本工程采用支护结构与主体地下结构全面相结合的支护方式,采用全逆作法施工。围护结构采用800mm厚两墙合一的地下连续墙,连续墙底进入⑤2层,并采用墙底注浆措施。基坑西北侧局部位置离运营中的地铁R1线较近,为保证地铁的安全运营,拟在该位置增设钻孔灌注桩临时隔断(见图1),待地铁R1线搬迁结束后采用顺作法施工该局部地下结构。主体地下室各层结构在逆作施工期间兼作基坑的水平支撑系统,首层结构还同时作为施工场地。逆作施工阶段的垂直运输主要依靠在各层结构相对应的位置留设的大面积出土口来解决。出土口呈方形,最大出土口的面积约700m2,其余大多为400～500m2不等。出土口的平面布置如图2所示。在基坑开挖阶段采用一柱一桩承受施工期间的竖向荷载。立柱桩均利用主体工程桩,桩径700mm,桩长40～45m。为提高桩的承载力和减少沉降,对工程桩采用桩端注浆。更详细的支护方案设计可参考文献。3施工施工和现场测量3.1基坑梁板结构设计上海南站北广场基坑工程的施工工况如下:Stage1:坑内外先卸土至-3.750m;然后主站屋侧大面积开挖至-7.500m,其它侧卸土至-5.00m后设置一级平台,然后盆式开挖至-7.500m;浇筑首层梁板结构。Stage2:待顶层结构达到设计强度的80%后,基坑南侧大面积开挖至-13.000m,其它侧卸土至-10.000m后设置一级平台,然后盆式开挖至-13.000m;浇筑地下一层梁板结构。Stage3:待地下一层结构达到设计强度的80%后,基坑南侧大面积开挖至坑底,其它侧卸土至-13.000m后按盆式开挖至坑底;浇筑基坑中部和南侧基础底板。Stage4:待基坑中部和南侧基础底板达到设计强度的80%以后,抽条开挖基坑北侧的留土并浇筑底板直至基坑完工。3.2土体及墙顶布置对连续墙的侧移、坑外土体的侧移、连续墙顶的竖向位移及立柱的竖向位移进行了监测。采用测斜仪监测连续墙的侧移,测点编号I1～I45,具体分布位置如图1所示。坑外靠近运营中的地铁R1线的位置布置土体测斜点以监测土体的位移情况,测点编号IT7～IT10。连续墙顶布置45个测点,以测试连续墙顶的沉降情况,测点的布置与连续墙侧移布置点相同,编号为Q1～Q45。本工程立柱数量多,对其中的91根立柱顶的竖向位移进行了监测,立柱测点的分布如图2所示。4测量变形分析4.1基坑南侧土的变形图3给出了几个连续墙的测斜点在各个工况下的典型侧移情况。从图中可以看出南侧、北侧和西侧的连续墙各测点在Stage1时的变形类似于悬臂梁,上部变形大而下部变形小,最大变形为10.42mm。Stage2时首层梁板已经发挥支撑的作用,墙顶的变形受水平梁板的约束作用而变化很小,连续墙的变形向下部发展,各测点的最大变形比较接近,且最大变形大致位于开挖面附近;最大变形为24.47mm,位于I27测点处。Stage3时基坑南侧开挖至坑底,此时除基坑北侧由于盆边留土的作用变形(测点I21～I38)增长略小以外,基坑的南侧和西侧的各测点变形增长最快;基坑北侧的最大侧移一般位于留土坡顶的深度位置,基坑南侧和西侧的最大侧移则一般位于开挖面以下一定深度处,这与本工程的软土厚度较大有关;由于中板已经发挥支撑作用,因此连续墙在中板以上部分的变形变化很小,变形向中板以下深度发展。Stage4时开挖基坑北侧的留土并浇筑其底板,此时基坑南侧的测点变形增长很小,基坑北侧各测点的变形仍有一定程度的增长,且变形的增长也主要是在中板以下的部分。连续墙的最大侧移为41.49mm,位于I2测点处,最大侧移与开挖深度的比值为0.33%。从变形的空间分布来看,测点I3的变形最大,是由于该测点大致位于西南侧的中点处的位置且有楼板缺失。从主站屋侧的测点来看,测点I10的最大变形为32.71mm,而测点I8和测点I12的变形分别为36.28和38.64mm,测点I10的变形略小于测点I8和测点I12的变形,这可能是由于南侧的连续墙大致为拱形结构,而测点I10靠近拱顶而变形略小。测点I38测点位于西北角,按一般基坑的角部效应理论,该点的变形应该较小,但I38的最大侧移也到达了35.51mm,这可能是由于该处采用了灌注桩作为临时隔断,其整体性较连续墙略差的缘故。