基坑相鄰分區(qū)同時施工的可行性分析及設(shè)計

賀 翀

上海申元巖土工程有限公司 上海 200011

近年來，隨著地下空間開發(fā)利用的力度逐漸加大，地下室的面積和深度也同時擴(kuò)大。但是在基坑面積和深度增大的同時，也存在基坑危險性增加、基坑變形增大、基坑對坑外的建（構(gòu)）筑物影響加大等不利影響。為保證基坑自身和周邊環(huán)境的安全，當(dāng)某一基坑的面積和深度達(dá)到一定界限，或者基坑鄰近重要保護(hù)對象時，需要采用中隔墻將一個基坑分割成幾個分區(qū)，進(jìn)行分坑開挖。考慮到中隔墻的受力情況及基坑整體變形控制，一般要求一個分區(qū)的地下室結(jié)構(gòu)施工完成后，再開挖鄰近的分區(qū)。但考慮工期等因素，部分工程需要加快地下室施工進(jìn)度，本文探討的即為基坑相鄰分區(qū)同時施工的可行性及設(shè)計要點(diǎn)。

1 基坑相鄰分區(qū)同時開挖的可行性分析

1.1 基坑相鄰分區(qū)同時異步開挖施工工況分析

由上文介紹可知，2個相鄰分區(qū)有多種施工順序。其中，一個分區(qū)地下室結(jié)構(gòu)施工完成之后再開挖鄰近分區(qū)，從支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力角度分析較為安全，但是不利于工期的安排。

陳萍等[1]探討了2個間距較小的相鄰基坑同時開挖的可能性，但是對于同一個基坑的相鄰分區(qū)，在基坑深度比較深的情況下，中隔墻兩側(cè)施工難以做到完全同步，容易對中隔墻造成不平衡推力。另外，相鄰分區(qū)同時同步開挖，2個分區(qū)同時開挖到底后，暴露面積和未分區(qū)的情況相同，仍然會造成基坑內(nèi)較大的隆起變形，加劇圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和對周邊環(huán)境產(chǎn)生影響，即失去了分區(qū)施工的意義。此種工況雖然有利于工期安排，卻不利于基坑安全。

因此，本文探討一種既能確?；影踩?，又有利于工期安排的施工工況：一個分區(qū)首先開挖，待其底板澆筑完成，有效控制坑內(nèi)土體隆起后，再開挖中隔墻側(cè)的另一個分區(qū)，即2個相鄰分區(qū)同時施工，異步開挖。過往的此類項(xiàng)目主要關(guān)注中隔墻和換撐體系的受力和變形情況，筆者認(rèn)為，外側(cè)和內(nèi)側(cè)支護(hù)墻、支撐和立柱體系也要進(jìn)行專項(xiàng)的設(shè)計。

1.2 基坑整體及中隔墻可能的位移情況分析

對于基坑的整體位移，先開挖分區(qū)在開挖階段的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形與單獨(dú)的基坑開挖變形趨勢類似。但是在回筑階段，由于相鄰分區(qū)開始開挖，中隔墻一側(cè)的土壓力降低，故基坑有整體向中隔墻一側(cè)偏移的可能。

對于中隔墻的位移，范凡等[2]經(jīng)過對某基坑的實(shí)測分析表明：中隔墻在先開挖分區(qū)的開挖和回筑工況下，變形不斷增大；后開挖分區(qū)開挖后，中隔墻的變形又不斷減小。中隔墻的位移與基坑的形狀、分區(qū)的面積、基坑的深度、施工工況、結(jié)構(gòu)地下室的剛度等多種因素有關(guān)，還需要經(jīng)過計算綜合分析。中隔墻的位移可能會導(dǎo)致后開挖基坑的支撐體系剛度減小、立柱體系穩(wěn)定性降低，因此對于本文所討論的施工工況，應(yīng)該從中隔墻內(nèi)力、支撐、立柱、換撐體系等多方面進(jìn)行針對性的設(shè)計。

2 基坑相鄰分區(qū)同步開挖的設(shè)計要點(diǎn)

