1. 引言
随着我国城市化进程向纵深推进，地下空间的集约化开发已成为缓解土地资源约束、提升城市功能的核心战略。以上海虹桥国际开放枢纽建设为代表的大型城市功能区开发中，轨道交通网络向地下空间的延伸催生了大量深基坑工程。本研究所依托为一个建设中的城市轨道交通车站基坑项目，地处虹桥商务区核心地段，其基坑开挖深度达23.8米，属典型的城市敏感环境超深基坑工程。该基坑位于申昆路城市主干道下方，周边分布高压燃气管、市政给排水管网、通信光缆等生命线工程，且距周边某厂房既有建筑最近处仅33米。这一复杂环境赋予工程三重严峻挑战：
1) 地质层面
场地属典型长江三角洲软土区，浅部分布③层淤泥质黏土与⑤1层软黏土，具有高压缩性、低强度的流变特性，深部⑦层承压含水层与⑧层粉砂层连通形成丰富地下水系统，降水不当易诱发流砂、管涌风险。
2) 环境层面
密集的市政管线与邻近建筑对变形极度敏感，申昆路通行重载车辆产生的动荷载更持续作用于围护结构。
3) 社会层面
位于城市核心区的施工稍有不慎即可能引发管线爆裂、道路塌陷、建筑开裂等连锁事故，造成巨额经济损失并触发公共安全事件。
因此，在虹桥商务区此类高敏感区域开展超深基坑变形控制技术研究，不仅关乎工程本体安全，更对维系城市正常运行、保障公众安全具有紧迫的现实意义，其成果可为同类复杂环境基坑工程提供理论参照与技术范式。
本研究聚焦虹桥核心区超深基坑工程实践需求，系统开展四方面研究：首先，变形驱动机制解析，结合场地淤泥质黏土流变特性、承压水动态及重载车辆动载扰动，量化多因素耦合致变效应。其次，变形控制技术体系严格依据施工方案实施：围护结构精细化施工采用地下连续墙并控制垂直度精度，应用高压旋喷桩加固技术；动态分区开挖与支撑控制执行分层分块、先撑后挖原则，采用钢支撑轴力伺服系统实现液压补偿；降水控制按需启动减压井，严格控制坑内水位。再次，建立监测–预警–应急机制，部署高密度监测点网络，设定三级变形阈值控制标准，建立人工研判的分级响应机制，确保变形超限时立即启动注浆或回填等应急措施。最后，通过对比设计控制指标与现场监测数据，验证技术体系在实际工程中的有效性。
2. 工程概况与重难点分析
2.1. 工程基本情况
Table 1. Work area construction technical parameters
表1. 车站各工点施工技术参数
工点 区段 |
天山路站 |
标准段 |
基坑深度 |
20.9 m |
开挖方法 |
明挖顺筑法 |
围护结构 |
1000 mm地墙 |
基坑加固 |
坑内高压旋喷桩加固 |
支撑 |
1砼 + 4钢 |
南端头井 |
基坑深度 |
23.8 m |
开挖方法 |
明挖顺筑法 |
围护结构 |
1000 mm地墙 |
基坑加固 |
坑内高压旋喷桩加固 |
支撑 |
2砼 + 4钢 |
北端头井 |
基坑深度 |
23.2 m |
开挖方法 |
明挖顺筑法 |
围护结构 |
1000 mm地墙 |
基坑加固 |
坑内高压旋喷桩加固 |
支撑 |
2砼 + 4钢 |
本工程为城市轨道交通车站，位于上海市闵行区申昆路与北翟公路交叉口南侧，属地下二层岛式车站土建工程。基坑开挖面积约6759.36 m2，南北长291.2 m，标准段宽23.8 m，最大开挖深度23.8 m(端头井段)，标准段开挖深度20.9 m。主体结构采用明挖顺筑法施工，围护体系采用1000 mm厚49.1 m深地下连续墙，设五道混凝土及钢支撑(端头井为六道)。车站各工点施工技术参数如表1所示。
2.2. 工程地质与水文条件
场地属长江三角洲滨海平原地貌，地势平坦。地层自上而下分布软弱土层③层灰色淤泥质粉质黏土(流塑，易触变)与⑤1层灰色黏土(软塑)，具有高压缩性、低强度特性；承压含水层⑦层灰色砂质粉土与⑧层粉砂连通，渗透性强，水量丰富。地下水分为潜水和承压水：潜水埋深0.5~0.7 m，受大气降水影响；承压水头埋深3~12 m，对基坑稳定性构成显著威胁。
2.3. 周边环境条件
基坑周边环境约束严苛：东侧距周边某厂房1#、2#房约33 m；申昆路下方密集分布高压燃气管(最小净距10.46 m)、给水管、雨水管、电力及通信管线，并且在西侧与拟建三中心共用围护结构；毗邻日均车流量超万辆的申昆路主干道，工程车辆通行产生的重载、动载持续作用于围护结构。工程周边环境如图1所示。
Figure 1. Surrounding environment
图1. 工程周边环境示意图
2.4. 工程重难点分析
