基坑開挖與樁基的相互作用分析

逄錦龍

上海隧道工程股份有限公司，上海 200082

基坑是指為了建造建筑物或者構(gòu)筑物的基礎(chǔ)或者地下室而在工程所在地挖開的地下空間。屬于臨時(shí)性工程，主要作用保證建筑物的基礎(chǔ)施工按照設(shè)計(jì)的位置進(jìn)行。隨著我國(guó)高層建筑的大力發(fā)展，基坑工程設(shè)計(jì)越來越重要。基坑與鄰近建筑物的相互作用決定在基坑設(shè)計(jì)時(shí)既要注意基坑開挖時(shí)由于變形導(dǎo)致鄰近建筑物的變形，還要考慮鄰近建筑物對(duì)基坑開挖施工的影響。

1 實(shí)例介紹

本文以無錫地鐵1號(hào)線09標(biāo)南禪寺站基坑開挖與結(jié)構(gòu)制作專項(xiàng)施工方案為主，展開分析。

1.1 工程概況

無錫地鐵1號(hào)線是無錫軌道交通線網(wǎng)中的南北走向的市區(qū)軌道交通線，正線北起自惠山新城的堰橋站，自北向南穿中心城區(qū)，至濱湖區(qū)的雪浪站。線路穿越了無錫市的惠山區(qū)、北塘區(qū)、崇安區(qū)、南長(zhǎng)區(qū)、濱湖區(qū)等五個(gè)城區(qū)。正線全長(zhǎng)29419.519m，共設(shè)車站24座，其中高架站5座，地下站19座。南禪寺站為第11座車站，是1號(hào)線的中間車站，地下二層島式站，該站前方銜接三陽廣場(chǎng)站，后方到達(dá)永豐路站。南禪寺站位于中山路與解放環(huán)路交叉口下，沿中山路地下南北向布置，車站總長(zhǎng)度為369.021m。如圖1所示。

圖1

1.2 主體基坑形式

1.2.1 車站主體

本站基坑的基坑變形控制等級(jí)為一級(jí)。車站主體基坑標(biāo)準(zhǔn)段凈寬21.4m，開挖深度約16m；北端頭井凈寬25.7m，開挖深度約17.9m；南端頭井凈寬26.97m，開挖深度約24m。采用800/1000mm厚地下連續(xù)墻圍護(hù)。

1.2.2 主體圍護(hù)與支撐

本站周邊建筑物和管線眾多，基坑變形保護(hù)控制等級(jí)為一級(jí)。根據(jù)本站的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、周邊情況、基坑安全等級(jí)，選用圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度較大、變形較小，基坑施工對(duì)鄰近建筑與地下管線影響相對(duì)較小，工藝成熟，抗?jié)B止水效果好的地下連續(xù)墻方案。采用800mm（或1000mm）連續(xù)墻+內(nèi)支撐的支護(hù)形式，基坑深度不超過18.0 m的范圍采用800mm厚連續(xù)墻，基坑深度超過18.0 m的范圍采用1000mm 厚連續(xù)墻。連續(xù)墻與主體形成復(fù)合式結(jié)構(gòu)，槽段接頭采用焊接工字鋼。

車站主體基坑支撐體系為：第一道為鋼筋砼支撐，其余均為Φ609、t=16mm鋼支撐。（其中蓋挖段第一道支撐采用1000×1400鋼筋混凝土支撐，其余部分第一道支撐采用800×1000鋼筋混凝土支撐）

北端頭井：設(shè)置五道支撐加一道換撐；

南端頭井：設(shè)置六道支撐加一道換撐（有四道雙拼）；

標(biāo)準(zhǔn)段：3軸-28軸設(shè)置四道支撐加一道換撐，28軸-41軸設(shè)置五道支撐加一道換撐（其中34軸-41軸有一道雙拼）。

1.2.3 樁基工程

本工程采用樁徑Φ900、Φ1200的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)分別為30.0m、33.00m。其中樁徑Φ1200的立柱樁，共45根；樁徑Φ900的立柱樁，共13根，樁徑Φ900的坑拔樁，共54根。

抗拔樁主要分為兩種，一種采用Φ900鉆孔灌注樁，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為30m，主要設(shè)置在立柱底并利用部分460×460格構(gòu)柱樁基礎(chǔ)；另一種采用Φ1200鉆孔灌注樁，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為33m，主要利用部分半蓋挖段600×600格構(gòu)柱樁基礎(chǔ)。

1.2.4 基坑降水

為了方便基坑的開挖作業(yè)，并且保證基坑的安全開挖，我們需要疏干開挖范圍內(nèi)土層中的含水量。同時(shí)，也需要考慮降低車站基坑下部（6）3層及（7）2層承壓含水層的水位。

2 理論聯(lián)系實(shí)際——定量分析

本人根據(jù)自身參與過的以上工程實(shí)例進(jìn)一步說明在實(shí)際項(xiàng)目中，基坑開挖形式的選擇所需要的理論依據(jù)。只有清楚知道基坑開挖對(duì)樁基的具體影響，才能理論聯(lián)系實(shí)際，從根本上解決問題。

