隔離樁對(duì)地鐵深基坑鄰近建筑物保護(hù)機(jī)理研究

鄭鳳先

（1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，200433，上?！喂こ處煟?/p>

隨著上海城市軌道交通的發(fā)展，大量的地鐵深基坑工程出現(xiàn)在城市建筑物密集地區(qū)。軟土地區(qū)基坑開(kāi)挖引起的坑外地表沉降非常顯著，過(guò)大的地表沉降導(dǎo)致鄰近建筑物出現(xiàn)沉陷、傾斜乃至結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，影響建筑物的使用安全。因此，對(duì)基坑鄰近建筑物的保護(hù)已成為上海地區(qū)基坑工程的一個(gè)重要課題。隔離樁作為一種有效的基坑鄰近建筑物保護(hù)措施，其應(yīng)用日漸增多。但是對(duì)其機(jī)理和規(guī)律的研究相對(duì)較少。文獻(xiàn)［1］提出隔離樁的長(zhǎng)度和剛度對(duì)控制土體變形有影響作用；文獻(xiàn)［2］介紹了成都地鐵2號(hào)線某車(chē)站基坑鄰近建筑物保護(hù)的實(shí)例。本文以上海某地鐵基坑鄰近建筑物保護(hù)的實(shí)際工程為背景，采用有限元軟件較為全面地分析了隔離樁樁長(zhǎng)、樁體剛度和隔離樁位置對(duì)保護(hù)建筑物沉降控制的影響，歸納出對(duì)工程具有參考意義的結(jié)論。

1 工程概況

1.1 水文地質(zhì)

上海軌道交通11號(hào)線某車(chē)站位于浦東新區(qū)，擬建場(chǎng)地的地形平坦，屬濱海平原地貌類(lèi)型。場(chǎng)地位于古河道地層沉積區(qū)，其北側(cè)存在少量暗浜，深度約為3m。場(chǎng)地土層分布自上而下依次為：①1填土，①2淤泥，②1褐黃～灰黃色黏土，③1灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，③2灰色黏質(zhì)粉土，③3灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，④灰色淤泥質(zhì)黏土，⑤11灰色黏土，⑤1A灰色砂質(zhì)粉土，⑤12灰色粉質(zhì)黏土夾粉砂，⑤2灰色砂質(zhì)粉土，⑤3灰色粉質(zhì)黏土，⑦2草黃～灰色粉砂，⑦2A草黃～灰色粉質(zhì)黏土。擬建場(chǎng)地淺部地下水屬潛水類(lèi)型，地下水位埋深為0.60～2.00m。根據(jù)詳細(xì)勘察資料，本場(chǎng)地⑤1A、⑤2層為微承壓水層，⑦層為承壓含水層。

1.2 基坑與鄰近建筑物

擬建車(chē)站為雙柱三跨（局部單柱雙跨）混凝土箱形結(jié)構(gòu)。其標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度約為16.5m，坑底位于④層灰色淤泥質(zhì)黏土中。圍護(hù)采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐的形式。需保護(hù)的鄰近建筑物位于基坑?xùn)|北側(cè)（見(jiàn)圖1），系三層磚砌結(jié)構(gòu)，目前為私立幼兒園，距離基坑約17m。此建筑物主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）保護(hù)建筑物為三層磚砌結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)，持力層土質(zhì)較差，建筑抗沉降和抗傾斜能力弱，在降水試驗(yàn)和先期導(dǎo)墻施工階段，墻體已經(jīng)出現(xiàn)大量裂縫。

2）保護(hù)建筑物距基坑較近，最近處為17m。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，基坑開(kāi)挖引起的地表沉降影響范圍大約為兩倍基坑深度，因此，建筑物處于開(kāi)挖影響范圍之內(nèi)，地表沉降引起的建筑物變形無(wú)法避免。

3）保護(hù)建筑物具有特殊的商業(yè)用途，建筑的安全非常重要。若采用大規(guī)模地基注漿或斜樁加固的方式將會(huì)引起恐慌，影響正常經(jīng)營(yíng)，經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)負(fù)面效應(yīng)較嚴(yán)重。