2.1 中隔墻設(shè)計要點(diǎn)

對于一般圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算，采用豎向彈性地基梁法，迎土側(cè)受到水土壓力，迎坑側(cè)的支撐作為彈簧支座。對于本文所討論的工況，中隔墻由一側(cè)受力變成兩側(cè)受力。地下連續(xù)墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計要按照不同的工況，耦合以后取配筋的最大值。本文對后開挖分區(qū)施工時的地下連續(xù)墻進(jìn)行計算，中隔墻采用連續(xù)梁的模式，先開挖分區(qū)已施工的地下室底板及各層結(jié)構(gòu)樓板作為中隔墻受荷過程的支座，采用彈性支座，基底以下地下連續(xù)墻按2.0 m一段劃分（圖1），土彈簧剛度隨著土層的變化調(diào)整。

圖1 計算模型示意

以上海地區(qū)典型土層為背景，分別對比地下2、3、4、5層地下室4種情況。中隔墻受力計算采用上述模型，對于面向先開挖分區(qū)一側(cè)的彎矩，上述4種情況的中隔墻在后開挖分區(qū)施工時，與先開挖分區(qū)施工時的彎矩比值由75%漸變到65%（圖2），而且彎矩最大值的區(qū)域相近，因此該側(cè)的地下連續(xù)墻主筋可以不增加。

圖2 中隔墻最大彎矩對比

面向后開挖一側(cè)的彎矩為先開挖分區(qū)施工時的50%，但是兩者彎矩最大值的區(qū)域不同。在中隔墻兩側(cè)開挖的工況下，墻背側(cè)的最大彎矩位于坑底以上，但是在先開挖分區(qū)的工況下，墻背側(cè)彎矩最大值的區(qū)域在坑底附近。該側(cè)的地下連續(xù)墻在坑底以上區(qū)域的主筋數(shù)量應(yīng)該相應(yīng)增加20%～30%。

在兩側(cè)異步開挖的工況下，地下連續(xù)墻受到的剪力大幅增加，在樓板支座處的剪力甚至增加了50%，該區(qū)域的抗剪鋼筋數(shù)量也應(yīng)相應(yīng)增加。

以地下5層地下室為例，中隔墻采用寬1.2 m地下連續(xù)墻，對比了中隔墻在不同工況下的內(nèi)力包絡(luò)曲線（圖3）。其中：實(shí)線為先開挖分區(qū)施工時中隔墻的彎矩及剪力曲線；虛線為后開挖分區(qū)施工時中隔墻的彎矩及剪力曲線。

圖3 彎矩、剪力對比示意

另外，考慮到后開挖分區(qū)可能整體向中隔墻一側(cè)偏移，在遠(yuǎn)離中隔墻的一側(cè)，應(yīng)加強(qiáng)坑內(nèi)加固的設(shè)置，減小該側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)的變形。

2.2 支撐體系設(shè)計要點(diǎn)

相對于中隔墻，支撐體系分為垂直于中隔墻的支撐和平行于中隔墻的支撐。垂直于中隔墻的支撐所受到的影響，主要為支點(diǎn)由于中隔墻的位移而引起的松動。平行于中隔墻的支撐所受到的影響，主要為由于整體向中隔墻方向的位移，增加了平面內(nèi)的夾角與彎矩，造成了支撐剛度的降低。

2.2.1 垂直于中隔墻的支撐的剛度折減

在傳統(tǒng)的支撐彈性支點(diǎn)剛度計算中，考慮的條件有2種：一種是基坑兩側(cè)條件相近，為對稱開挖；另一種是一側(cè)土壓力較大，另一側(cè)土壓力較小，甚至為已建成地下室，為非對稱開挖?？紤]支撐與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的夾角，對DG/TJ 08-61—2018《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中的支撐剛度計算公式進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，得到：

