随着经济发展和城市化步伐的加快,在用地愈发紧张的上海地区,地下空间得到快速开发,从而产生了大量规模大、开挖深的基坑工程,其设计和施工难度也越来越高。目前,基坑工程通常采用顺作法和逆作法这两种基本模式进行施工,但对于某些条件复杂和具有特别技术经济要求的基坑工程,往往需要采用顺作法与逆作法相结合的方案,才能同时满足经济、技术、工期及环境保护等多方面的要求 ^[1]。对于复杂的深大基坑工程,现场监测是保证工程安全的重要手段,实测数据也是分析基坑工程变形规律的基本依据。

　　 目前,已有诸多专家学者对上海地区基坑工程的变形特性进行研究。徐中华等 ^[2]对顺作法施工的上海银行大厦基坑工程的监测结果进行总结分析,提出信息化施工的有效性; Tan和Wei ^[3]、Tan和Wang ^[4]分别研究了上海某顺作法地铁车站深基坑和中心岛法施工的深大圆形基坑的变形性状。王卫东等 ^[5]对全逆作法施工的深埋圆筒形上海世博地下变电站基坑工程的围护结构变形及受力特性、坑外土体变形性状等进行了深入研究。徐中华 ^[6]对采用大面积出土口的全逆作法施工的上海南站北广场深大基坑工程监测结果进行了分析,研究了出土口设置、时间效应等对地下连续墙变形的影响。Wang等 ^[7]和徐中华 ^[8]对上海地区300多个采用钻孔灌注桩、地下连续墙等围护结构形式,以顺作、逆作不同施工方法完成的基坑工程变形特性分别进行了统计分析和对比。高明 ^[9]、宋青君 ^[10]、郑信荣等 ^[11]分别就各项目工程背景,对顺逆作相结合的基坑工程实测分析、设计理论、施工技术等进行研究探讨。然而,上述研究均主要针对顺作法或逆作法的基坑类型或顺逆结合施工的综合影响进行分析,对于顺逆作分区交叉施工的深大基坑变形及相互影响的研究尚少见于文献报道。

　　 本文以上海国际金融中心重大项目基坑工程为依据,对顺逆作交叉施工的基坑监测数据进行分析,研究顺逆作交叉施工基坑的变形性状,为该类型支护方案的基坑设计和施工提供参考。

　　 上海国际金融中心项目位于上海市浦东新区竹园商贸地块,地面以上为3幢独立的超高层建筑,分别为上交所、中金所和中结算塔楼,整体设置5层地下室。基坑总面积为48 860m²,周长约为950m,基坑普遍区域挖深为26.5m,上交所、中金所塔楼区挖深为27.9m,中结算塔楼区挖深为27.1m。

　　 本工程用地范围处于规划竹林路以东,张家浜河以北,杨高南路以西,北与竹园商贸区2-16地块紧邻。基坑与东南侧杨高南路下立交以及杨高南路下方的市政管线最近距离分别为34.2m和27.8m,北侧与同步施工且普遍挖深为11.45m的地下三层基坑最小距离约8.3m,南侧距上海竹园工程有限公司最小距离约10.5m,其余周边建构筑物均与本基坑工程有较大的距离。基坑平面如图1所示。

　　 本工程场地位于长江三角洲冲积平原上,地貌类型属于滨海平原。土层分布均较稳定,从地表至约29m深范围内主要以淤泥质黏土和粉质黏土为主,为典型上海软土,其下为砂质粉土和粉砂,其中第⑦_1-1,⑦_1-2层呈稍密～密实状态,标贯击数大于20; 第⑦₂层和第⑨层处于密实状态,标贯击数大于50。场地缺失上海地区第⑧层黏土层。

　　 场地地下水有潜水和承压水两种类型。场地浅部地下水属潜水类型,主要赋存于填土、黏性土和粉性土中,水位埋深约1.2～1.9m。深部第⑦层、第⑨层为承压含水层,且两者相对连通,水量补给丰富且渗透系数较大,承压水水位埋深约为7.1～8.3m。各层土参数见表1。

　　 基坑采用“前阶段整体开挖,后阶段塔楼先顺作、纯地下室后逆作”的顺逆交叉施工方案,即基坑首先整体开挖至地下一层,继而塔楼区域采用顺作法施工完成后,纯地下室区域再采用逆作法施工。

