軟土地區緊鄰超高壓電力管線的深基坑工程設計與研究

魏仁杰

（中船勘察設計研究院有限公司，上海 200063）

0 引言

城市地下空間的不斷開發，使得基坑工程的建設規模和難度也隨之增加。許多基坑支護形式由于用地紅線、周邊建（構）筑物及地下管線等因素而受到制約[1]。上海是典型的軟土地區，區域地層上部分布有較厚軟土層，強度低、變形大，結合城區基坑周邊環境保護要求，其基坑支護形式受到一定限制。Tan等[2-3]研究發現，較之于常規尺寸的基坑，超大超深基坑開挖對鄰近建（構）筑物、管線等的影響會更大。王衛東等[4]搜集了上海地區35 個具有實測數據的深大基坑，并對其圍護墻最大側移以及墻后地表沉降進行了相關分析?；泳哂幸欢ǖ膹碗s性和區域性，選用合適的支護形式尤為重要。

本文以上海某深大基坑工程為研究背景，結合基坑規模、開挖深度、地質情況和周邊環境等，介紹了緊鄰超高壓電力管線深基坑中地下連續墻支護的應用以及對超高壓電力管線保護的各項措施，通過對比理論計算值和基坑開挖過程中的實測數據，分析了圍護體系側向變形、地面沉降等的發展變化規律，為同城類似工程的設計、施工、研究提供一定的參考。

1 工程概況

本工程擬建建筑是由一棟15 層70 m 的綜合研發樓、2 層綜合管理用房、1 層垃圾房及地下2 層車庫組成。綜合研發樓為框架-核心筒結構、樁筏基礎，其余建筑均為框架結構、樁基或筏板基礎。本工程基坑豎向投影總面積約13500 m2，周長480 m，開挖深度為11.2～13.2 m。

1.1 周邊環境概況

基坑北側和東側開挖邊線距離紅線較遠，約28.4～70.5 m，均為后期規劃地，現為空地，作為本項目施工臨設區域?；幽蟼染嚯x紅線約2.9～12.8 m；基坑西側距離紅線約2.1～7.1 m。南、西兩側紅線外均為重要市政道路，道路下埋有多條市政管線，且在兩側人行道路下埋有220 kV 和110 kV 超高壓電力管線，分別通往世紀大道地鐵站、人民廣場等上海重要區域。根據現場探挖及相關資料，該電纜溝寬度約1.5 m，上部距離地面約0.9 m，下部埋深約2 m，分布方向與基坑走向基本平行，其結構形式為混凝土外包9孔?160 mmPVC 管高壓電纜線，局部侵入紅線內，電纜溝中心距離基坑最近約2.55 m（見圖1）。

圖1 周邊環境圖

1.2 工程地質概況

擬建場地地貌類型屬上海地區四大地貌單元之一的三角洲沖積平原，基坑開挖范圍內的土層分布依次為：①填土，層厚為1.1～2.4 m；②粉質黏土，層厚1.0～2.3 m；③夾砂質粉土，層厚2.5～3.5 m；③淤泥質粉質黏土，層厚2.9～4.0 m；④淤泥質黏土，層厚7.0～9.6 m；⑤粉質黏土，層厚5.4～9.3 m；⑥粉質黏土，層厚2.8～4.4 m；⑦1-1黏質粉土夾粉質黏土，層厚3.7～5.1 m；⑦1-2粉砂，層厚4.8～6.8 m。

1.3 水文地質概況

本場地對基坑工程有影響的地下水主要是淺層潛水和承壓水。潛水：上海地區淺層地下水屬潛水，主要補給來源為大氣降水及地表徑流，其排泄方式主要以蒸發消耗為主。潛水位埋深隨季節、氣候等因素而有所變化。埋深一般為地表下0.3～1.5 m，根據地勘報告知場地內靜止地下水（潛水）埋深1.15～1.25 m，基坑圍護設計時潛水位按0.5 m 考慮。承壓水：場地內⑦、⑨層承壓水相連，承壓水水位呈周期性變化，一般埋深為3.0～12.0 m。按照最不利因素，承壓水頭按埋深3 m 計算，經計算，開挖至大面積基坑不存在突涌的可能?；油翆游锢砹W參數見表1。

表1 基坑土層物理力學參數表

2 基坑設計方案

2.1 基坑特點及難點

基坑特點：（1）基坑面積較大，挖深較深，形狀呈較不規則的矩形；（2）基坑底位于流塑狀、軟弱、高壓縮性的④層淤泥質黏土層內，該土層厚度約達7.5 m，深厚的軟弱土對圍護結構受力影響較大；其次，場地內土層含③夾砂質粉土層，該層滲透性較高，圍護樁施工時容易塌孔或擴槽；（3）基坑西側和南側距離紅線較近，緊鄰紅線的市政道路下存在大量管線，同時分布有超高壓電力管線，距離基坑最近處僅2.55 m，是本工程的重點保護對象。

