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《上海市区26 m深自上而下开挖的实测性能》
谭勇 李明文
摘要:通过一项长期的综合测试计划，对上海市区一座26 m深的地铁车站采用逆作法进行了全面的测试。测量的开挖响应包括地下连续墙变形、墙体沉降、地面沉降、内部钢柱隆起、支撑支柱的轴向力、地下水位以及邻近建筑物和公用管道的沉降。根据对现场数据的分析，获得了以下主要发现:(1)混凝土支柱和楼板有效地抑制了后期墙体移动，从而降低了最大墙体变形发生在开挖面上方的可能性，(2)随着开挖深度的降低，地下连续墙随着时间的推移出现锯齿状沉降模式，(3)开挖后墙体没有出现明显的变形，(4)立柱隆起和最大墙体挠度之间的关系可以用一个线性方程来描述,(5)由于土壤移除而产生的大部分系统荷载由混凝土支柱和楼板一起承担。由于地下连续墙相邻部分的暴露，支柱主要承受释放的土压力，远离支柱的土壤移除对支柱轴向力施加有限的影响。
关键词:自上而下的挖掘，软粘土，现场数据，建筑和公用管道。
正文
由于人口稠密的城市环境中空间有限，如今地下室和地铁线路等地下结构必须比过去更深。由于更深的开挖会产生更大的应力和应变场，无论是已建造的地下结构还是相邻结构都将面临更大的损坏风险。但是，土壤，特别是软土的应力-应变行为是高度非线性的，
2010年6月24日收到。2010年11月8日接受。发布于2011年5月4日在www.nrcresearchpress.com/cgj上发布。
谭勇，土地下工程重点实验室，教育部工程，岩土工程系，上海市四平路1239号同济大学工程系，200092，中国
李老师，上海隧道工程与轨道交通设计与施工，上海天目西路200号研究院，上海200070，中国。
通讯作者：谭勇（电子邮件：tanyong21th@tongji.edu.cn）。
并受各向异性，蠕变和破坏等许多因素的影响（Hashash 1992； Fang and Yin 2006； Yin and Cheng 2006； de Lyra Nogueira等2009； Yildiz等2009）。很难通过数值或分析方法来预测复杂施工条件下土壤中应力应变的实际发展。结果，今天的开挖设计仍然严重依赖经验和半经验方法，其中一些方法可以追溯到几十年前。通过更新当前的数据库，关于深基坑挖掘的有据可查的现场观察数据，尤其是在软粘土或拥挤的城市环境中，对于实践者来说，这将是有益的。现场观察的另一个直接好处是，它们可以为设计人员和承包商提供及时的反馈，从而有助于降低设计和施工的风险。
在过去的几十年里，人们对基坑的性能进行了广泛的研究，并在现场测量的基础上发展了一些经验或半经验的方法来估计开挖引起的墙体变形和地面运动的大(e.g.,Peck 1969; Mana and Clough 1981; Orsquo;Rourke 1981; Finnoet al. 1989; Clough and Orsquo;Rourke 1990)。然而，这些现场数据大部分是从小于15米深的挖掘中获得的，由柔性保持系统支撑(例如，板桩墙、支护桩墙)或者没有横向支撑系统或者支撑系统缺乏足够的刚度。最近，观察到的数据(Ou et al. 1993, 1998;Hsieh and Ou 1998; Ng 1998; Long 2001; Moormann 2004;Liu et al. 2005; Wang et al. 2005; Kung et al. 2007; Leung and Ng 2007; Seo et al. 2010; Tan and Wei 2011)在刚性地下连续墙支护的深基坑工程中证明，这些经验或半经验方法可能会高估开挖引起的墙体变形和地面移动。到目前为止，上述研究大多集中在开挖过程中的挡土墙变形和地面沉降。很少有案例记录开挖前后的墙体变形和地面沉降、挡土墙沉降的长期发展、支撑支柱的轴向力和内部钢柱的移动。这些参数是支撑系统稳定性的重要指标，相关的现场测量可以帮助设计人员、从业人员和研究人员进一步了解深基坑的行为。对于开挖引起的建筑物沉降，文献中仅有有限的现场数据(e.g., Orsquo;Rourke et al. 1976;Boscardin et al. 1978; Finno and Bryson 2002)。对于附近公用管道的开挖引起的沉降，文献中几乎找不到案例。
