基坑開挖對(duì)臨近建筑物樁基影響因素分析及控制措施＊

曹純博

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142）

1 引言

隨著中國(guó)城市軌道交通的高速發(fā)展及地下空間的不斷開發(fā)利用，在城市建（構(gòu)）筑物較密集區(qū)域的大型基坑工程不斷增多，所以，因基坑開挖導(dǎo)致周邊建（構(gòu)）筑物破壞的案例不斷增多。基坑的開挖一般會(huì)引發(fā)場(chǎng)地附近范圍應(yīng)力場(chǎng)的重新分布及周圍土體的位移，對(duì)臨近樁基礎(chǔ)產(chǎn)生負(fù)摩阻力，引起樁下沉，尤其是樁基的不均勻下沉使上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致建筑物的質(zhì)量下降或破壞。因此，探討合理的基坑支護(hù)方案，采取一定的措施控制樁基沉降與變形有著重大的安全意義。

本文依托某地鐵明挖區(qū)間及出入口基坑工程，以Midas GTS有限元軟件作為工具進(jìn)行分析，模擬基坑開挖過程，驗(yàn)證該工程安全性，研究基坑開挖對(duì)鄰近建筑物樁基礎(chǔ)的影響，探討影響因素與保護(hù)措施。

2 工程概況

2.1 場(chǎng)地概況

該場(chǎng)地原始地貌為臺(tái)地，因城市化建設(shè)，場(chǎng)地已經(jīng)過人工改造，現(xiàn)狀地形較為平坦。

臨近基坑建筑物一為地上三層，地下一層框架結(jié)構(gòu)建筑。基礎(chǔ)采用直徑0.8～1.5 m的樁基礎(chǔ)，距離區(qū)間最近剖面的樁基間距為10.7 m。與明挖區(qū)間圍護(hù)結(jié)構(gòu)最小水平凈距約14.5 m。與出入口標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)最小平面距離9.7 m，與敞口段圍護(hù)結(jié)構(gòu)最小水平距離4.8 m。

臨近基坑建筑物二為地上三十一層剪力墻結(jié)構(gòu)建筑，基礎(chǔ)型式為樁基礎(chǔ)。與明挖區(qū)間圍護(hù)結(jié)構(gòu)最小平面距離為14.8 m，樁基礎(chǔ)邊緣與明挖區(qū)間圍護(hù)結(jié)構(gòu)距離為17.0 m。

2.2 基坑工程概況

臨近建筑物部分區(qū)間基坑長(zhǎng)度約69 m，基坑深度為12.6～29.5 m，基坑寬度為17.3～41.3 m，基坑底部大部分位于微風(fēng)化灰?guī)r中。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用Φ1 200 mm@900葷素咬合樁，嵌固深度2 m，設(shè)置四道支撐（局部設(shè)置三道支撐）。第一道至第三道為混凝土支撐，尺寸分別為1 000 mm×1 000 mm、1 000 mm×1 200 mm、1 000 mm×1 200 mm；第四道為鋼支撐，直徑800 mm，壁厚20 mm。

出入口為地下一層明挖基坑，長(zhǎng)40.1 m，基坑深13 m。該基坑采用明挖法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用Φ800@600葷素咬合樁+內(nèi)支撐體系。第一道為混凝土支撐，尺寸為1 000 mm×1 000 mm；第二道為鋼支撐，直徑609 mm，壁厚16 mm。

2.3 水文地質(zhì)概況

場(chǎng)地地層由上至下依次為：上覆第四系全新統(tǒng)人工素填土，第四系全新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土，第四系殘積層粉質(zhì)黏土；下伏石炭系砂巖，全風(fēng)化-微風(fēng)化。巖石較完整，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定。

場(chǎng)地地下水主要有三種類型：一是松散巖類孔隙水，主要賦存于第四系松散地層中；另一類為基巖裂隙（構(gòu)造裂隙）水，主要賦存于塊狀強(qiáng)風(fēng)化、中等風(fēng)化帶及斷裂構(gòu)造裂隙中，略具承壓性；第三類是巖溶水，主要賦存于碳酸鹽溶洞及溶（裂）隙中，具有承壓性，水量豐富。

3 有限元計(jì)算與分析

3.1 模型簡(jiǎn)介

利用MIDAS GTS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分別建立兩個(gè)模型依次分析基坑開挖對(duì)臨近兩幢建筑物的影響。