基坑難點：超高壓電力管線距離基坑較近，導致支護結構施工空間有限，同時超高壓電力管線對基坑變形控制要求較為嚴格，在保證滿足超高壓電力管線允許變形的基礎上，如何實現經濟、安全、施工可操作性強是本工程基坑設計與施工的難點。

2.2 基坑設計方案比選

根據基坑規模、開挖深度、工程地質條件和周邊環境對基坑變形控制的要求，結合上海市區已有深基坑工程實踐經驗，本工程基坑圍護選型如下：

（1）一般區域：采用灌注樁作為擋土結構，三軸攪拌樁作為止水帷幕。為有效控制基坑變形，沿豎向設置兩道鋼筋混凝土支撐，鉆孔灌注樁典型支護剖面見圖2。

圖2 鉆孔灌注樁支護典型剖面圖（單位：mm）

（2）臨近超高壓電力管線區域：超高壓電力管線距離基坑非常近，同時對變形有一定的要求，常規的灌注樁+三軸攪拌樁止水的圍護形式沒有足夠的施工空間。經多方案比選，該區域確定采用800 mm 厚地連墻（擋土結構兼做止水帷幕）+兩道鋼筋混凝土支撐，機械車庫區增設一道鋼支撐。地連墻典型支護剖面見圖3。

圖3 地連墻支護典型剖面圖（單位：mm）

臨近超高壓區域的地連墻僅作為圍護結構用，而非兩墻合一，主要原因是楊源路一側的地下室外墻退讓紅線僅約3～3.5 m，若采用地下連續墻兩墻合一，則地下連續墻外邊線與紅線距離不滿足最小退界距離。因此，經各方協商，地下連續墻僅作為基坑施工階段的圍護支擋結構，不作為主體結構的外墻使用。其次，為減小地下連續墻施工對超高壓管線的影響，盡量遠離超高壓管線，確定地下連續墻與主體結構地下室外墻疊合在一起，不留設外墻施工操作距離。

2.3 超高壓管線的保護措施

（1）地連墻兩側“夾心餅干”式的護壁加固措施

劉 楊等[5]研究發現，在軟土地區地連墻成槽時會造成軟土層的強度下降，使得作用在泥漿護壁上的壓力不足以維持地層穩定，導致軟弱層中土體剝落坍塌從而形成局部失穩。該基坑淺部分布有厚度約3 m 的砂質粉土層以及較厚的軟弱淤泥質土，為防止地連墻成槽施工時土體擾動過大造成局部失穩，進而影響外側的超高壓管線，要求在地連墻兩側分別布置?650 mm 的三軸攪拌樁進行加固，攪拌樁長度設置在坑底下4 m，由于施工操作距離有限，攪拌樁緊貼地墻施工。

（2）圍護結構與超高壓之間設置隔離構件

大量工程實踐研究表明[6-8]，基坑工程施工前期，地連墻、導墻、加固樁、工程樁、頂圈梁及第一道支撐的施工對周邊環境影響較大，尤其對地表土層的擾動較大。因此在基坑工程實施前，在基坑與保護物之間設置隔離構件可以有效地減小前期工程施工擾動造成的地表沉降。本工程施工面與超高壓電力管廊距離非常近，隔離樁只能采用鋼板樁，經協調，本工程在地墻與超高壓管線之間設置5 m 長的18a 槽鋼，沿超高壓電力管線走向布置，后期不拔除。

（3）坑內增加被動區加固暗墩

土體加固措施是在軟土地區深基坑工程中控制周邊環境產生附加變形的有效手段，在臨近敏感環境的基坑工程設計中應用廣泛[9-10]。地基加固的作用是在基坑開挖過程中增加被動區的抵抗力，從而和圍護結構一起發揮其抗變形能力。較常用的被動區地基加固形式有雙軸或者三軸水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁等，加固形式可以采用滿堂加固、裙邊加固、格柵加固、抽條加固等。相關研究[10]顯示，坑內加固對抑制最后一道支撐以下圍護結構側向位移作用較顯著，圍護結構側向位移可減小26.8%～32.1%。

本工程設計時，為減少基坑開挖對超高壓管線的影響，在基坑開挖前沿超高壓電力管線走向在基坑內側采用水泥土攪拌樁進行裙邊加固，加固范圍從第二道支撐底到坑底下4 m 左右，第二道支撐底到坑底范圍內水泥摻量較常規摻量適當降低，坑底以下部分采用常規摻量。

（4）地下二層頂板增加斜拋撐換撐

基坑變形多發生在基坑開挖至坑底階段和拆撐階段。由于地下二層頂板標高與場地標高有6.25 m的高差，僅采用中樓板換撐勢必會造成上部懸臂結構過大導致拆撐后圍護結構變形增大，為減小拆撐變形對超高壓電力管線的影響，要求拆除第一道支撐前先設置H400×400 型鋼斜撐，待中樓板結構及傳力帶強度達到80%后且型鋼斜撐設置完畢后方可拆除第一道支撐。

