超大深基坑施工對(duì)不同基礎(chǔ)類型建筑物影響的控制與分析

陳耀敏

上海市靜安區(qū)建筑建材業(yè)管理中心 上海 200070

1 工程及地質(zhì)概況

1.1 工程概況

上海某基坑工程西鄰淺基礎(chǔ)公寓，南鄰城市支路及高層住宅，北鄰大型公共建筑（圖1）?；娱_(kāi)挖占地面積約43 294 m2。本項(xiàng)目地下共4層，局部2層，開(kāi)挖深度23.1～23.8 m（局部開(kāi)挖深度約13.4 m）。

圖1 背景工程概況

基坑西側(cè)及南側(cè)有大量的多層居民樓，大多建造年代較久，采用淺基礎(chǔ)磚混結(jié)構(gòu)，樓板多采用預(yù)制多孔板，結(jié)構(gòu)構(gòu)造薄弱，整體性差；房屋多存在一定程度的老化損傷現(xiàn)象，部分房屋有一定的地基不均勻沉降，建筑材料老化和房屋維護(hù)不足。部分居民樓距離基坑相對(duì)較近（約10 m），易受到基坑施工影響，應(yīng)作為基坑施工過(guò)程中的重點(diǎn)。

基坑西北側(cè)緊鄰上海馬戲城中劇場(chǎng)（約10.3 m），采用膜結(jié)構(gòu)，對(duì)變形較敏感，基坑開(kāi)挖過(guò)程中需對(duì)其加強(qiáng)保護(hù)。

基坑北側(cè)為5層框架結(jié)構(gòu)，平行基坑方向縱向長(zhǎng)度約150 m，垂直基坑方向橫向?qū)挾燃s20 m。該建筑物縱橫向剛度差異較大，且距離本項(xiàng)目基坑較近（約10.9 m），易受到基坑施工影響。

本項(xiàng)目基坑開(kāi)挖總面積超過(guò)40 000 m2，基地大部分區(qū)域設(shè)4層地下室，大體量的土體開(kāi)挖卸載將對(duì)鄰近的地鐵、居民樓等周邊環(huán)境造成較大影響；同時(shí)由于開(kāi)挖較深，可能需要按需分級(jí)降低承壓水水頭，大體量的抽取承壓水也會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成較大影響。

1.2 工程地質(zhì)條件

場(chǎng)地屬濱海平原型正常沉積區(qū)，受沉積環(huán)境影響，地表下30.0 m深度段地基土層分布基本穩(wěn)定，30.0～75.0 m深度段地基土層變化較大。按地基土層的成因類型、空間分布及土性特征，本次勘探深度范圍內(nèi)的土層自上而下分為11個(gè)主要層次：厚度1.00～5.10 m的雜填土；第②層褐黃-灰黃色粉質(zhì)黏土；第③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土；第④層灰色淤泥質(zhì)黏土；第⑤層灰色黏性土，埋深17.0～18.5 m；第⑥層暗綠-草黃色粉質(zhì)黏土，層頂埋深25.0～33.5 m（場(chǎng)地中部該層埋深較大）；第⑦層草黃-灰色砂質(zhì)粉土及第⑧1層灰色黏土；第⑧2-1層灰色粉質(zhì)黏土與砂質(zhì)粉土互層、第⑧2-1t層灰色粉砂、第⑧2-2層灰色粉砂層；第⑨層灰色中砂；第⑩層灰色粉質(zhì)黏土夾砂及第?層灰色粉砂。

2 鄰近建筑物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

1）多層1、2：房屋為6層住宅樓，標(biāo)高－1.7～16.8 m。房屋主體結(jié)構(gòu)采用磚混結(jié)構(gòu)，承重墻體采用多孔磚和混合砂漿砌筑，縱橫墻交接處設(shè)鋼筋混凝土構(gòu)造柱，各層墻頂設(shè)鋼筋混凝土圈梁，架空層樓板采用鋼筋混凝土預(yù)制多孔板，各層樓屋面板采用鋼筋混凝土預(yù)制多孔板和鋼筋混凝土現(xiàn)澆板。承重磚墻下采用鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)（擴(kuò)大基礎(chǔ)），基底標(biāo)高為－1.7 m，基礎(chǔ)厚度350 mm，墻兩側(cè)擴(kuò)出850～1 400 mm，基礎(chǔ)墊層厚100 mm。