綜合各因素，鄰近建筑物保護(hù)方案采用基坑圍護(hù)外設(shè)置隔離樁的方式。隔離樁采用φ800mm＠1 000mm的鉆孔灌注樁。

圖1 地鐵基坑與鄰近建筑物關(guān)系圖

2 有限元計(jì)算

2.1 模型建立

地鐵基坑長(zhǎng)寬比很大，可以作為平面問(wèn)題分析。雖然只有基坑一側(cè)存在受保護(hù)建筑物，模型并不嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)，但經(jīng)過(guò)試算，采用全模型分析與半模型分析相比對(duì)計(jì)算結(jié)果差異性很小，且半模型分析可顯著節(jié)省計(jì)算時(shí)間，因此本文采用半模型分析。為消除邊界尺寸對(duì)計(jì)算的影響，模型長(zhǎng)度取90m，高度80 m，基坑深度16.7m，地下連續(xù)墻深度35m。鄰近建筑物距基坑邊的距離為17m。計(jì)算模型中土體采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元模擬，地下連續(xù)墻與隔離樁用Plate單元模擬，地下連續(xù)墻與土、隔離樁與土的接觸采用界面單元模擬，隔離樁經(jīng)等剛度代換得到等效Plate單元厚度，支撐采用彈簧單元（Anchor）模擬，支撐剛度根據(jù)實(shí)際支撐材料參數(shù)經(jīng)計(jì)算得到。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型圖

土體模型采用Plaxis提供的Harding Soil Model。這種模型可以反應(yīng)土體剛度依賴(lài)應(yīng)力和應(yīng)變水平的特性，可以很好地模擬在基坑開(kāi)挖過(guò)程中土體加載－卸載導(dǎo)致的土體性狀變化，能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)基坑變形的情況［4］。但是該土體模型也帶來(lái)土體參數(shù)方面的問(wèn)題，Plaxis HS模型主要的土體剛度參數(shù)有：參考?jí)嚎s模量Erefoed，參考割線剛度Eref50，參考卸荷再加荷模量Erefur，泊松比μ，剛度應(yīng)力水平冪指數(shù)m，剪脹角Ψ，反映土體與地下連續(xù)墻接觸面的參數(shù)Rinter。這些土體參數(shù)并不會(huì)在地質(zhì)勘察報(bào)告中給出。本文將土層①、②合并為新的①層，⑤11、⑤1a、⑤12、⑤2合并為新的⑤層，并根據(jù)文獻(xiàn)及上海本地經(jīng)驗(yàn)選取土體參數(shù)，詳見(jiàn)表1。

表1 土層參數(shù)

2.2 計(jì)算工況

有限元模擬分為11個(gè)計(jì)算工況，首工況為幼兒園三層建筑物建成后，進(jìn)行5年的固結(jié)計(jì)算，將計(jì)算所得建筑沉降清零，避免工后固結(jié)沉降對(duì)隔離樁分析結(jié)果造成影響。其余計(jì)算工況完全按照基坑分層開(kāi)挖的實(shí)際情況設(shè)置，先開(kāi)挖變形后加支撐。初始水位為地面下1m，并在計(jì)算中修正水位線，以反映基坑降水引起的地下水位變化?；又苓叧d取20kPa。

3 對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果分析

3.1 基坑鄰近建筑物保護(hù)機(jī)理分析

基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑物造成的影響，主要是由基坑開(kāi)挖引起的坑外地表沉降，由此引起建筑物的變形。變形導(dǎo)致的附加應(yīng)力使建筑物出現(xiàn)大量裂縫而威脅正常的使用。引起地表沉降的主要原因有：

1）基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變位導(dǎo)致坑外土體往基坑方向移動(dòng)；