將咬合樁等效為板墻圍護(hù)體系，有利于有限元軟件中模型的建立和網(wǎng)格的劃分。咬合樁雖然由單個(gè)樁體并成，但其受力形式與地下板墻結(jié)構(gòu)類似，按照兩者剛度相等的原則進(jìn)行計(jì)算。

為消除邊界效應(yīng)，模型一X方向長(zhǎng)度取150 m，Y方向長(zhǎng)度取60 m；模型二X方向長(zhǎng)度取200 m，Y方向長(zhǎng)度取60 m。土體采用修正摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，修正摩爾庫(kù)倫模型改善了莫爾庫(kù)倫本構(gòu)關(guān)系，是由Schanz（1998）開發(fā)的適用于模擬軟土和硬土的最新材料本構(gòu)關(guān)系，巖土強(qiáng)度采用三軸試驗(yàn)剛度、三軸卸載剛度和固結(jié)儀荷載強(qiáng)度描述，可以比莫爾庫(kù)倫本構(gòu)更準(zhǔn)確地模擬地基。結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型。將上部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為均布作用在承臺(tái)上的單元面壓力荷載。以遠(yuǎn)離基坑的方向依次給建筑物一樁基標(biāo)號(hào)1～5號(hào)；給建筑物二樁基標(biāo)號(hào)1～9號(hào)。

根據(jù)實(shí)際施工安排，進(jìn)行施工步驟設(shè)計(jì)，施工步驟為：①平衡初始應(yīng)力，清零位移；②明挖區(qū)間基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工；③明挖區(qū)間基坑第一道支撐施工（挖土、支撐布置）；④明挖區(qū)間基坑第二道支撐施工（挖土、支撐布置）；⑤明挖區(qū)間基坑第三道支撐施工（挖土、支撐布置）；⑥明挖區(qū)間基坑第四道支撐施工（挖土、支撐布置）；⑦明挖區(qū)間基坑開挖至坑底；⑧明挖區(qū)間施作結(jié)構(gòu)底板；⑨明挖區(qū)間施作結(jié)構(gòu)中板（拆除三、四支撐，施作側(cè)墻、中柱、中板）；⑩明挖區(qū)間施作結(jié)構(gòu)頂板（拆除二支撐、頂柱、頂板）；?明挖區(qū)間結(jié)構(gòu)施工完畢，回填至地表平面（拆除一支撐、回填土體）；?出入口圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工；?出入口一支撐施工（挖土、支撐布置）；?出入口二支撐施工（挖土、支撐布置）；?出入口開挖至坑底；?出入口結(jié)構(gòu)施作，拆除一、二支撐，覆土回填。

3.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，明挖區(qū)間基坑開挖至坑底時(shí)，建筑物一的相鄰樁基最大差值為1號(hào)和2號(hào)柱基的豎向位移差值5.5 mm；建筑物二的相鄰樁基最大差值為1號(hào)和2號(hào)柱基的豎向位移差值2.5 mm。出入口基坑開挖至坑底時(shí)，建筑物一的相鄰樁基最大豎向位移差為1號(hào)和2號(hào)柱基的差值5.8 mm；建筑物二的相鄰樁基最大豎向位移差為1號(hào)和2號(hào)柱基的差值2.6 mm。

根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中5.3.4規(guī)定，民用建筑相鄰柱基的沉降差不應(yīng)超過0.002L，L為相鄰柱基的中心距離（mm）。因無(wú)精確的建筑物一、二的具體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、建造時(shí)間及既有變形等資料，參照其他工程，將變形控制指標(biāo)指定為：相鄰柱基沉降差小于等于0.001L，數(shù)值分別為10.7 mm、6 mm。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，該風(fēng)險(xiǎn)在可控范圍內(nèi)。

3.3 影響因素分析

3.3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)樁基沉降影響分析

為分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)樁基沉降的影響，分別取Φ800 mm@600、Φ1 000 mm@750、Φ1 200 mm@850、Φ1 200 mm@900、Φ1 300 mm@900五種咬合樁方案進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明，樁基沉降隨圍護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸的增加而減小，當(dāng)樁徑小于1 200 mm時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)樁基沉降的影響較大；當(dāng)樁徑大于1 200 mm時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)樁基沉降的影響不明顯。這表明對(duì)于本工程而言，1 200 mm的樁徑已較為合適，過度增加圍護(hù)樁樁徑并不能進(jìn)一步明顯控制基坑臨近建筑物樁基變形的作用。