本研究调查了在上海市中心商业区软粘土中采用逆作法施工的地铁10号线南京东路站26 m深基坑的性状。报告、分析和讨论了地下连续墙的横向偏移和垂直移动、地面沉降、支柱的轴向力、内部钢柱的垂直移动、开挖外的地下水位以及邻近建筑物和公用管道的沉降的现场测量。本项目和相关的现场数据不仅为校准和验证数值工具提供了良好的案例记录，而且有助于彻底了解在拥挤的城市环境中，在软粘土中采用自上而下方法进行的深基坑工程的一般特性。
项目信息
调查挖掘位于中国上海市中心的商业区。上海作为中国最大的城市和商业金融中心，位于中国东海岸的长江口。这座城市坐落在平坦的冲积平原上，被称为长江三角洲，其特点是地下水位高，软粘土层厚。图1显示了项目的现场平面图以及现场监控的仪表布局。本次勘察开挖与河南中路平行，南京东路在南面，宁波路在北面。挖掘坑的平面尺寸约为25米乘152米，挖掘深度为24至26米。以南京东路下的地铁2号线、在建的弘毅大厦、南面的老街府四层商业楼为界；由一栋新开发的八层钢骨混凝土华东地产集团大楼向西；由四层砖砌体的“1号住宅楼”向西北；由四层砖砌体的“2号住宅楼”向东北延伸；并由四层砖砌体的“商业大厦”、四层砖砌体的“住宅3号楼”和五层砖砌体的上海煤气公司大楼向东。除了弘毅大楼，所有这些相邻的建筑都比较古老，有50到100多年的历史。在开挖之前，在新开发项目和计划开挖之间建造了1米厚、30米深的混凝土地下连续墙。除华东房地产集团大楼由预应力高强混凝土(PHC)管桩(长13至18米，外径300毫米，壁厚70毫米)支撑外，所有这些建筑均由条形基础支撑。开挖至华东房地产集团大楼的最小距离为7米，南竖井至地铁2号线(在役)的最小距离为9米。挖掘工程还被许多公用管道包围，包括一条直径为1000毫米、厚度为100毫米的混凝土雨水管；两条铸铁供水管道，直径分别为300毫米和1000毫米，厚度分别为5毫米和10毫米；两条铸铁供气管道，直径分别为300毫米和700毫米，厚度分别为5毫米和10毫米；一条直径为1000毫米、厚度为10毫米的铸铁通信电缆管道；三条铸铁电力电缆管道，直径分别为300和1000毫米，厚度分别为5和10毫米；和几条电力管道。这些公用管道埋在地下0.5至1.0米的深处(BGS)。
地下条件和土壤特性
在挖掘之前，现场的土壤条件通过一系列野外勘探项目进行勘探(例如，钻孔、标准贯入试验和圆锥贯入试验)。. 现场勘探在上部2米的BGS遇到了一薄层填料(第一层)，随后是一层7米深的坚硬粉质粘土(第二层)BGS。在第二层下面，有一层非常软的粘土(第三层)，深度为18米BGS。下一层是从软到硬的粉质粘土(第四层)，延伸至39米深的BGS，下面是43米深的硬粉质粘土(第五层)，BGS。在第五层下面是非常致密的粉细砂，与砂质粉土互层(第六层)，终止深度为70米BGS。现场观测到的长期地下水位约为0.5至0.7米BGS。
沿深度的土壤特性通过现场十字板剪切试验和一系列实验室试验来表征，包括固结仪试验(约束压缩试验)、三轴试验和无侧限压缩试验。有效内聚力c′和有效摩擦角phi;′由固结不排水三轴试验确定；压缩系数av(0.1–0.2)和约束模量E 0.1–0.2是在100至200千帕的应力
图1 项目现场平面图以及仪器布置图
范围内通过固结试验获得的；通过固结-不排水快速剪切试验测量沿深度的不排水剪切强度Su；比贯入阻力Ps是通过现场静力圆锥贯入试验获得的，该试验同时考虑了圆锥阻力和套筒摩擦。计算方法是
【1】 Ps=qc fs
其中qc是以MPa为单位的锥体阻力，l是以米为单位的锥体杆长度，D是以米为单位的锥体杆直径，fs是以MPa为单位的套筒摩擦。室内和现场试验结果表明，上层软土具有含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度低的特点。原位十字板剪切试验结果表明，BGS上部20米处的软土表现出大约2至4的中等敏感度，这意味着软粘土的强度和刚度一旦受到施工活动引起的扰动，将会显著降低。图2显示了土壤剖面和基本土壤特性。
施工顺序和程序
调查的挖掘包括三个部分(南竖井、中心标准段和北竖井)。为了减轻开挖对邻近的历史悠久的华东房地产集团大楼造成的潜在不利影响，在开挖之前，在大楼和计划中的地铁站之间安装了一排螺旋钻孔灌注桩(ACIP)。ACIP桩长31米，直径550毫米，间距0.6米。考虑到(Ⅰ)有限的施工空间，(Ⅱ)尽可能减轻对邻近建筑物和设施的潜在不利影响，以及(Ⅲ)施工期间维护附近的正常商业活动，本次深基坑采用支撑混凝土地下连续墙支撑的自上而下方法。