2）多層3、4、5：房屋為6層住宅樓，標(biāo)高－3.0～20.9 m。房屋主體結(jié)構(gòu)采用磚混結(jié)構(gòu)，中部一半面積大小為底層框架結(jié)構(gòu)，承重墻體采用多孔磚和混合砂漿砌筑，縱橫墻交接處設(shè)鋼筋混凝土構(gòu)造柱，各層墻頂設(shè)鋼筋混凝土圈梁，各層樓板采用鋼筋混凝土預(yù)制多孔板和鋼筋混凝土現(xiàn)澆板，中部底層框架對(duì)應(yīng)2層樓板和屋面板采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆板。中部底框區(qū)域框架柱下和兩端磚混區(qū)域承重磚墻下均采用鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)，筏板厚350 mm，基底標(biāo)高－3.0 m，其他區(qū)域采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)厚度40 mm，墻兩側(cè)擴(kuò)出1 100～1 500 mm，基礎(chǔ)墊層厚100 mm。

3）高層1：地上9層，房屋主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)，估計(jì)各層樓屋面采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)，采用樁基礎(chǔ)。

4）高層2：地上5層、地下1層，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，樁基礎(chǔ)。

3 圍護(hù)方案選擇

根據(jù)本工程特點(diǎn)及周邊環(huán)境情況，本著合理、可靠、經(jīng)濟(jì)的原則，因地制宜確定本基坑安全等級(jí)及周邊環(huán)境保護(hù)等級(jí)均為一級(jí)，局部鄰多層淺基礎(chǔ)居民樓側(cè)保護(hù)等級(jí)大于一級(jí)。

研究籌劃將本工程基坑分為多個(gè)區(qū)獨(dú)立交叉、先后施工，以滿足工程需要，控制基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響。鄰近研究對(duì)象一側(cè)的基坑施工順序如下：本工程基坑工程總體分12個(gè)區(qū)順作施工，鄰近建筑物一側(cè)共5個(gè)基坑，分別為1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)、4區(qū)、5區(qū)（見(jiàn)圖1），均為地下4層結(jié)構(gòu)。地下4層外圍采用厚1 200 mm地下連續(xù)墻作為地下室永久結(jié)構(gòu)的一部分，深度49.6～54.6 m；地下4層各分區(qū)交界處臨時(shí)隔斷采用厚1 000 mm地下連續(xù)墻，深度46.6～49.6 m。1區(qū)、2區(qū)基坑共有5 道鋼筋混凝土支撐；3區(qū)、4區(qū)、5區(qū)基坑共有6道支撐，其中第2～4道以φ609 mm×16 mm鋼管支撐為主，局部為混凝土支撐，第5、第6道支撐為鋼筋混凝土支撐（各有1道鋼支撐換撐）。靠近房屋小基坑采用裙邊結(jié)合抽條加固方式進(jìn)行坑底加固，要求加固體強(qiáng)度達(dá)到0.8 MPa。

三軸攪拌樁槽壁加固采用φ850 mm@600 mm，搭接250 mm，樁長(zhǎng)27 m。為保護(hù)居民樓結(jié)構(gòu)安全，本基坑在基坑西側(cè)及南側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)外基地紅線范圍內(nèi)設(shè)置雙排φ350 mm拱形樹(shù)根樁結(jié)合單排φ400 mm樹(shù)根樁作為隔離保護(hù)結(jié)構(gòu)，樁長(zhǎng)28 m。

4 基坑開(kāi)挖方案與實(shí)施

由于基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和周圍環(huán)境要求嚴(yán)格，同時(shí)因鄰近房屋的原因，基坑及地下室施工工期要求非常緊，因此，須采取一種既能更好地保證基坑及周邊環(huán)境安全，又能將工期盡可能縮短的開(kāi)挖方案[1-6]。結(jié)合實(shí)際，各子坑的施工順序如下：首先開(kāi)挖施工1區(qū)；待1區(qū)底板完成澆筑并達(dá)到強(qiáng)度后，回筑時(shí)開(kāi)始開(kāi)挖2區(qū)；待1區(qū)出±0.00 m，且2區(qū)底板完成澆筑并達(dá)到強(qiáng)度后，回筑時(shí)開(kāi)始開(kāi)挖3區(qū)；待2區(qū)出±0.00 m，且3區(qū)底板完成澆筑并達(dá)到強(qiáng)度后，回筑時(shí)開(kāi)始開(kāi)挖4區(qū)；待4區(qū)底板完成澆筑并達(dá)到強(qiáng)度后，回筑時(shí)開(kāi)始開(kāi)挖5區(qū)。

再根據(jù)各子基坑規(guī)模、幾何尺寸、圍護(hù)墻體及支撐結(jié)構(gòu)體系的布置、基坑地基加固和施工條件，按照“分層、分塊、對(duì)稱、平衡、限時(shí)”的原則確定各子坑的分塊方案（圖2）。限時(shí)要求如下：

