上海超深地下工作井围护结构比选研究

刘仁勇

（上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海 200235）

1 工程概况

上海硬X 射线自由电子激光装置项目是“十三五”国家重大基础设施项目之一，该项目建成后将成为世界上最顶尖的大科学装置，可为基础科学领域提供最新一代的实验平台。

项目主体工程由五座矩形工作井和十条隧道组成。工作井基坑开挖深度40m 左右，其中五号井最深达到45.45m，是目前上海市最深的基坑之一[1]。工作井基坑尺寸和开挖深度见表1。

表1 硬X 射线自由电子激光装置项目工作井特性表

其中一～二号井坑底已进入⑦1 层第一承压含水层中；三～四号井坑底位于⑤4 层土中，距离⑦层层顶约3m 左右；五号井坑底距离⑤3a 微承压含水层顶仅1m 左右。图1 为一号井工程地质剖面图。

图1 一号井工程地质剖面图

本文主要对本工程围护结构（地下连续墙、止水帷幕）的比选进行阐述。

2 支护形式的选择

经对上海地区超深基坑（非圆形）的调研，围护体系均采用地下连续墙+内支撑的方案，表2 为上海地区超深基坑（非圆形）的成功案例。

表2 上海地区近期超深明挖法基坑案例

该项目实施前上海地区已经成功实施的最深基坑为轨道交通4 号线修复工程，深度超过40m，其余深基坑均小于40m，上述超深基坑采用的围护形式均为1.2m 厚地下连续墙，支撑形式大都采用钢筋砼+钢支撑的方案，最终的围护变形除外环隧道浦西连接井达到130mm 外，其余均在80mm 以内。参照以往工程经验，本工程工作井同样采用地下连续墙+内支撑的围护体系。

3 地下连续墙深度的确定

本工程开挖深度40m 左右，需要对9 层承压水（第二承压含水层）进行降水。地下连续墙的深度，除了满足基坑稳定性与承载力验算的要求外，还需要满足减少降承压水对周边环境影响的要求。本工程周边环境复杂，尤其是正在使用和运营中的上海光源、磁悬浮、拟开通的轨道交通13 号线区间、在建的软X 射线工程等，距离基坑约60～250m，对于地层沉降比较敏感。

为尽量减少对周边环境的影响，本项目基坑降水均采用悬挂式降水，⑨层降水井均采用短滤管形式[2-5]。以五号井为例，通过数值模拟分析，对不同地下连续墙深度条件下，悬挂式降水引起的周边环境变化进行了比较，如图2 所示.

图2 各保护对象处水位降深-地墙深度曲线图

由上述分析可知，五号井地墙深度从84m 加深至90m 时，坑内悬挂式降水引起的周边保护对象处的水位降深递减明显，在90m 加深至100m 时，降水引起的坑外水位降深幅度有所减小。同时通过对磁浮等敏感建（构）筑物沉降的影响分析，建议五号井采用89.8m 深度的地墙。

4 地下连续墙厚度的确定

目前国内普通现浇地下连续墙厚度为0.6m～1.5m。本工程以四号井为例，利用启明星软件，建立了二维模型，分别计算了1.2m、1.3m、1.5m 厚地下连续墙在40m 深基坑工程中的内力和变形。并对这三种厚度的地下连续墙最大内力断面进行配筋计算，详见表3。

表3 地下连续墙对比表

根据以上计算可知：三种厚度的地下墙计算变形均能满足规范要求，配筋基本一致，因地墙厚度不同，地墙含钢量有所差异。

工作井地墙深度约83～90m，根据工程经验，地墙接头形式采用套铣接头。根据对国内市场的调研，目前除1.2m 铣槽机外，只有1.5m 铣槽机是现有设备，1.3m 铣槽机需要进行改造，会对工期有所影响。1.5m 厚地墙工程量比1.2m 增加了约25%，在1.2m 厚地墙能满足安全的前提下，推荐采用1.2m地下连续墙作为围护结构。

工作井为近似正方形的矩形平面布置，有一定的空间效应，利用有限元软件建立三维分析模型计算基坑开挖过程中地下墙的内力[6]，地墙按照各向异性的板壳元模拟，不考虑水平方向传递弯矩，厚度取1.2m。按照分层开挖的工况，分步建立模型，并施加荷载，每一步需考虑上步计算引起的结构变形。基坑开挖到底时，三维计算结果如图3 所示。