　　 基坑周边围护体采用1.2m厚两墙合一地下连续墙(简称地连墙),地连墙插入至地表以下46m,为控制坑内抽降承压水对坑外环境的影响,在墙后设置深度为55m的等厚度水泥土搅拌墙TRD(trench cutting re-mixing deep wall,TRD)作为止水帷幕。塔楼周边临时中隔墙顶标高落低至地下一层结构底,墙厚1m,插入至地表以下44.9m。

　　 塔楼顺作区域坑内设置五道钢筋混凝土支撑,纯地下室逆作区采用地下五层结构梁板代替水平支撑,混凝土强度等级均为C40。基坑支护结构A-A剖面图如图2所示。顺作区首道支撑和逆作区首层板平面图如图3所示。

　　 本工程采用临时钢立柱及柱下钻孔灌注桩作为水平支撑系统的竖向支承构件。塔楼顺作区的临时钢立柱采用截面为480mm×480mm的型钢格构柱。纯地下室区域钢立柱采用截面为ϕ550×16的钢管,并在钢管内填充C50混凝土。

　　 本工程的施工流程为:首先完成主体工程桩、基坑围护体及一柱一桩施工; 之后顺逆作区同步开挖至地下一层,顺作区浇筑形成第一、二道支撑,逆作区浇筑形成地下室顶板结构和地下一层结构; 其后塔楼区域往下顺作开挖,期间纯地下室区域施工暂停; 待塔楼区域施工完成地下一层结构后,再进行纯地下室区域的土方开挖及地下结构的逆作施工; 在纯地下室往下逆作施工期间,塔楼区域同步进行地上结构施工。本工程根据分层开挖的步骤,可划分为16个工况,如表2所示。

　　 为了及时收集和反馈围护结构、周边土体及建(构)筑物在施工中的变形信息,基坑施工过程中对各分区设置了如下监测内容及相应测点:围护体侧向位移监测点为P1～P41; 周边地表沉降监测点为DC1～DC16; 坑外土体侧向位移监测点为T1～T3; 坑外土体分层沉降监测点为SCTT1～SCTT3; 路面沉降监测点为LM1～LM13。各测点平面及剖面布置如图1所示。

　　 图4给出了顺作区地连墙在各工况下的侧向位移。由图4可知,塔楼区各测点的侧向位移均随着开挖深度增加而逐步增大,且最大侧向位移发生的位置逐渐下移,侧向位移整体形态为“纺锤形”。除个别测点外,大部分测点在各工况下的侧向位移增量规律较一致。由于顺作区Stage1工况开挖深度很小,仅有1.2m,故该工况下墙体侧向位移增量很小。Stage2,Stage3工况的开挖深度最大,且Stage3工况的开挖面位于软弱层第④层淤泥质黏土中,Stage2工况开挖浅层土体,对应的土体侧压力相对较小,故Stage3工况的侧向位移增量最大,Stage2工况次之。Stage4,Stage5,Stage6工况的挖深较小,且Stage6工况开挖深度位于较好的第⑥层粉质黏土中,因此这3个工况下的墙体侧向位移增量相当,且Stage6工况的侧向位移增量略小。Stage7工况较Stage6工况的侧向位移增量较小。各测点在Stage7～Stage12工况的浇筑底板、拆撑、施工地下结构期间,测得的墙体侧向位移增量均较大,增量范围为29.5～58.2mm。顺作区在Stage12工况的墙体最大侧向位移为178.1mm,位于测点P16,可能与该侧坑边超载及运输通道相关。

　　 图5给出了典型Stage2,Stage12,Stage16工况下地连墙各测点最大侧向位移的连线。由图5可知,位于墙段中部测点的侧向位移普遍大于位于基坑角部或靠近外围地连墙与临时隔断地连墙交点的测点,例如,上交所区域位于中部的测点P25的侧向位移大于位于墙角的测点P26和靠近中隔墙的测点P24,中结算区域的测点P8和测点P11的侧向位移大于靠近基坑角部的测点P9和测点P10及靠近中隔墙交界处的测点P12,中金所区域的测点P16大于靠近中隔墙交界处的测点P17,体现出基坑变形的空间效应。另外,位于中结算区域基坑北侧的挖深为11.45m的竹园商贸区2-16地块基坑距本基坑距离仅8.3m左右,且该基坑在顺作区开挖期间也逐步开挖至坑底,且由于中结算区域开挖深度略小于上交所和中金所区域,故此处的测点P10～P12因受邻近基坑的土体开挖卸荷作用及开挖深度的影响,其侧向位移量(96.6～122.7mm)较顺作区其他测点侧向位移量明显要小。