图3简要说明了现场自上而下的挖掘顺序。它首先建造了1米厚的周边挡土墙，然后是承载未来地铁站结构的承重构件(LBE)。地下连续墙穿过软粘土层进入下面非常致密的粉细砂层，以提供横向稳定性和有效的地下水截流。承载元件由ACIP桩组成，该桩穿透非常致密的粉细砂和砂质粉土层。内部H型钢柱(460毫米times; 460毫米)建造在深层ACIP桩上，以承受施工荷载，并作为永久结构供以后使用。然后，也作为支撑地下连续墙的支柱的底层被铸造。随着挖掘进行到较低的水平，支撑或铸造新的支柱或楼板。这个过程一直重复到最后的挖掘水平。从两个端轴向中心标准节段进行施工。南竖井挖掘于2007年11月29日开始，2008年4月8日结束；北竖井挖掘于2008年3月2日开始，2008年7月14日结束；中央标准段的挖掘于2008年8月26日开始，于2008年10月25日结束.表1和表2总结了北竖井和中央标准段的详细施工活动。
图4显示了北竖井和中央标准段的典型横截面。除了一些小细节，南竖井的横截面与北竖井的横截面相似。南竖井的开挖深度为26.1米，北竖井为25.8米，中央标准段为24.24米。地下连续墙的深度在南竖井为53米，在北竖井为46米，标准路段为44米。在南竖井使用更深的地下连续墙是为了最大限度地减少开挖对距离南竖井仅9米的地铁2号线(在役)的影响。作为承重构件的ACIP桩在南竖井直径为0.8米，长度为30米，在标准段直径为1.0米，长度为40米，在北竖井直径为1.0米，长度为30米。开挖前，通过喷射灌浆加固开挖侧不同深度的土层，以抑制墙体移动。加固土壤位于9.95至12.45米，BGS 16.90-19.10米，BGS 26.10-29.10米；标准段深度为16.67米至18.47米的BGS和24.24米至27.24米的BGS；在BGS 16.60至18.77米和BGS 25.80至28.08米的深度。竣工后28天测量的这些加筋土的无侧限抗压强度大于1.2MPa。这是上海基坑工程中通过灌浆加固开挖侧某些深度的土壤的做法。灌浆的主要目的是:(1)通过加固开挖侧的土壤来限制开挖(卸载)过程中的墙体移动，(2)减轻开挖过程中潜在的基底隆起，以及(3)切断开挖面下方的水流渗流。通过室内试验，方和尹(2007)发现深层水泥土比纯软土固结得更快。南竖井和北竖井的第1和第6层的撑杆以及标准节段的第1、3和6层的撑杆是钢筋混凝土，其他水平的支柱是外径609毫米，壁厚16毫米的钢管。为了最大限度地挖掘内部工作空间，对角支撑被用在角落。 混凝土支柱是水平的间距为6 m，钢管支柱水平沿开挖纵向间隔2至3 m。 距支柱中心的垂直距离到正下方最近的挖掘面附近0.5米。
由于施工进度紧张，混凝土支柱和楼板在两个端井的养护期为14天(混凝土达到设计强度的80%~90%)，在标准段的养护期仅为6至7天(混凝土强度lt;设计值的70%)。该场地使用的混凝土和钢的杨氏模量分别为3times;107kpa和2times;108kpa。
测量仪器
为了验证设计假设并监控深基坑的性能，以确保本项目的安全，现场实施了一项长期综合仪器项目。图1显示了用于监控挖掘性能的仪器布局。地下连续墙的挠度由24根测斜仪管(指定为Q1至Q24)监控；地下连续墙的沉降由精度为0.01毫米的水准仪测量。这些测量点与测斜仪管位于相同的位置(Q1至Q24)。对于Z2和Z3处的支柱(分别指定为Z2-1至Z2-7和Z3-1至Z3-6)，混凝土支柱的振弦应力计和钢管支柱的振弦应变仪监控支柱轴向力的发展。内部钢柱(指定为L1至L25)的垂直移动由电子全站仪监控。挖掘区外的地下水位为由埋深为15米BGS的六个竖管压力计(指定为SW1至SW6)监控。用水准仪测量地下连续墙后1至5米处D1至D18位置的地面沉降。为了监测邻近建筑物附近的地面沉降，选择了两个关键路段(指定为靠近华东房地产集团大楼的D10至D10-5段和靠近上海燃气公司大楼的D11至D11-5段)。两部分的沉降点间隔为5米。D10至D10-5的沉降点距离为5至30米，D11至D11-5的沉降点距离地下连续墙为0.5至25米。
图3 现场由上至下的施工顺序
为了解决开挖附近建筑物和公用管道的安全问题，在开挖期间还对建筑物和管道的沉降进行了调查。用水准仪测量了建立在七个相邻建筑物外墙上的三十六个沉降点(命名为J1至J36)。公用工程方面，用水准仪共测量了93个沉降点，其中混凝土雨水管为Y1至Y16，两条铸铁给水管道为S1至S25，两条铸铁燃气管道为M1至M24，铸铁通信电缆管道为T1至T13，三条铸铁电力电缆管道为DL1至DL15(图1中标出了部分测量点)。
在任何施工活动开始之前，所有仪器设备都已归零。在阶段1(a)和1(b)期间，每2天获取一次现场读数，在阶段2(a)和9之间的每一天获取一次现场读数，在底板
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