式中：kR——支撐軸向彈簧剛度；

λ——不動點(diǎn)調(diào)整系數(shù)，對稱開挖時取0.5，非對稱開挖時，土壓力較大一側(cè)取1.0；

αR——與支撐松弛有關(guān)的折減系數(shù)；

E——支撐材料的彈性模量；

A——支撐截面積；

L——支撐構(gòu)件長度；

s——支撐間距；

θ——支撐與圍檁的夾角。

可見，對于后開挖分區(qū)，當(dāng)中隔墻的另一側(cè)地下室施工完成時，不同區(qū)域的支撐剛度相差1倍。眾多設(shè)計人員對上述公式進(jìn)行了研究。姚愛軍等[3]提出基坑兩側(cè)產(chǎn)生不對稱的沉降和位移后，支撐系統(tǒng)隨著不對稱的位移，加劇了偏心受壓，降低了支撐配筋的安全系數(shù)。葛帆等[4]討論了用迭代的方法計算非對稱基坑中支撐剛度的方法，說明基坑兩側(cè)的位移對支撐剛度有較大的影響。王飛陽[5]探討了對于非對稱基坑，由于基坑發(fā)生了整體偏移，土壓力較大的一側(cè)，支撐剛度降低了近80%，土壓力較小的一側(cè)支撐變成了拉桿。

上述的研究模型為基坑兩側(cè)的荷載有明顯差別，導(dǎo)致基坑整體向荷載較小的一側(cè)發(fā)生明顯的偏移。但是在本文討論的工況下，基坑兩側(cè)為整體平衡的狀態(tài)。上海市不同深度、面積后開挖分區(qū)的圍護(hù)側(cè)向變形統(tǒng)計如表1所示。

可見，平行于中隔墻的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移與其他側(cè)的差別為6.6%～20.0%。在同一施工工況下，可以推斷垂直于中隔墻的支撐剛度與其他支撐相比確實(shí)發(fā)生了下降。當(dāng)計算某點(diǎn)的支撐剛度時，可以通過調(diào)整λ值對支撐剛度進(jìn)行折減。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移統(tǒng)計

2.2.2 平行于中隔墻的支撐的剛度折減

支撐桿件除受到軸向壓力外，還同時受到水平向和豎向的彎矩，為偏心受壓構(gòu)件。水平向?yàn)橹螚U件斜交產(chǎn)生的彎矩，豎向?yàn)橹巫灾禺a(chǎn)生的彎矩。同時還有由于施工偏差導(dǎo)致的初始偏心距。但是在本文討論的工況下，還應(yīng)考慮其他附加影響。

陳燾等[6]通過實(shí)測數(shù)據(jù)表明：在立柱隆起較大的區(qū)域，支撐豎向偏壓增加，導(dǎo)致支撐軸力增大，支點(diǎn)剛度降低；同理，平行于中隔墻方向的支撐，由于支撐整體向中隔墻偏移，偏心距增加，支撐剛度隨之降低。在支撐配筋和支撐支點(diǎn)剛度的計算中，應(yīng)考慮上述部分的影響。首先按照本文2.1節(jié)所述，在兩側(cè)異步開挖的工況下，采用連續(xù)梁模式計算出中隔墻的附加變形量Δ，再將此附加變形量Δ計入相應(yīng)的支撐桿件的偏心彎矩進(jìn)行計算（圖4）。

圖4 支撐偏移模型計算示意

在本文討論的施工工況下，應(yīng)該在降低支撐的剛度后，再計算圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。由上文可知，中隔墻一側(cè)的位移會直接影響到支撐的剛度。當(dāng)支撐長度為L，支撐桿件由中隔墻變形發(fā)生的附加變形量為Δ時，支撐與地下連續(xù)墻的夾角增加了θ，根據(jù)公式（1），與無附加變形的支撐相比，支撐剛度的降低為：

因此，增加中隔墻的剛度，在中隔墻先開挖一側(cè)增加臨時斜撐，進(jìn)而減小中隔墻的位移Δ，可以減小支撐剛度的損失[7-9]。

2.2.3 中隔墻兩側(cè)支撐對稱布置

在后開挖分區(qū)的開挖過程中，上部幾層土開挖時，先開挖分區(qū)還處于支撐體系的狀態(tài)，因此中隔墻兩側(cè)的支撐，在平面布置和水平高度上都要對稱設(shè)置，以減小中隔墻受到的剪力和彎矩。