　　 图6给出了逆作区地连墙在各工况下的侧向位移。由图6可知,逆作区各测点侧向位移量同样随基坑开挖深度增加而逐步增加,变形形态与顺作区相似。

　　 逆作区在Stage1工况下基坑中部开挖至标高-6m,由于周边留土作用,故各测点因Stage1引起的侧向位移量均很小。Stage2工况下,逆作区整平开挖至-9.65m,墙体周边土体开挖深度剧增,从而导致Stage2工况各测点侧向位移增量最大。Stage3～Stage12工况期间为塔楼区顺作施工而裙楼处于暂停状态。受到顺作区开挖卸荷及时间效应的影响,逆作区各测点在此段时间内墙体侧向位移增量很大,增量范围为22.5～52mm。后续各施工工况(即Stage13～Stage16)随着开挖的加深,测点侧向位移也逐步增大,相对而言,测点侧向位移增长幅度均较平稳。逆作区在Stage16工况墙体最大侧向位移为175.1mm,位于测点P19处。

　　 如图5所示,金融剧院区域外围地连墙采用了T形槽段,对应测点P4,P5的侧向位移在Stage16工况下最大值分别为87.5,88.7mm,两者的均值为88.1mm(0.33%H_e,H_e为对应工况下的基坑挖深),略小于塔楼顺作区基坑外围地连墙在开挖至基底的Stage6工况下侧向位移最大值均值94.5mm。可见,尽管金融剧院区受停工时间的影响,且测点P4,P5均位于基坑中部,但仍小于塔楼顺作区侧向位移量,说明T形槽段控制变形作用较明显。

　　 此外,测点P21,P22位于基坑角部,受空间效应影响,其侧向位移较位于基坑中部的测点P19,P20,P23的侧向位移要小得多。测点P3,P6,P18和测点P23位于靠近中隔墙的角部,其侧向位移较处于基坑角部的测点P21要大,而较位于基坑中部测点P19要小。因受周边施工路面荷载影响,同样位于基坑角部的测点P13,P14较测点P21,P22的侧向位移大。总体而言,与顺作区类似,逆作区墙体变形空间效应也较显著。

　　 图7给出了顺、逆作区中隔墙在各工况下的侧向位移。由图7可知,中隔墙的侧向位移同样随施工开挖而逐步增加。由于中隔墙顶部标高落低至地下一层结构底(图2),故相当于顺作区域的开挖深度降至19.9m和20.7m; 此外中隔墙位于场地内部,同时受纯地下室逆作区降水的影响,故中隔墙在Stage12工况下的侧向位移量最大值仅为72.9mm(位于测点P35),较顺逆作区外围地连墙的侧向位移要小得多。从图中还可看出,位于中隔墙角部的各测点最大侧向位移量明显小于位于中隔墙体中部的其他测点,表明中隔墙的侧向位移也有明显的空间效应。

　　 逆作区在Stage3～Stage12工况的顺作区施工期间,由于受顺作区开挖卸荷及时间效应的影响,尽管逆作区在此期间未开挖土方,其侧向位移仍持续增加,且随着与顺作区的距离减小而增加。逆作区地连墙测点在Stage3～Stage12工况期间的侧向位移增量均值为37.3mm,约占Stage16工况时总侧向位移量均值的27%,且最大侧向位移增量(位于靠近中金所区域的测点P18)为52mm,占Stage16工况总侧向位移量的36%,可见顺作区开挖对逆作区的侧向位移影响较大。所有逆作区测点在Stage3～Stage12工况的变形速率(即最大侧移增量/时间增量)变化范围为0.04～0.142mm/d,最小、最大变形速率分别位于T形槽段的测点P4和最靠近顺作区的测点P18; 变形速率均值为0.095mm/d,与徐中华 ^[6]监测得到基坑开挖面埋深位于12m深度处土体(与本文Stage3～Stage12工况逆作区墙体最大变形位置深度相近,且同样位于第④层土中)的变形速率0.103mm/d接近。

　　 顺作区施工完成后,大部分测点监测工作停止,仅P9,P25,P26测点的监测延续至Stage14工况,因此图4中给出了这3个测点在Stage14工况的侧向位移。可看出逆作区从-9.65m标高开挖至-18.7m标高时(即从Stage13工况至Stage14工况),测点P9,P25,P26在这段时间的最大侧向位移分别由其在顺作区施工完成时(Stage12工况)的46.4,177.6,110.2mm,增长至52.8,181.9,120.1mm,增长率分别为13.8%,2.4%,9.9%。整体而言,增长率不大,这是由于顺作区已完成地下结构施工,整体结构刚度较大,因此逆作区开挖对其影响有限。