从变形的整体情况来看,本工程连续墙变形的空间效应不够显著,这可能是由于分块流水开挖的影响所致。4.2连续墙变形的实践基坑东侧为L1线及L1线与改线R1线换乘厅共用地下连续墙,I15～I20几个测点位于该侧。图3(c)为该侧的测点之一I16测点在各个工况下的变形情况。L1线及L1线与改线R1线换乘厅在上海南站北广场施工之前即已开挖(开挖深度约9.9m,采用三道钢支撑)完成,因此受先期基坑开挖的影响,其变形的形态与其它测点完全不同,连续墙的变形指向北广场坑外。I15～I20几个测点在L1线及L1线与改线R1线换乘厅开挖时即已开始监测,至其开挖结束时的变形(图中的Stage0)作为上海南站北广场开挖的初始变形情况。Stage0时,测点I15、测点I20的变形明显较测点I16小,这是由于测点I15和I20位于先期开挖基坑的角部,受基坑的角部效应影响而变形较小的缘故。上海南站北广场基坑开挖之后,连续墙的变形有指向北广场坑内的恢复趋势,其中在Stage1时的恢复程度很小,在Stage2时恢复程度最大,而在Stage3和Stage4时恢复程度又变小。直至南站北广场施工结束时,除了连续墙上部约3m左右的变形指向坑内以外,其下部的变形仍然指向坑外。4.3积出土口设置的影响一般逆作法基坑的出土口面积较小,如小于150m2,但上海南站北广场基坑的最大出土口面积约700m2,其余大多也为400～500m2不等。大面积出土口的设置在一定程度上削弱了水平支撑的刚度,可能对连续墙的变形产生一定程度的影响。测点I21、I23、I25、I31、I44等靠近出土口处,其最大变形分别为38.38mm、36.25mm、40.15mm、33.93mm和36.53mm;而测点I27则靠近完整板带处,其最大变形为36.08mm。可以看出,靠近出土口处测点的变形与靠近完整板带处的变形相比略有增大,但增大的幅度很小。这表明本工程中出土口的设置对连续墙的变形并没有显著影响。4.4土体流变对连续墙变形的影响上海地区土体具有明显的流变特性,而逆作法基坑工程中,由于地下结构梁板的施工工作量较大,因此结构施工时间往往较常规顺作法基坑支设临时支撑的时间要长得多,这使得当某层土开挖完成进入地下水平支撑结构施工时,虽然此时开挖的深度保持不变,但随时间增长土的流变特性会得到发挥,从而对基坑的变形产生影响。上海南站北广场基坑工程采用分块流水开挖的方式进行施工,当某一块开挖完成转入下一块开挖后,该块即进入结构施工阶段。从该块结构施工开始至本块下一次开挖之前的时间一般需要30～80天,这为观察流变对基坑变形的影响提供了有利的条件。由于分块开挖之间会对各块的变形产生相互影响,为了尽量减少这种影响对流变分析的影响,这里选择受其它块开挖影响很小的1#块(如图1所示)的有关测点进行分析。表1给出了1#块的部分测点在Stage2和Stage3时在4、8、12和16m深度处的变形增量△δ和变形速率△δ/△t的情况。需指出的是,这里的时间增量△t并非为整个Stage2或Stage3的时间,而是1#块开挖完成至下次开挖1#块之前的时间间隔。从表中可以看出,在相同的工况下,虽然各测点在相同的深度处变形速率不相同,但相同的测点随着深度的增大而变形速率增大,这与两个方面的因素有关,一方面是随着深度的增大土体的应力水平增大,土体在高应力水平下的流变大于低应力水平下的流变;另一方面,4m深度处位于第③层的淤泥质粉质粘土层,8～16m深度大致位于第④层淤泥质粘土层,而第④层土的流变较第③层土的流变大得多。从表1中还可以看出,Stage3时的变形速率较Stage2时的变形速率大,尤其是在更大的深度处。这表明,土体的流变对连续墙变形的影响与开挖深度有关,开挖深度越大,土体的流变对墙体的变形越显著,这与Ou观察到的采用逆作法的台北国家企业中心基坑工程的连续墙变形率与开挖深度的关系的规律一致。在Stage3阶段△δ=38d时,I3测点在16m深度处的变形增量高达12.66mm,而此时对应的总变形量为40.04mm,变形增量占总变形量的比例为31%,这表明在逆作法的基坑工程中,土体的流变对基坑变形的影响较为显著。