2.3 立柱體系設(shè)計要點(diǎn)

格構(gòu)柱作為豎向承重構(gòu)件，根據(jù)其受力特性應(yīng)按照雙向偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算和強(qiáng)度驗(yàn)算。其中，立柱的軸力為上部各道支撐所產(chǎn)生的恒荷載和活荷載，偏心彎矩考慮由于施工偏差導(dǎo)致的立柱雙向的附加彎矩。對于本文討論的后開挖分區(qū)的格構(gòu)柱，還受到由于支撐體系整體向中隔墻位移，引起格構(gòu)柱的水平位移，增加了格構(gòu)柱的偏心彎矩這一影響。在立柱的設(shè)計中，應(yīng)預(yù)先考慮上述偏心彎矩的影響。對GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中的支撐剛度計算公式進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，得到：

式中：N——立柱的軸向壓力；

Φx——軸向受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)；

A——構(gòu)件截面積；

f——鋼材抗拉強(qiáng)度；

βmx、βty——等效彎矩系數(shù)；

Mx、My——對x軸和y軸的最大彎矩；

W1x、W1y——對x軸和y軸的截面模量；

——系數(shù)，，這里的λx為格構(gòu)柱長細(xì)比；

MΔ——由中隔墻位移引起的格構(gòu)柱的附加偏心彎矩。

考慮立柱的施工控制垂直度為1/200，計算高度取最后一道支撐到底板的距離4～5 m，初始偏心距可取20～25 mm。再考慮中隔墻方向的偏心距Δ，格構(gòu)柱的穩(wěn)定性安全系數(shù)降低了15%，強(qiáng)度安全系數(shù)降低了5%。因此在設(shè)計中要考慮由于中隔墻位移Δ引起的格構(gòu)柱穩(wěn)定性和強(qiáng)度降低，增大角鋼的型號或減小綴板的間距，進(jìn)而降低角鋼的長細(xì)比，避免格構(gòu)柱失穩(wěn)。

2.4 換撐體系設(shè)計要點(diǎn)

換撐體系設(shè)計時，首先應(yīng)對中隔墻兩側(cè)的施工工況進(jìn)行預(yù)估，詳細(xì)分析中隔墻兩側(cè)開挖及回筑的最不利工況。在先開挖基坑跨度最大的位置設(shè)置斜換撐（圖5），一方面可以控制中隔墻的位移及內(nèi)力，有利于中隔墻的鋼筋配置；另一方面減小支撐的整體偏移，增加支點(diǎn)剛度。

圖5 斜換撐示意

本文對比了地下4、5層這2種地下室。其中，地下4層深度20 m，采用厚1.0 m的地下連續(xù)墻結(jié)合4道混凝土支撐。地下5層深度24 m，采用厚1.2 m的地下連續(xù)墻結(jié)合5道混凝土支撐。分別計算上述2種地下室在中隔墻設(shè)置斜換撐和不設(shè)置斜換撐時的情況：在增加斜換撐的情況下，中隔墻背側(cè)彎矩比不設(shè)置斜換撐降低了37%、25%，剪力降低了27%、25%，中隔墻的附加變形降低了40.0%、27.5%。可見，設(shè)置斜換撐相當(dāng)于在中隔墻上增加了一個剛度稍弱的支座，可以極大地改善中隔墻的受力情況，而且對于較淺的基坑作用更加明顯。

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程概況

通過研究上海市某基坑，驗(yàn)證上述結(jié)論。

該工程為4層地下室，分為多個區(qū)施工。圍護(hù)采用地下連續(xù)墻結(jié)合5～6道鋼筋混凝土支撐，中隔墻也采用地下連續(xù)墻。

本次選取其中2個共墻的分區(qū)進(jìn)行分析。2個基坑的面積都為10 000 m2，開挖深度24 m，中隔墻為深50 m的地下連續(xù)墻，采用5道鋼筋混凝土支撐。施工工況為先開挖分區(qū)底板施工完成后，后開挖分區(qū)開始開挖第1道支撐以下的土方（圖6）。