2）基坑開(kāi)挖卸荷導(dǎo)致坑底部土體發(fā)生回彈隆起，從而引起坑外側(cè)土體沉降補(bǔ)充。

從地表沉降產(chǎn)生的因素分析，保護(hù)基坑鄰近建筑物的方法實(shí)質(zhì)是控制基坑開(kāi)挖引起的水平變位和坑底隆起。這可通過(guò)增加支撐道數(shù)，加強(qiáng)支撐剛度，坑底加固，遵循時(shí)空效應(yīng)原理快挖快撐等方式加以控制。這些措施對(duì)一般的鄰近建筑物是可以滿(mǎn)足保護(hù)要求的，但由于本工程中基坑鄰近建筑物的特殊性，對(duì)其保護(hù)要求非常嚴(yán)格。經(jīng)綜合考慮，本工程用隔離樁作為保護(hù)措施。隔離樁的機(jī)理實(shí)質(zhì)是控制建筑物基底的土體位移。通過(guò)設(shè)置隔離樁穿過(guò)土體變形可能的滑移面，提供抗滑移的力，隔離建筑物與基坑引起的土體位移場(chǎng)，從而減少建筑物側(cè)的土體變形，達(dá)到保護(hù)建筑物的目的（見(jiàn)圖3）。

圖3 隔離樁作用機(jī)理圖

3.2 隔離樁處理效果影響因素分析

通過(guò)上述對(duì)隔離樁工作機(jī)理的分析可知，隔離樁必須穿過(guò)土體滑移面才會(huì)發(fā)揮較好的沉降控制效果，因此，這里有三個(gè)因素需要分析：隔離樁樁長(zhǎng)，隔離樁設(shè)置位置，隔離樁的剛度。這三個(gè)因素綜合影響隔離樁的作用效果，為了防止三個(gè)影響因素相互影響，在分析一個(gè)影響因素時(shí)，保持其他兩個(gè)因素條件不變。

3.2.1 隔離樁樁長(zhǎng)對(duì)沉降控制的影響

首先分析樁長(zhǎng)對(duì)隔離樁處理效果的影響。隔離樁采用φ800mm＠1 000mm鉆孔灌注樁，距離保護(hù)建筑物5m，距基坑12m；按隔離樁樁長(zhǎng)0m、10m、15m、20m、25m、30m、35m、40m變化 ，分析樁長(zhǎng)變化對(duì)建筑物沉降、地下連續(xù)墻最大彎矩產(chǎn)生的影響。本文所提到的建物沉降，均指差異沉降，即幼兒園建筑物距離基坑最近點(diǎn)（記為A點(diǎn)）與最遠(yuǎn)點(diǎn)（記為B點(diǎn)）的沉降差值。圖4給出了樁長(zhǎng)與差異沉降的關(guān)系曲線。由圖4可以看出，樁長(zhǎng)對(duì)建筑物差異沉降的影響非常顯著，隨著樁長(zhǎng)的增加，差異沉降明顯減小。樁長(zhǎng)也存在一個(gè)最優(yōu)長(zhǎng)度，隔離樁樁長(zhǎng)從0到15m增加時(shí)，差異沉降減小有限，曲線斜率很??；樁長(zhǎng)增加到15～25m時(shí)，曲線斜率明顯增大，樁長(zhǎng)對(duì)差異沉降的影響顯著；當(dāng)樁長(zhǎng)大于25m時(shí)，差異沉降曲線再次變得平緩。圖5反映了樁長(zhǎng)與地下連續(xù)墻最大彎矩的關(guān)系，其與樁長(zhǎng)對(duì)差異沉降的影響規(guī)律非常接近。隨著樁長(zhǎng)的增加，地下連續(xù)墻的最大彎矩減小，當(dāng)樁長(zhǎng)在15～25m區(qū)間變化時(shí)，地下連續(xù)墻最大彎矩減小明顯；而樁長(zhǎng)超過(guò)25m時(shí)，地下連續(xù)墻的最大彎矩基本保持不變?？梢詮闹械玫浇Y(jié)論：隔離樁的長(zhǎng)度對(duì)鄰近建筑物差異沉降的影響比較明顯，樁長(zhǎng)過(guò)短，不能很好地發(fā)揮擋土效應(yīng)，對(duì)差異沉降的控制有限；樁長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，則不夠經(jīng)濟(jì)。因此，確定合理的樁長(zhǎng)非常重要。