图4为Stage2时1#块各测点在16m深度处的侧移与时间的关系,其中横轴的起始时间为1#块开挖完成开始进入结构施工阶段的时间。可以看出各测点在16m深度处的侧移在浇筑地下一层梁板结构之前变形持续增长,在浇筑地下一层梁板结构后变形增长减慢,并在一周左右后大致保持稳定。图5为1#块各测点在16m深度处的侧移变形速率(与△δ/△t)与时间的关系,从图中可以看出,总体而言,在地下一层梁板结构浇筑之前变形速率随着时间的增长而减小,而之后变形速率则趋于稳定(约为0.08mm/d)。图6为Stage3时1#块各测点在16m深度处的侧移与时间的关系。可以看出各测点在16m深度处的侧移在浇筑底板之前变形持续增长,在浇筑底板一周左右后保持稳定。与图4相比,Stage3时变形增长较Stage2时增长更快,且在结构施工完成后变形更加稳定,这表明底板对变形的控制作用较地下一层结构更强。图7为1#块各测点在16m深度处的变形速率与时间的关系,变形速率亦随时间的增长而减小,且在浇筑底板后变形速率趋于稳定(约为0.05mm/d)。比较图7和图5可以看出,Stage3时变形速率整体而言大于Stage2时的变形速率,且前者随着时间的增长衰减更快。Mana曾分析了旧金山地区基坑变形的时间效应,结果表明随着时间的增长,基坑的变形速率快速减小,且坑底抗隆起稳定系数越小变形速率有越大的趋势。Mana统计的基坑变形率约介于0.3～30mm/d,这比本基坑工程的变形率(0.02～0.33mm/d,Stage3阶段)大得多,其原因可能与土的应力水平有关。Mana统计的基坑开挖深度为9.1～13.5m,且主要采用钢板桩,墙体最大变形与开挖深度的比值(介于0.5～3%)较本工程(<0.33%)大得多,使得开挖区域土体的应力水平接近破坏状态,因而应力水平较本工程大,从而土体流变更大。从这里可以看出,全逆作法基坑由于支撑系统的整体刚度更大,因而基坑变形受土体流变的影响小于钢板桩等常规顺作法基坑。4.5上墙后立柱和连续墙之间的沉降图8为根据立柱沉降测点和连续墙顶沉降测点的坐标给出的首道水平梁板支撑体系在各个工况下的沉降等值线。图8(a)为Stage2时的沉降情况,从图中可以看出,基坑东侧连续墙由于坑内外均卸载使得连续墙与土体的接触面积减少,连续墙的沉降较大,又由于该侧楼板上堆载较大,从而使得该区域的梁板沉降较大。靠近主站屋侧受主站屋底板刚度的影响,沉降相对较小。基坑西南侧的沉降较西北侧沉降稍大,可能是受西南侧坑外改线R1线施工的影响。图8(b)为Stage3时的沉降情况。此时基坑南侧已开挖至坑底,而基坑的北侧尚有留土,除了主站屋西侧位置沉降较小外,其它区域的沉降比较均匀。图8(c)为Stage4沉降情况。此时基坑北侧留土已被开挖,因而基坑的北侧的沉降明显增大,而基坑南侧和西南侧的沉降相对于Stage3而言变化不大,这使得首层梁板有向北倾斜的趋势。基坑东侧沉降仍有一定幅度的增长,也可能与该侧堆载较大有关。由于出土口处梁板的缺失,其附近的立柱相对于满布楼板区域的立柱所承受的梁板结构自重要小,理论上出土口处的梁板的沉降应该较小,但图8中并没有明显的这种迹象,一方面可能是由于出土口附近往往有施工车辆运作,存在较大的活载,另一方面可能是由于顶层梁板结构的刚度很大(楼板厚度为0.25m),协调立柱差异沉降能力较强的缘故。立柱间的最大差异沉降发生在Stage4中的K4和K6两点,最大差异沉降值为7.91mm;立柱与连续墙之间的最大差异沉降发生在Stage4中的B37(立柱)和I14(连续墙)之间,最大差异沉降为5.84mm。立柱间的最大差异沉降及立柱与连续墙之间的最大差异沉降均远小于上海市基坑工程设计规程规定的最大差异沉降允许值(20mm)。本工程中连续墙底落于⑤2层,而立柱桩端落于⑦1-1层,这两层土的承载力差异较大,通过桩端和连续墙底注浆措施,提高了连续墙和立柱的承载力,同时较好地控制了连续墙和立柱的沉降及它们之间的差异沉降。文献报道了采用逆作法施工的由由国际广场基坑的立柱位移情况,其开挖深度9.7～11.9m,监测结果表明其立柱全部表现为回弹,最大回弹值为10mm。本工程立柱的位移表现为沉降,这与由由国际广场基坑的立柱位移的规律刚好相反。这主要是由于两个工程的立柱所承受的