圖2 各子坑施工分塊

1）1區(qū)、2區(qū)每區(qū)基坑內(nèi)編號(hào)相同的坑邊分塊，從邊坡土方開(kāi)挖到支撐澆筑并與已形成的支撐對(duì)接完畢須控制在24～32 h內(nèi)。最后一層坑邊土方從分塊開(kāi)挖到墊層澆筑完畢須控制在12～24 h內(nèi)，隨挖隨澆墊層，各分塊墊層面積應(yīng)控制在200 m2內(nèi)。

2）3區(qū)、4區(qū)、5區(qū)每區(qū)基坑內(nèi)同編號(hào)分塊，從土方開(kāi)挖到內(nèi)支撐架設(shè)或制作需控制在18 h內(nèi)。最后一層土方從分塊開(kāi)挖到墊層澆筑完畢須控制在12 h內(nèi)，隨挖隨澆墊層，各分塊墊層面積應(yīng)控制在150 m2內(nèi)。

5 周圍環(huán)境監(jiān)測(cè)分析

5.1 房屋變形有限元預(yù)測(cè)分析

5.1.1 ?模型建立

采用二維彈塑性有限元分析方法，模擬基坑體系非線性變形下的坑周地層應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)。建模范圍為基坑及周圍約80 m空間范圍內(nèi)的土體，圍護(hù)和支撐結(jié)構(gòu)均采用彈塑性BEAM單元模式來(lái)模擬。BEAM單元為三節(jié)點(diǎn)平面單元，彈塑性模式可以較好地模擬結(jié)構(gòu)非線性力學(xué)特性。土體采用十五節(jié)點(diǎn)平面單元及硬化土（HS）材料模式來(lái)模擬。部分計(jì)算參數(shù)由以往同類工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反分析求得。計(jì)算中考慮了地面建筑物超載的影響。通過(guò)分荷載步求解來(lái)模擬施工工況，通過(guò)單元的“激活和凍結(jié)”手段來(lái)模擬土體開(kāi)挖和結(jié)構(gòu)澆筑（圖3）。

圖3 總位移等值線

5.1.2 ?計(jì)算結(jié)果

經(jīng)有限元計(jì)算分析，基坑開(kāi)挖對(duì)周邊設(shè)施產(chǎn)生的附加變形影響的計(jì)算結(jié)果為：周邊多層居民樓的水平位移為6.7 mm，豎向位移為13.2 mm。

5.2 房屋變形規(guī)范經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)分析

根據(jù)相關(guān)的技術(shù)規(guī)范，基坑環(huán)境保護(hù)等級(jí)為一級(jí)時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形最大側(cè)移控制在0.18%H（H為基坑開(kāi)挖深度）。對(duì)于板式支護(hù)體系，可采用經(jīng)驗(yàn)方法預(yù)估基坑開(kāi)挖引起的圍護(hù)墻后的地表沉降為圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移的0.8倍，最大沉降點(diǎn)位于距離基坑0.5H位置。在2H位置，最大沉降量為最大值的1/10。由此可預(yù)估坑外地表（建筑物的基礎(chǔ)）最大沉降值為：0.18%×23.1×0.8=33.3 mm。

5.3 房屋沉降實(shí)測(cè)分析

針對(duì)基坑南側(cè)、西側(cè)、北側(cè)房屋，每單元設(shè)置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（角部），每棟房屋4～10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，基坑開(kāi)挖階段監(jiān)測(cè)1次/d，數(shù)據(jù)報(bào)警則2次/d。各基坑開(kāi)挖階段（開(kāi)挖至底板完成）各房屋最大沉降數(shù)據(jù)及最大傾斜值如表1、表2所示。

研究對(duì)象基坑圍護(hù)施工、開(kāi)挖及支撐施工期間，嚴(yán)格按照?qǐng)D紙施工，開(kāi)挖前各方對(duì)開(kāi)挖條件進(jìn)行了驗(yàn)收，均滿足要求。施工過(guò)程中，嚴(yán)格按照分塊及限時(shí)的要求實(shí)施。

1）根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，多層1、多層2在鄰近2區(qū)基坑（0.85H距離）開(kāi)挖的影響下，最大變形量與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值基本接近，房屋沉降量是圍護(hù)變形量的0.45～0.60倍，小于經(jīng)驗(yàn)公式的0.63倍（0.85H距離處，根據(jù)規(guī)范經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)插值計(jì)算得出，下同），主要的原因可能是，在開(kāi)挖基坑2區(qū)期間，房屋與2區(qū)之間有小坑4區(qū)相隔，起到了變形控制的作用；在鄰近4區(qū)基坑（0.45H距離）開(kāi)挖的影響下，房屋沉降量是圍護(hù)變形量的0.28～0.43倍，小于經(jīng)驗(yàn)公式的0.8倍，主要的原因可能是，4區(qū)基坑為窄坑，且采用了自動(dòng)應(yīng)力補(bǔ)償裝置，每一分塊的施工時(shí)間大大縮短。但多層1、多層2總的變形量為38.8～56.3 mm，是基坑開(kāi)挖深度的0.168%～0.244%，同時(shí)是規(guī)范經(jīng)驗(yàn)要求的圍護(hù)變形量的0.93～1.36倍，比經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果33.3 mm有一定的超出（1.2～1.7倍），而比有限元分析結(jié)果13.2 mm要超出數(shù)倍（2.9～4.3倍）。