圖4 隔離樁樁長(zhǎng)與建筑物差異沉降關(guān)系圖

圖5 隔離樁樁長(zhǎng)與地下連續(xù)墻最大彎矩關(guān)系圖

3.2.2 隔離樁設(shè)置位置對(duì)沉降控制的影響

隔離樁設(shè)置的位置（設(shè)樁長(zhǎng)為20m）對(duì)控制沉降也有很大的影響。圖6顯示的是隔離樁距被保護(hù)建筑物2m、5m、8m、11m、14m、16m變化時(shí)，建筑物差異沉降的變化規(guī)律。從圖6可以看出：隔離樁距離建筑物越遠(yuǎn)，保護(hù)建筑物的差異沉降越大，并在距離為14m時(shí)差異沉降達(dá)到最大，此時(shí)隔離樁距離基坑圍護(hù)地下連續(xù)墻為3m；當(dāng)隔離樁與建筑物的距離繼續(xù)增加時(shí)，即距離基坑更近時(shí)，圖6中曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折，差異沉開(kāi)始有一定程度的減小。隔離樁距離保護(hù)建筑物近時(shí)，差異沉降小是因?yàn)楦綦x樁將基坑開(kāi)挖導(dǎo)致的坑外土體變位在一定程度上作了隔離；而隔離樁靠近基坑時(shí)之所以再次出現(xiàn)差異沉降變小的趨勢(shì)，是因?yàn)楦綦x樁與地下連續(xù)墻的距離很小時(shí)，樁與地下連續(xù)墻以及兩者之間的土體構(gòu)成一種類(lèi)似排架的“復(fù)合”圍護(hù)結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于大幅增加了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度，因此基坑變位較小，坑外土體的不均勻沉降也隨之變小。從圖7中可以看出，隔離樁的位置與地下連續(xù)墻最大彎矩兩者接近單向線性關(guān)系，隨著隔離樁靠近基坑，地下連續(xù)墻的最大彎矩持續(xù)減小。這是由于隔離樁離基坑越近，樁與地下連續(xù)墻的協(xié)同作用越強(qiáng)，隔離樁對(duì)土壓力的分擔(dān)越多，因此地下連續(xù)墻的彎矩減小。

綜合隔離樁的位置對(duì)鄰近建筑物差異沉降的影響可以看出，隔離樁靠近被保護(hù)建筑物和靠近基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)雖然都可以減小基坑開(kāi)挖引起的地表不均勻沉降，但是隔離樁設(shè)置在距保護(hù)建筑物較近位置上的效果更好。在圖6中，隔離樁距建筑物為2m時(shí)的建筑物差異沉降小于隔離樁距建筑物為16m時(shí)的建筑物差異沉降。隔離樁距保護(hù)建筑物也不能過(guò)近，必須考慮隔離樁施工對(duì)保護(hù)建筑物可能產(chǎn)生的影響。

圖6 隔離樁位置與建筑物差異沉降關(guān)系圖

3.2.3 隔離樁剛度對(duì)沉降控制的影響

圖7 隔離樁位置與地下連續(xù)墻最大彎矩關(guān)系圖

在φ800mm＠1 000mm鉆孔灌注樁剛度的基礎(chǔ)上進(jìn)行增減，以研究剛度變化對(duì)建筑物差異沉降的影響（設(shè)隔離樁距幼兒園5m，距基坑12m，樁長(zhǎng)為20m）。圖8中給出的是隔離樁樁體剛度對(duì)沉降控制的影響。為了表示方便，特做如下定義：圖8橫坐標(biāo)中1代表φ800mm＠1 000mm鉆孔灌注樁換算得到的板單元?jiǎng)偠龋?.1代表將此剛度折減為十分之一，橫坐標(biāo)中2代表剛度增大1倍，以此類(lèi)推。分析圖8中曲線可以發(fā)現(xiàn)，隔離樁的剛度與差異沉降控制有明顯的相關(guān)性：隔離樁的剛度太小，差異沉降較大，保護(hù)效果有限；隨著剛度的增大，當(dāng)達(dá)到1時(shí)，曲線趨于平緩；若剛度繼續(xù)增加，其對(duì)差異沉降的控制貢獻(xiàn)不明顯。隔離樁剛度與地下連續(xù)墻最大彎矩的相互規(guī)律與上述中剛度－差異沉降的規(guī)律非常接近（見(jiàn)圖9）：隔離樁剛度增大時(shí)地下連續(xù)墻的最大彎矩減?。幌鄬?duì)剛度達(dá)到1左右時(shí)，曲線斜率已很小，地下連續(xù)墻的最大彎矩趨于穩(wěn)定；再繼續(xù)增加剛度，差異沉降幾乎不受影響。