2.1 基坑開挖

建筑工程中常用的基坑開挖方法根據(jù)工程條件一般有淺基坑開挖和深基坑開挖兩種方式。在基坑開挖時(shí)一般遵循“開槽支撐，先撐后挖，分層開挖，嚴(yán)禁超挖”的原則，大致意思就是說在基坑開挖之前要先在基坑范圍內(nèi)做好支撐，并且一層一層地開挖，不能超過設(shè)計(jì)基坑深度。同時(shí)，基坑開挖時(shí)不僅要保護(hù)邊坡的穩(wěn)定，還要保持基坑干燥，并對(duì)地下水進(jìn)行有效處理?；娱_挖的主要原則有：

1）基坑開挖遵循分塊、分層、對(duì)稱、平行、留土護(hù)壁開挖原則；2）施工流程展開以合理分段、分塊堅(jiān)持限時(shí)開挖與及時(shí)支撐支護(hù)且保證挖土工作的作業(yè)連續(xù)為原則，快速開挖、快速支撐、連續(xù)施工；3）通過網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃的編制，使得砼支撐養(yǎng)護(hù)期基本不影響基坑開挖，保證挖土作業(yè)連續(xù)、順暢進(jìn)行，快速開挖，快速封底；4）基坑分層分塊放坡開挖時(shí)，邊坡坡度為1：1；5）停滯開挖時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，留坡坡度1：2.5；6）縮短無支撐的暴露時(shí)間，基坑無支撐暴露時(shí)間不能超過10小時(shí)，并在最短時(shí)間內(nèi)使基坑內(nèi)支撐體系形成。

2.2 實(shí)際工程中常見的問題舉例

1）問題1——基坑變形過大，影響周邊環(huán)境

未按設(shè)計(jì)和規(guī)范要求超挖，支撐體系施工不及時(shí)，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形超過規(guī)范要求，從而影響周邊環(huán)境。另外當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的變形時(shí)，地下墻之間的接頭也容易發(fā)生錯(cuò)縫而形成滲漏水的渠道，危害基坑開挖的安全。

主要的預(yù)防措施有：根據(jù)周邊環(huán)境特點(diǎn)，制訂切實(shí)可行的挖土流程。挖土的流程和步驟嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求實(shí)施，嚴(yán)禁超挖。

（1）本工程設(shè)計(jì)基坑支撐第一道為鋼筋混凝土支撐，有利于基坑穩(wěn)定；（2）基坑開挖階段，建立完善、嚴(yán)密的施工監(jiān)測(cè)體系，對(duì)基坑自身變形及周邊地表和建筑物等重點(diǎn)監(jiān)控點(diǎn)實(shí)施24小時(shí)全范圍的施工監(jiān)測(cè)，及時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋指導(dǎo)施工，真正做到信息化施工；（3）深基坑開挖前做好準(zhǔn)備工作：包括專家評(píng)審方案；布置好測(cè)量網(wǎng)點(diǎn)；施工人員全員技術(shù)交底；配置施工機(jī)具、設(shè)備；檢查井點(diǎn)降水效果；確定基坑開挖總體流程。

主要的應(yīng)急措施有：當(dāng)在開挖過程中監(jiān)測(cè)出基坑變形量偏大時(shí)，根據(jù)不同情況分別采取支撐抽條施工、基底加設(shè)臨時(shí)鋼支撐、坑內(nèi)進(jìn)行雙液注漿的被動(dòng)土加固等必要措施。

2）問題2——基坑內(nèi)樁基上浮

工程中樁基都是在基坑開挖之前施工完成的，雖然在施工前對(duì)樁基進(jìn)行了靜荷載試驗(yàn)，但是在基坑開挖過程中還是會(huì)出現(xiàn)問題。在基坑開挖之后，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)基坑坑底彈性回彈造成樁身混凝土被拉斷，造成一定程度的質(zhì)量事故。

在基坑開挖之后，坑內(nèi)的土體會(huì)由于應(yīng)力變化出現(xiàn)松散，由于應(yīng)力的回彈造成樁不受原來靜摩擦力的約束而上移。同時(shí)由于原有樁下部受到土體的約束，產(chǎn)生向下的靜摩擦力，總之就是因?yàn)闃兜纳喜慨a(chǎn)生向上的拉力，而樁的下部產(chǎn)生向下的拉力，最后導(dǎo)致樁本身受到軸向拉力，破壞樁本身的性能?；蛘呤情g接性地影響樁周圍側(cè)摩阻力的發(fā)展方向。主要的預(yù)防措施有：在工程中先完成樁基礎(chǔ)部分施工，再進(jìn)行開挖土方的方法回避基坑坑底土體回彈等一些因素的影響。經(jīng)過不斷的實(shí)踐總結(jié)得出一些深基坑開挖對(duì)土體回彈影響因素的關(guān)系，如：土體的壓縮性和類別、基坑開挖深度、工程中基坑的設(shè)計(jì)平面形狀以及樁本身的數(shù)量、密度和深度等。需要注意的是在一些場(chǎng)地比較狹小或者是基坑平面形狀是長(zhǎng)條形的工程中，對(duì)于基坑的開挖選擇先樁基施工再開挖的順序比較好?？梢娫诨娱_挖過程中，不管是對(duì)于基坑內(nèi)樁基還是鄰近樁基，都會(huì)產(chǎn)生或多或少的影響，以下就基坑開挖和樁基的相互作用進(jìn)行分析討論。