　　 对于中隔墙而言,在顺作区开挖时其向顺作区坑内的侧向位移逐渐增大,而在逆作区开挖时(Stage13工况之后),由于逆作区的卸土逐步减小了中隔墙后的土压力,因此中隔墙的侧向位移在此期间的增量为负值,即侧向位移有向逆作区方向回复的趋势。以测点P35为例,Stage12工况最大侧向位移为72.9mm,Stage13工况减小至68.5mm(相对于Stage12工况减小了6.0%),至Stage14工况又减小至58.1mm(相对于Stage12工况减小了20.3%),说明逆作区开挖对于中隔墙侧向位移影响较显著。

　　 为进一步分析顺、逆作区的墙体侧向位移变形规律,统计本工程顺逆作区各测点在各开挖工况下地连墙的最大侧向位移δ_hm与挖深H_e的比值关系,如图8所示。图中同时给出了文献[7]对上海地区顺作法和逆作法基坑的最大侧向位移δ_hm随基坑开挖深度H_e变化的统计数据。

　　 可见, 顺作区所有测点的δ_hm/H_e值均位于文献[7]给出的0.1%～1%范围内。其中塔楼顺作区基坑外围地连墙各测点在各开挖工况下的墙体最大侧向位移变化范围为0.11%H_e～0.53%H_e,均值为0.34%H_e,较文献[7]的均值0.5%H_e偏小。而塔楼顺作区所有中隔墙测点的地连墙最大侧向位移值为0.11%H_e,明显小于文献[7]均值。

　　 逆作区地连墙各测点在各开挖工况下墙体最大侧向位移变化范围为0.27%H_e～0.82%H_e,均值为0.54%H_e,明显大于文献[7]均值0.27%H_e。可见本基坑纯地下室逆作区墙体最大侧向位移值范围远超上海同类型基坑,且其均值约为统计均值的1.9倍。其原因主要是:一方面受施工荷载影响,载重车辆行驶区域均在逆作区; 此外,在Stage3～Stage12工况期间逆作区停滞时间约为12个月,受土体长期蠕变、持续降水及顺作区基坑开挖的影响,逆作区的侧向位移增量相当可观。但若将逆作区地连墙各测点侧向位移量扣除Stage3～Stage12工况期间的侧向位移增量,则墙体最大侧向位移变化范围为0.26%H_e～0.77%H_e,均值为0.38%H_e,与文献[7]均值0.27%H_e较接近。因此,对于类似工程,如逆作区需停工较长时间,宜采取控制逆作区超载、适当增强支撑刚度等措施,以减少逆作区侧向位移。

　　 根据墙后土体地表沉降系列测点(DC1～DC8,DC9～ DC16)所得顺、逆作区随施工开挖的地表沉降分布如图9所示。为仅考虑开挖影响,将逆作区Stage13工况之后的各工况沉降值扣除Stage2～Stage12工况期间发生的蠕变沉降增量,并将这段时间发生的蠕变沉降增量单独绘出。从图中可以看出,顺作区和逆作区的沉降分布形态相似,均呈现凹槽形; 随着施工阶段的推移,地表沉降量逐步增加,且最大沉降量位置随之逐步向坑外发展。顺、逆作区最大沉降(δ_vm)分别为133.2,121.2mm,与邻近的墙体测点P16,P19的最大侧向位移(δ_hm)131.6,111.8mm均十分接近,这与王卫东等^[14]的结论相一致,且与统计结果均值δ_vm=0.9δ_hm接近。如图9中列出的逆作区在Stage3～Stage12工况期间发生的最大蠕变沉降增量为68.8mm,约占38%的总沉降量,表明蠕变引起的侧向位移量相当可观。

　　 图10给出了无量纲化的地表沉降曲线,其中横坐标为墙后某点距基坑的距离d与基坑挖深H_e的比值,纵轴为地表沉降δ_v与基坑挖深H_e的比值。图中给出了顺作区的地表沉降情况,逆作区的总沉降及扣除Stage3～Stage12工况期间发生的蠕变沉降的情况。为了对比,图中还给出了Peck ^[13]根据土层和支撑条件划分的Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ沉降范围和王卫东等^[14]基于上海地区大量沉降统计建议的沉降包络线。从图中可以看出,顺作区和扣除了蠕变的逆作区沉降基本都落在Peck ^[12]建议的Ⅰ区范围内,而逆作区总沉降则与王卫东等 ^[13]建议的包络线范围较为接近。此外,最大沉降点基本处于墙后0.5H_e～0.7H_e的范围内,也与上海地区的统计结果 ^[13]较为一致。