圖8 隔離樁剛度與建筑物差異沉降關(guān)系圖

4 有限元計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比

圖9 隔離樁剛度與地下連續(xù)墻最大彎矩關(guān)系圖

實(shí)際采取的建筑物保護(hù)方案為：隔離樁選擇φ800mm＠1 000mm鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)20m，隔離樁距離幼兒園約為5m?；邮┕ぶ?，為加強(qiáng)對(duì)幼兒園的監(jiān)測(cè)和保護(hù)，在其周?chē)苍O(shè)置16個(gè)測(cè)點(diǎn)。這里選取比較有代表性的2個(gè)測(cè)點(diǎn)F21與F22（見(jiàn)圖10）。其中F21距離基坑最近為17m，F(xiàn)22距離基坑約38m。實(shí)際監(jiān)測(cè)表明，在基坑的施工過(guò)程當(dāng)中，F(xiàn)21產(chǎn)生的沉降最大值約為20.2mm，F(xiàn)22則比較小，約為11.8mm。現(xiàn)以差異沉降為參照，對(duì)比基坑施工各工況下實(shí)際監(jiān)測(cè)沉降值和有限元計(jì)算所得沉降值。為方便表達(dá)，圖11中曲線的橫坐標(biāo)數(shù)字表示基坑開(kāi)挖到相應(yīng)支撐時(shí)的工況。比如：1代表基坑開(kāi)挖第一層土并架設(shè)第一道支撐；2代表基坑開(kāi)挖第二層土并架設(shè)第二道支撐；其余依此類(lèi)推；5代表開(kāi)挖到基坑底。從圖11中可以看出：監(jiān)測(cè)值在第四道支撐架設(shè)之前，實(shí)際建筑物的差異沉降比計(jì)算值要小，其原因可能是由于二維的有限元分析，未能反映基坑變形的空間效應(yīng)，造成計(jì)算結(jié)果偏大；而到開(kāi)挖后期，監(jiān)測(cè)的建筑物差異沉降明顯增加，這是由于后期局部施工段底板澆注因大雨在一定程度上延誤了工期，底板剛度沒(méi)有及時(shí)形成。總體上，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的2條曲線趨勢(shì)基本相同?；邮┕み^(guò)程中，監(jiān)測(cè)到的建筑物最大差異沉降達(dá)到8.4mm，這個(gè)差異沉降值與建筑物安全容許差異沉降相比還很小。因此，隔離樁對(duì)基坑臨近建筑物的保護(hù)效果是顯著的。

圖10 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖11 差異沉降計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)隔離樁的有限元分析計(jì)算和實(shí)際工程監(jiān)測(cè)值的對(duì)比，可得到以下結(jié)論：

1）隔離樁對(duì)鄰近基坑的建筑物保護(hù)有顯著的效果，可以很好地控制被保護(hù)建筑物的差異沉降。

2）隔離樁必須有合理的樁長(zhǎng)，應(yīng)穿過(guò)基坑開(kāi)挖引起的坑外土體滑裂面，才能得到比較好的沉降控制效果。

3）隔離樁設(shè)置的位置應(yīng)盡量合理地靠近被保護(hù)建筑物，同時(shí)要考慮到施工對(duì)建筑物造成的不利擾動(dòng)。

4）隔離樁應(yīng)該具備一定的剛度才能發(fā)揮保護(hù)作用，本文通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，推薦隔離柱采用直徑不小于600mm的鉆孔灌注樁。

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