3 基坑開挖對(duì)樁基相互作用一般性分析

隨著城市建筑不斷向高發(fā)展的趨勢(shì)，對(duì)于基礎(chǔ)的要求也隨之增加，基坑為了保證基礎(chǔ)施工的空間條件，也向著大、深的方向發(fā)展。但是在基坑開挖過程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)土體位移情況，對(duì)于基坑本身和鄰近的建筑物會(huì)產(chǎn)生或多或少的影響?；娱_挖與樁基的相互作用總得來說是基坑、土體與樁基三個(gè)體系的相互作用。

首先，土體的下沉?xí)鹬車ㄖ痘c土體之間的負(fù)摩擦力，使得樁基下沉；且鄰近建筑物樁基的樁身在一定范圍內(nèi)受到側(cè)向壓力，樁身軸線偏離原始位置，最終導(dǎo)致鄰近建筑物樁基不均勻下沉破壞基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，影響建筑安全性能和使用壽命。即基坑開挖引起基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和坑底隆起。

其次，土體由于受到側(cè)向壓力的作用而產(chǎn)生一定的附加彎矩和應(yīng)力，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度時(shí)就會(huì)破壞樁基本身，影響樁基所支撐的建筑穩(wěn)定性。影響基坑開挖對(duì)鄰近樁基作用的因素有很多如：基坑自身的開挖深度、基坑邊緣與樁基的距離、樁基本身的剛度、支護(hù)墻的剛度、樁頭約束條件和基坑空間效應(yīng)等。針對(duì)這些因素，具體進(jìn)行控制量討論，得出它們的相互關(guān)系。

基坑開挖深度與鄰近樁基所產(chǎn)生的附加側(cè)移和彎矩成正比，樁身最大彎矩隨著樁基開挖深度的增加而增加且向下發(fā)展，并與開挖深度保持一定的關(guān)系。一般情況下，當(dāng)基坑支護(hù)墻剛度不相同的時(shí)候，基坑開挖對(duì)鄰近樁基產(chǎn)生的影響也不相同，當(dāng)支護(hù)墻剛度比較大的時(shí)候，對(duì)于鄰近樁基的影響反之減小。鄰近樁基由于基坑開挖產(chǎn)生的附加側(cè)移、彎矩與樁基和基坑邊緣之間的距離成反比，但是當(dāng)基坑的開挖深度小于或者等于樁基與基坑邊緣距離時(shí)，鄰近建筑樁基基本不受影響。并且樁基本身的剛度和基坑開挖對(duì)其產(chǎn)生的影響也有關(guān)系，樁基本身剛度越大的話，相互作用產(chǎn)生的影響就越小，當(dāng)鄰近樁基樁頭不能轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，樁頭部位比較危險(xiǎn)，會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩值。對(duì)于基坑開挖的空間效應(yīng)來說，位于基坑長(zhǎng)邊附近的樁基在相互作用時(shí)產(chǎn)生的彎矩較大，反而基坑腳部的樁基基本上不會(huì)受到過大的影響，在實(shí)際工程施工中，完全可以忽略。

圖2通過以上曲線圖（圖2）可以看出立柱樁基與相鄰地墻在基坑開挖過程中的對(duì)應(yīng)關(guān)系，自7月12日基坑開挖之后，立柱樁基與相鄰地墻隨著開挖深度的增加開始逐漸上抬，立柱樁基隆起的量值要大于相鄰地墻的隆起量值，兩側(cè)地墻隆起量基本保持一致。7月12日至8月23日，基坑開挖第二層土，立柱隆起變形及相鄰地墻隆起變形的量值較小，基坑內(nèi)土體錨固作用依然明顯；8月23日至10月25日，基坑開挖第三層土以后，立柱樁基隆起變形及相鄰地墻隆起變形的量值明顯開始增大，表明基坑內(nèi)土體卸載之后立柱樁基存在較大的上抬壓力。為此，在挖土結(jié)束之后，加快了結(jié)構(gòu)底板的施工速度，于11月29日澆筑了此區(qū)域的結(jié)構(gòu)底板。11月29日之后，立柱樁基隆起開始出現(xiàn)收斂趨勢(shì)，立柱樁基隆起量開始出現(xiàn)明顯回落，最后與相鄰地墻的隆起量逐漸趨同。

4 結(jié)論

總之，根據(jù)以上實(shí)例的分析以及理論的研究，充分了解基坑、樁基以及土層之間的影響機(jī)制，針對(duì)不同的具體工程，進(jìn)行周密詳細(xì)的施工設(shè)計(jì)，才能保證在實(shí)際施工中，既滿足基礎(chǔ)所需基坑的條件又減小由于基坑開挖造成對(duì)樁基、土層的影響。

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