　　 进一步分析墙后土体的位移变化趋势,逆作区测点P19后分布有土体分层沉降测点SCTT1～SCTT3及土体侧向位移测点T1～T3,根据相应监测数据,绘制逆作区墙后土体在Stage2,Stage12,Stage16工况下的位移矢量分布如图11所示。由图11可知,随着施工开挖,墙后土体侧向位移量及沉降值也随之逐步增加,且Stage3～Stage12工况过程中的最大水平和竖向位移增量占总位移比例较大,位移增量随深度及距墙体距离的增加而逐步减小。靠近地连墙的土体水平位移分量明显大于竖向位移分量,而靠近地表的土体竖向位移分量明显大于水平位移分量,且土体竖向位移分量与水平位移分量比值随与地连墙距离的增加而增加。随开挖工况发展,浅层土体沉降的影响范围逐步增加,深层土体的隆起量逐步减小甚至转变为沉降; 且土体最大侧向位移量发生的位置也逐步下移。

　　 位于基坑东南侧距地连墙约27m的杨高路路面沉降监测值分布如图12所示,以中隔墙和外围地连墙交点为分界点,路面沉降呈现出靠近顺作区的凹槽形和逆作区中部略微凸起并向顺作区过渡的沉降分布形态。主要是由于基坑东南侧逆作区地连墙采用刚度大的T形槽段和墙后坑内被动区土体加固措施,而顺作区墙后土体未加固,故顺作区沉降最大值较逆作区要大。又因受到空间效应影响,靠近基坑角部的沉降量偏小。这与测点P1～P9的墙体侧向位移大小分布规律相似。路面沉降量随施工阶段的开展而逐步增加,靠近顺作区、逆作区测点的沉降增量主要发生在对应分区的开挖阶段,而逆作区各测点在Stage3～Stage12工况期间的沉降增量占总沉降量比值的最大值为27%,位于测点LM6。

　　 本文以上海国际金融中心超深大基坑为工程背景,分析了上海软土层中顺逆作分区交叉施工基坑的变形特性,得到如下结论:

　　 (1)顺作区和逆作区外围地连墙各测点的变形规律相似,均随着开挖深度增加而逐步增大,最终变形形态为“纺锤形”。顺作区外围地连墙最大侧向位移均值约为0.34%H_e,略小于上海地区的统计值。而逆作区外围地连墙受逆作区12个月施工暂停期间土体蠕变、持续降水及顺作区基坑开挖的影响,最大侧向位移均值约为0.54%H_e,较上海地区的统计值大得多。中隔墙因墙顶落低,其侧向位移较外围地连墙的侧向位移小得多。

　　 (2)超深大基坑的变形空间效应显著,基坑角部或外围地连墙与中隔墙交点附近的地连墙侧向位移量明显小于基坑中部的侧向位移量。

　　 (3)在顺作区施工而逆作区处于暂停状态期间,受顺作区开挖卸荷及时间效应的影响,逆作区地连墙各测点在此段时间内墙体侧向位移增加显著。而逆作区施工期间,顺作区已完成地下结构施工,由于整体结构刚度大,故逆作区开挖对顺作区地连墙侧向位移影响非常有限。对中隔墙而言,在顺作区开挖时其侧向位移向顺作区坑内逐渐增大,而在逆作区开挖时侧向位移则有向逆作区方向回复的趋势。

　　 (4)顺、逆作区墙后地表沉降分布形态相似,均呈现凹槽形。无量纲化的地表沉降曲线均位于上海地区地表沉降统计的包络线范围内,最大沉降点基本位于墙后0.5H_e～0.7H_e范围内。在顺作区施工而逆作区处于暂停状态期间,逆作区地表沉降发展显著,地表沉降最大增量约占38%的总沉降量。

　　 (5)墙后土体变形矢量分析表明,靠近地连墙的土体水平位移分量明显大于竖向位移分量,而靠近地表的土体竖向位移分量则明显大于水平位移分量。

　　 (6)邻近道路路面沉降量主要发生在对应分区基坑开挖期间,且受围护体刚度、基坑支撑刚度、坑内被动区土体加固、三维空间效应等影响较大。