圖6 開挖初始工況

3.2 圍護(hù)體系變形分析

圖7、圖8為中隔墻在后開挖分區(qū)基坑施工階段的側(cè)向位移曲線，選取的中隔墻不同位置的2個點(diǎn)的變形規(guī)律是極為相似的（圖9）。從后開挖分區(qū)開始施工至澆筑第5道混凝土支撐，中隔墻持續(xù)向先開挖基坑方向位移，平均位移為4 mm，占中隔墻總位移的5%。在后開挖分區(qū)繼續(xù)向下施工，挖除最后一層土并施工墊層階段，中隔墻的位移略有減小，平均減小了2 mm。最后，在底板澆筑過程中，中隔墻的位移又略有增加。

綜上，由于共墻分區(qū)同時異步開挖導(dǎo)致的中隔墻平均附加變形為0.017%H（H為基坑深度），說明此種施工方式是可行的。

后開挖分區(qū)平行于中隔墻一側(cè)的平均側(cè)向位移和2個垂直于中隔墻一側(cè)的平均側(cè)向位移均為75 mm，為0.31%H（H為基坑深度），可見其他幾側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形也是可控的。

圖7 監(jiān)測點(diǎn)1中隔墻側(cè)向位移曲線

圖8 監(jiān)測點(diǎn)2中隔墻側(cè)向位移曲線

圖9 中隔墻側(cè)向位移最大值變化曲線

3.3 支撐體系變形及受力分析

本文分別對比了垂直于中隔墻的支撐剛度，平行于中隔墻的支撐剛度以及根據(jù)實(shí)測軸力計算出來的支撐剛度，如表2所示。

表2 各道支撐體系計算剛度與實(shí)測剛度對照

通過上述對比分析可見：平行于中隔墻的支撐計算剛度與實(shí)測剛度基本吻合，平均誤差僅為2%，最大誤差為25%；而垂直于中隔墻的支撐計算剛度與實(shí)測剛度差別較大，約50%，這是因?yàn)樵诶碚撚嬎阒?，考慮該側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體向中隔墻發(fā)生較大的偏移，實(shí)際并未發(fā)生此種情況，造成該側(cè)支撐剛度被低估。因此，在垂直于中隔墻的剖面設(shè)計計算中，支撐剛度的參數(shù)輸入與其他側(cè)相比，不需要進(jìn)行大幅折減。

目前，該工程已經(jīng)順利完成，支護(hù)結(jié)構(gòu)自身和周邊保護(hù)對象的變形都在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)，證明此種基坑相鄰分區(qū)同時異步開挖的工況是可行的。

4 結(jié)語

本文主要討論了基坑相鄰分區(qū)同時開挖的可行性及其設(shè)計要點(diǎn)，主要有以下結(jié)論：

1）基坑相鄰分區(qū)在合理地控制兩側(cè)施工工況的條件下，可以進(jìn)行同時異步施工，從而有效地縮短基礎(chǔ)的施工工期。

2）在同時異步開挖的條件下，中隔墻部分主筋和箍筋設(shè)計時，應(yīng)該耦合不同的工況，適當(dāng)進(jìn)行加強(qiáng)。

3）后開挖分區(qū)的支撐體系應(yīng)該考慮中隔墻位移造成的附加偏心距的影響。

4）格構(gòu)柱的設(shè)計也應(yīng)該考慮中隔墻位移造成的附加偏心距的影響，對角鋼適當(dāng)加強(qiáng)，避免發(fā)生失穩(wěn)。

本文探討的基坑分區(qū)為長寬比接近1∶1的基坑，當(dāng)基坑的長寬比較大時，其支護(hù)體系的變形和內(nèi)力特點(diǎn)還需要深入研究。