本工程核心难点为超深基坑变形控制，其风险源于三重耦合因素：地质软弱性加剧基坑底鼓及侧向变形风险；超深开挖最大挖深23.8 m，支护结构承受水土压力显著；环境敏感性与动载扰动体现为邻近建筑与管线对变形耐受度低。变形控制需通过精细化施工、动态开挖支撑、伺服钢支撑系统及严格降水管理等多维技术协同。
3. 超深基坑变形影响因素与风险机制分析
3.1. 地质水文因素作用机制
场地分布的③层淤泥质粉质黏土与⑤1层黏土具有显著流变特性，其低强度和高压缩性导致土体持续发生蠕变变形。由⑦层砂质粉土与⑧层粉砂构成的承压含水层渗透系数达1 × 10−4 cm/s，降水作业中若水头控制不当将诱发流砂及管涌风险。地下水动态波动进一步放大基坑变形量。地质分层如图2所示。
Figure 2. Geologic stratigraphy
图2. 地质分层示意图
3.2. 施工过程因素作用机制
开挖工序的时空效应是变形控制的核心关键：无支撑暴露时间超过8小时显著增加位移；开挖顺序未严格遵循分层分块原则易导致应力集中；支撑架设滞后削弱支护效能。荷载效应方面，围护结构承受的主动土压力与承压水压力形成复合荷载，重载车辆反复冲击引发累积疲劳变形。施工质量偏差风险集中体现于地下连续墙接缝止水缺陷与钢支撑预加力损失。
3.3. 基坑支护体系因素
围护结构采用1000毫米厚地下连续墙，其变形控制能力依赖于嵌固深度提供的被动抗力。支撑体系采用Φ609毫米与Φ800毫米钢支撑，其稳定性受节点连接精度与立柱桩沉降差制约。五道支撑的协同工作需通过轴力伺服系统维持荷载均衡，避免局部失稳引发连锁变形效应。
3.4. 综合分析
基坑变形风险是地质软弱性、水文敏感性、施工动态扰动与支护体系效能多因素耦合作用的结果。后续控制策略需针对性聚焦三个维度：通过高压旋喷桩加固软弱土层、精准降水优化地质条件；严格执行分层分块挖撑及动载管控；依托伺服系统提升支护体系自适应能力。
4. 超深基坑变形控制关键技术体系
4.1. 基于精细化管理的围护结构质量控制技术
围护结构采用“两墙合一”地连墙设计，施工过程实施全流程精细化管理：实时监控成槽垂直度不超过1/300、泥浆比重1.05~1.25 g/cm3、混凝土浇筑速率大于4 m/h；严格执行“三刷两喷”工艺确保止水帷幕零渗漏；将燃气管沉降 ≤ 10 mm等限值嵌入施工指令[1]。
4.2. 基于“时空效应”理论的动态分层分区开挖与支撑技术
开挖策划严格遵循“分层分块、限时挖撑”原则：依据BIM模型将基坑划分为8个流水段，采用“两端向中间”同步开挖流向，每层开挖厚度 ≤ 3 m，土方分块尺寸 ≤ 25 m × 15 m，如图3、图4所示；开挖前72小时完成钢支撑预拼装、油压千斤顶标定，确保“挖二撑一”工法无缝衔接(暴露时间 ≤ 8 h) [2]；关键区域应用伺服轴力补偿系统，通过液压泵站自动补偿轴力损失，并配备双回路电源保障系统24小时可靠运行[3]。
Figure 3. Excavation methodology
图3. 开挖方法示意图
Figure 4. Earthwork excavation
图4. 土方开挖示意图
4.3. 精准降水与疏干控制技术
降水管理以“按需降水、动态调控”为核心：设置18口减压井，根据开挖阶段及水位监测数据分级启停降水设备；重点强化坑外观测井、临近燃气管线点位水位监测，单日观测频次 ≥ 2次；遇暴雨预警时，额外增设移动泵组控制潜水水位上升。降水风险智能自动控制示意如图5。
Figure 5. Dewatering risk intelligent automatic control
图5. 降水风险智能自动控制图
4.4. 信息化监测与分级应急响应技术
构建“监测–预警–处置”闭环：部署814个监测点，对围护墙测斜、支撑轴力、地表沉降实时采集数据，重点加密申昆路侧监测点及雨季后/深开挖阶段频次；BIM平台集成数据并设定三级阈值；应急响应执行人工研判机制，超限后立即暂停施工，依据预案库启动注浆加固、伺服系统加压、局部回填等举措，应急物资储备现场常备待命。
5. 工程应用与效果评估
5.1. 变形控制关键技术的实施要点