表1 各房屋最大沉降數(shù)據(jù)及最大傾斜（1區(qū)、2區(qū)開(kāi)挖階段）

表2 各房屋最大沉降數(shù)據(jù)及最大傾斜（3、4、5區(qū)開(kāi)挖階段）

2）根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，多層4、多層5在鄰近1區(qū)基坑（0.85H距離）開(kāi)挖的影響下，最大變形量與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值相比已經(jīng)超出較多，房屋沉降量是圍護(hù)變形量的0.76倍左右，略超出經(jīng)驗(yàn)公式的0.63倍；在鄰近3區(qū)基坑（0.45H距離）開(kāi)挖的影響下，房屋沉降量是圍護(hù)變形量的1.4倍左右，同樣超出經(jīng)驗(yàn)公式的0.8倍，雖然3區(qū)也為窄坑，且也采用了自動(dòng)應(yīng)力補(bǔ)償裝置。多層4、多層5總的變形量為104.9～110.4 mm，比經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果33.3 mm要高出較多（約3.2倍），與有限元分析結(jié)果13.2 mm相比要超出數(shù)倍（約8倍）。

3）根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，高層1在鄰近2區(qū)基坑（1.4H距離）開(kāi)挖的影響下，房屋沉降量是圍護(hù)變形量的0.45倍左右，遠(yuǎn)高出經(jīng)驗(yàn)公式的0.1倍；在鄰近5區(qū)基坑（1H距離）開(kāi)挖的影響下，房屋沉降量是圍護(hù)變形量的0.13倍左右，遠(yuǎn)低于經(jīng)驗(yàn)公式的0.66倍。高層1總的變形量為31.5 mm，與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果33.3 mm較為接近，比有限元分析結(jié)果13.2 mm有一定量的超出。

4）根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，高層2在鄰近1區(qū)基坑（0.5H距離）開(kāi)挖的影響下，房屋沉降量是圍護(hù)變形量的1.3倍左右，高出經(jīng)驗(yàn)公式值的0.8倍。高層2總的變形量為83.6 mm，比經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果、有限元分析結(jié)果均超出較多。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)上海某地下4層深基坑工程圍護(hù)變形、周邊房屋變形進(jìn)行了分析研究，根據(jù)數(shù)據(jù)分析我們發(fā)現(xiàn)：

1）設(shè)計(jì)有限元計(jì)算得出的坑外沉降數(shù)據(jù)是極為理想的結(jié)果，實(shí)際中，因?yàn)橹蜗到y(tǒng)形成不可避免地需要一定時(shí)間（挖土、鋼筋、模板、混凝土施工及混凝土養(yǎng)護(hù)），變形必然會(huì)更大，特別是體量大的基坑工程，又有大量土方挖去之后的坑底隆起變形而導(dǎo)致坑外土體的“流動(dòng)”，施工前需引起足夠重視。

2）對(duì)于超大深基坑，利用分坑技術(shù)處理后，坑外淺基礎(chǔ)房屋最大沉降量與圍護(hù)變形量的關(guān)系實(shí)測(cè)值均基本接近規(guī)范經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)；無(wú)分坑保護(hù)的建筑物，即使為有樁基的房屋，其沉降變形與圍護(hù)變形的比例值也遠(yuǎn)大于規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值，這既說(shuō)明分坑技術(shù)在基本變形控制中的作用，同時(shí)又說(shuō)明：規(guī)范經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)于超大超深坑外建筑物的變形預(yù)測(cè)已經(jīng)很不準(zhǔn)確，背景工程的沉降量與圍護(hù)變形量比例值已經(jīng)超出規(guī)范經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)62.5%。

3）對(duì)于超大深基坑，利用分坑技術(shù)處理后，對(duì)有樁基的房屋沉降變形控制非常有效，其沉降變形與圍護(hù)變形的比例值也遠(yuǎn)小于規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值（背景工程為1/3），累計(jì)絕對(duì)值也達(dá)到規(guī)范經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的較優(yōu)值。

4）同為淺基礎(chǔ)的房屋，基礎(chǔ)形式接近的情況下，其單位面積的自重即高度（背景工程中多層1、多層2總高度18.5 m，多層4、多層5總高度23.9 m）對(duì)其沉降影響巨大（背景工程差值約1倍），而不均勻沉降差別不大（均在0.15%～0.20%范圍）。