图3 四号井基坑开挖三维计算结果

表4 为三维模型与平面模型计算结果对比，可看出，三维模型比平面模型内力与变形略小，利用平面模型计算的结果偏安全。

表4 三维模型与平面模型对比表

5 第二道隔水帷幕的必要性及设计方案

工作井基坑开挖深度极大，地下水处理难度高。虽然采用了地下连续墙围护，套铣接头的形式，但施工中仍然难以避免会出现墙身或接缝渗漏水隐患，借鉴既有的超深基坑经验，可考虑在外围增设一道隔水帷幕。

上海某地块基坑的涌水险情和修复方案说明了上海地区第一承压含水层的危害性，以及增设隔水帷幕的必要性。该项目基坑开挖深度约27.2m，坑底位于⑦-1 层，采用52m 地下连续墙围护，墙趾位于⑦-2 层。在开挖到底时，坑内出现涌水问题，并造成坑外30m 以外的地铁区间、地下管线等出现明显沉降，且不断发展。因此首先通过向坑内注水、回填等措施控制住了险情。随后制定了修复方案：在原地下连续墙外侧重新施作了一道55m 深的地下连续墙，并在新做的地下连续墙外侧增设了一排MJS 隔水帷幕，通过多道隔水帷幕，有效隔断了⑦层承压水向坑内的管涌。

分析地下连续墙渗漏水的成因，渗漏水一般有三方面：第一，墙身施工质量缺陷；第二，接缝施工质量缺陷；第三，由于较大的侧向变形引起墙缝开裂。其中，地下连续墙的墙身混凝土施工质量缺陷可以通过超声波检测甚至取芯来判断，如果不满足防渗要求则可在开挖前进行补强处理；接缝施工质量缺陷可以在开挖前通过抽水试验查明并采取接缝止水措施；但在开挖施工中由于围护较大侧移造成接缝错位引起的渗漏水是无法通过事先的检测进行判断。传统的接缝止水在围护变形后也会产生缝隙。尤其是基坑坑底位于或者接近承压含水层时，地墙内外压差大，在内外压差的作用下，极易通过该缝隙产生涌水，如不及时采取措施，缝隙会逐渐变大，并进一步导致涌水量越来越多。所以更需要外侧的附加隔水帷幕来防止渗漏。

根据已有的深基坑变形经验及基坑开挖计算分析，当坑底土强度较高时，围护最大侧移出现在坑底偏上的位置。硬X 射线工作井基坑深度40m，坑底位于⑦层，该处的围护侧移极易引起接缝处集中渗漏，在巨大的内外压力差下，会导致坑外⑦层承压水的快速补给，产生突涌风险，因此有必要采用第二道隔水帷幕隔断该层。

⑦层以下的⑧-2 层为弱含水层，根据水勘资料，其水平相渗透系数明显高于垂直向，可起到隔断⑨层向⑦层补给的作用。因此建议第二道隔水帷幕进入8 层2～3m，以隔断⑦层水。根据⑦、⑧层土的埋深，各工作井外侧隔水帷幕的深度在65～70m 左右。

经过调研，国内可施工70m 以内隔水帷幕的工法有素砼墙、超深MJS、CSM，以及TRD 工法。其中TRD 工法施工帷幕的连续性更好，隔水效果更佳，施工效率高、费用也相对更低，目前在上海地铁15 号线上海南站站中已有65m 深的成功经验[7]，因此推荐采用TRD 工法作为第二道隔水帷幕。建议实施前先进行试验，验证设备施工能力。

6 结论

（1）本文对硬X 射线自由电子激光装置项目的围护结构（地下连续墙、止水帷幕）的设计方案进行了阐述。通过计算分析，对地下连续墙的深度、厚度进行了比选，保证基坑安全并尽量减少对周边环境的影响。对第二道止水帷幕设置的必要性和设计方案进行了阐述。

（2）本工程对上海地区超深基坑的围护设计提供了经验，对类似工程设计具有一定指导意义。