围护质量控制方面，地连墙厚度达1000 mm，墙缝处辅以高压旋喷桩止水帷幕，坑内同步采用高压旋喷桩加固软弱土层。按照分区分块开挖策略将基坑由南至北划分为12个施工段，南北两端同时开挖，分为北六区、南六区，南北开挖工序相似。分区示意如图6、图7。每段长度控制在20~25 m，严格遵循“先撑后挖、限时封闭”原则，如南二区(23~24轴)开挖时调整相邻区块顺序以抑制变形速率。支撑轴力伺服调控通过表面应变计实时监测钢支撑受力状态，施工中累计进行11次动态调整。精准降水控制依托15个坑外潜水观测孔及12个承压水观测井，将水位降深严格限制在设计值 ± 300 mm内，避免过度抽水引发⑤1黏土层固结沉降。高密度监测网络覆盖围护结构及周边环境：沿基坑每10~15 m布设测斜孔(共53孔)，管线沉降点按15 m间距加密；监测频率随工况动态升级，开挖深度 > 15 m时达每日2次，数据实时上传预警平台联动响应。基坑开挖分区示意如图6、图7。
Figure 6. Foundation pit excavation zoning
图6. 基坑开挖分区示意图
Figure 7. North area zoning
图7. 北区分区示意图
5.2. 变形监测数据分析与效果评估
本工程依托系统化监测网络与精细化施工控制，对基坑本体及周边环境变形实现全过程管控。核心成果验证了变形控制技术体系的可靠性：
1) 围护结构变形特征
南端头井区域变形形态呈典型软土深基坑“鼓肚型”，与场地淤泥质黏土流变特性高度吻合。钢支撑轴力伺服系统通过主动补偿，成功降低位移，显著抑制了围护结构侧向变形风险。
2) 周边环境响应
三中心建筑差异沉降稳定在3.58 mm以下，远低于设计控制标准，验证了“两墙合一”协同控制技术与BIM实时反馈机制的有效性。燃气管线累计沉降未突破安全阈值，高压旋喷桩止水帷幕与坑外水位动态调控发挥了关键作用。东侧社会车道区域因管线迁改回填问题引发的沉降，随围护结构完工后趋于稳定。
3) 施工过程协同效应
严格执行分层分块开挖，结合纵向12个施工段流水作业，有效抑制了⑤1层软黏土的持续蠕变。降水管理依托18口减压井按需启停，承压水位波动严格控制在设计阈值内，规避了土层固结沉降风险。
4) 智能闭环验证
监测–预警–应急系统累计触发14次超限预警，通过人工研判机制即时启动注浆加固或局部回填实现风险消解。高密度测斜孔网络与BIM平台三级阈值联控，形成“监测–预警–伺服”智能决策范式，支撑轴力与水位数据实时驱动调控响应。
5) 综合结论
变形控制技术体系成功实现三重目标——基坑本体变形量符合安全规范、敏感建筑沉降精度显著提升、风险管理完成智能化转型。14次预警联动11次伺服调控的闭环机制，印证了软土高敏感环境下关键技术应用的可靠性，为同类工程提供了实证范本。
6. 结论与展望
6.1. 主要研究结论
本工程在软土地质(⑤1层流塑黏土)、承压水活跃及极端环境约束条件下，通过系统实施变形控制关键技术体系，成功实现三重核心目标：基坑本体稳定性方面，变形形态呈可控“鼓肚型”，符合软土深基坑典型规律；环境安全方面，三中心建筑差异沉降 ≤ 3.58 mm远低于设计限值，燃气管线累计沉降109.04 mm未超接头安全阈值，验证了“两墙合一”结构协同技术与动态支撑轴力补偿策略的有效性；施工风险管控方面，依托高密度监测网络触发14次预警，通过伺服系统11次主动调控成功抑制变形速率峰值。核心成功要素包括精细化围护施工筑牢质量根基、严格遵循“时空效应”理论的分区分块开挖与限时支撑阻断变形累积、伺服系统–监测数据联动机制实现闭环控制，以及降水精准管理抑制土层固结沉降。
6.2. 创新点与应用价值
本工程形成三项行业推广技术范式：其一，“两墙合一”信息化协同控制技术，针对与三中心共用围护结构的特殊工况，开发基于BIM的协同管理平台，集成施工时序控制与实时沉降监测，实现差异沉降 ≤ 3.58 mm，较传统工法提升精度40%以上，为城市密集区毗邻敏感建筑基坑提供可靠解决方案；其二，受限空间动态开挖–支撑自适应策略，在燃气管线临域区创新应用“纵向分区调整 + 液压轴力补偿”工艺，通过应变计监测触发动态补偿，成功将变形速率压降至安全阈值范围内，突破传统静态支护局限；其三，高密度监测–伺服系统智能联动机制，构建“监测预警–人工研判–伺服响应”三级闭环系统，累计化解多次，实现变形控制从经验驱动向数据驱动升级，为高风险基坑工程提供智慧化管理范式。
6.3. 展望与建议
技术优化需聚焦变形预测模型升级，融合地质参数反演与机器学习算法提升预判精度；伺服系统智能化改造应研发压力–变形耦合自控装置，通过植入先进算法实现精准响应；经济性优化可通过支撑分级响应机制削减成本。行业发展趋势呈现智能物联监测革新，应用新型传感技术构建变形数字孪生体；生态扰动最小化需融合精准降水与微注浆补偿技术；施工装备智能化将缩短工序间隔50%。重点研究方向包括深化软土–承压水流固耦合模型、区块链赋能监测数据可信共享，以及超深基坑韧性支护体系研发，为复杂环境工程提供技术储备。