（5）地連墻、攪拌樁施工等其他措施

地連墻正式施工前進行試成槽，且減小成槽寬度，鋼筋吊裝時，機械站位嚴禁靠近超高壓電力管線區域。槽壁三軸攪拌樁加固施工前先在坑內進行試樁，通過試樁優化參數，施工時先外后內，并采用跳打法施工?？觾燃庸添樞蛴煽拷芫€側向坑內側方向移動。

3 基坑監測方案

目前該基坑已通過竣工驗收，圖4 為基坑施工過程中的全貌圖。在基坑施工過程中，為全面掌握施工過程中基坑自身變形及其對周邊環境的影響，本工程按規范要求結合現場實際布置了基坑監測點，包括圍護墻頂豎向和水平位移監測點（點號QW1-QW28），圍護墻深層水平位移（測斜）監測點（點號CX1-CX14），支撐內力監測點（點號ZC1（1-2）-ZC12（1-2）），立柱豎向位移監測點（點號LZ1-LZ15），坑外水位監測點（點號SW1-SW14），地表豎向位移點（點號D1-D10），超高壓管線位移監測點（點號GL1-GL38），以及其他周邊管線監測點若干。本文主要選取一般區域、鄰近超高壓區域以及機械設備區域圍護體深層水平位移（測斜）以及坑位地表沉降的監測數據。監測點平面布置見圖5。

圖4 基坑施工全貌圖

圖5 監測點布置圖

4 監測結果及分析

4.1 圍護體深層水平位移（測斜）

根據基坑支護結構的側向位移監測結果，選取三個典型斷面（灌注樁圍護區域CX02、地連墻圍護區域CX07 和機械車庫區域CX10）的測斜點與理論計算（同濟啟明星軟件）變形量對比分析，結果見表2。不同施工工況下的圍護體測斜變化曲線見圖6。

表2 實測與理論計算最大變形量

圖6 地墻測斜變化曲線

從表2 和圖6 中可以看出：（1）隨著基坑的開挖，圍護墻側向變形均呈“魚腹型”拋物線形狀，隨著各層土方開挖，魚腹不斷變大，但最大變形始終出現在開挖面附近?；娱_挖至第二道支撐底時，最大側向變形量平均僅為15.32 mm，開挖到坑底時，最大側向變形量平均達到了41.68 mm，相比于上部土層開挖，基坑下部土層開挖產生了更明顯的撓曲變形，這主要是因為深部土層開挖會產生更多的應力釋放；（2）在整個基坑開挖階段，地連墻的抗變形能力明顯優于灌注樁。盡管機械車庫區域挖深比典型區域深2 m，該部分的最大側向變形量仍小于典型區域灌注樁圍護部分；（3）實測變形值均大于計算變形值。經分析，在基坑開挖到第二道支撐底時，實測圍護結構側向變形和計算結果相差并不大。在開挖到底階段遇梅雨季，施工進度明顯受到影響，造成部分土方開挖到底后連續多日未進行底板澆筑，由于基底土層為淤泥質黏土層，力學性質較差，過長時間的基底暴露，造成圍護結構累積變形不斷增大。其次，在實際施工過程中，周邊施工荷載的分布、施工先后順序等等均與設計工況有所差異，這也是造成實測變形比計算變形偏大的原因。

4.2 地表沉降及超高壓電力管線垂直位移

根據實測數據，開挖到基底時，地表最大沉降量為31.5 mm，超高壓電力管線垂直位移最大為31.4 mm，兩者均超過報警值（30 mm）。經分析，該工程臨近超高壓側均為市政道路，兩條市政道路上均設置了施工出入口。在工程樁及圍護樁施工過程中，材料運輸及機械設備的行走對道路及管線已經造成一定的影響。其次，地墻開槽施工對超高壓管線也形成一定的次生變形。據監測結果顯示，基坑開挖前，超高壓電力管線的累計變形已達到10.8 mm。為減小對超高壓管線的影響，施工單位在現場設置了地面防護網，防止機械進入到管線保護區域，并在兩個出入口采取加固措施，防止重載運輸車反復通過對超高壓的影響。盡管在設計和施工方面針對超高壓的保護采取了很多措施，但在具體施工過程中，土方開挖順序，土方車重載以及時間、空間效應等對周邊環境依然會造成較大影響。雖然管線沉降超出了預警值，但經電力公司核驗，管線仍處于安全狀態。

5 結論

（1）本工程采取槽壁加固提高了地連墻的成槽穩定性，在坑內被動區采用水泥土攪拌樁加固有效提高了圍護體的抗變形能力，對超高壓電力管線采取超前隔離措施，采取換撐前增加斜拋撐等措施，對于保護電力管線、控制圍護結構變形均取得了較好的效果。

（2）基坑變形監測顯示，基坑開挖過程中各區段圍護體側向變形均呈“魚腹型”拋物線形狀，但地連墻的抗變形能力明顯優于灌注樁。

（3）實測變形比理論計算明顯偏大。分析可知，理論計算的變形值僅考慮了開挖過程中圍護結構的變形，未能考慮不確定的施工影響因素。因此，建議在設計過程中，應充分考慮全過程施工中的周邊荷載分布、土方開挖順序、時間及空間等各項因素疊加影響。