3.3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度對(duì)樁基沉降影響分析

為分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度對(duì)樁基沉降的影響，分別取1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m五種嵌固深度進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明，樁基沉降隨嵌固深度的增加而減小。當(dāng)嵌固深度小于2 m時(shí)，其對(duì)樁基沉降的影響較大；當(dāng)嵌固深度大于2 m時(shí),其對(duì)樁基的沉降基本沒有影響。這表明過度增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度并不能起到有效控制基坑近鄰建筑物樁基變形的作用。

4 保護(hù)措施

基坑臨近建筑20 m范圍內(nèi)微風(fēng)化巖巖層采用數(shù)碼雷管爆破開挖或機(jī)械開挖，同時(shí)控制振速不大于2 cm/s。

施工期間加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，預(yù)留注漿管，必要時(shí)進(jìn)行跟蹤注漿加固。跟蹤補(bǔ)償注漿施工方法及注意事項(xiàng)為：①基坑開挖會(huì)引起周邊建筑物不均勻沉降，當(dāng)不均勻沉降值達(dá)到報(bào)警值時(shí)，需在建筑物沉降大的一側(cè)進(jìn)行跟蹤注漿。②跟蹤注漿采用在房屋沉降大的一側(cè)布置Φ60袖閥管，袖閥管水平間距1～2 m，通過袖閥管對(duì)房屋基礎(chǔ)壓注水泥漿，通過做注漿試驗(yàn)，如漿液采用普通水泥可注性差，可考慮采用超細(xì)水泥。③袖閥管注漿采用鉆機(jī)成孔，預(yù)埋管徑Φ60 mm的袖閥管，注漿時(shí)分段進(jìn)行，對(duì)需要注漿的部位進(jìn)行針對(duì)性的注漿。④注漿前需進(jìn)行注漿試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定最終注漿參數(shù)。⑤跟蹤補(bǔ)償注漿的注漿參數(shù)，注漿壓力為0.2～0.3 MPa，漿液擴(kuò)散直徑為1.5 m。通過做注漿試驗(yàn)，如漿液采用普通水泥可注性差，可考慮采用超細(xì)水泥。注漿孔施工順序以及注漿順序應(yīng)跳段跳孔施作，注漿加固后的地層的孔隙填充率不小于80%。⑥注漿過程必需加強(qiáng)對(duì)房屋變形的監(jiān)測(cè)，防止注漿次生災(zāi)害的產(chǎn)生。

加強(qiáng)基坑支護(hù)剛度，控制基坑施做時(shí)的自身變形。從上文中可知，適當(dāng)增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸、圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度可對(duì)控制臨近建筑物樁基沉降產(chǎn)生一定的效果，可考慮采用混凝土桁架支撐體系。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以某地鐵明挖區(qū)間及出入口基坑為實(shí)例，按照工程實(shí)際施工方案，運(yùn)用Midas GTS有限元軟件進(jìn)行模擬分析，探討了基坑工程中保護(hù)臨近建筑物的措施與影響效果，得出以下結(jié)論：①對(duì)本工程按原設(shè)計(jì)施工進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》及其他工程作為參照，臨近建筑物的樁基沉降量在可控范圍內(nèi)。由此可以看出本基坑開挖項(xiàng)目的支護(hù)圍護(hù)體系滿足要求，且對(duì)基坑周邊建筑物的保護(hù)起著關(guān)鍵性的作用。②樁基沉降隨圍護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸的增加而減小。對(duì)本工程而言，當(dāng)樁徑大于1 200 mm時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)樁基沉降的影響不明顯。③樁基沉降隨圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度的增加而減小。對(duì)本工程而言，當(dāng)嵌固深度大于2 m時(shí)，其對(duì)樁基的沉降影響很小。過度增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度并不能起到有效控制基坑近鄰建筑物樁基變形的作用。④可采取臨近建筑范圍內(nèi)微風(fēng)化巖巖層采用數(shù)碼雷管爆破開挖或機(jī)械開挖、施工期間加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、預(yù)留注漿管進(jìn)行跟蹤注漿加固等措施保護(hù)臨近開挖基坑建筑物。