軟土地區(qū)緊鄰建筑物的大型深基坑支護技術

余成書 張 旭

1. 中鐵一局集團有限公司 陜西 西安 710054;2. 同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司 上海 200092

在基坑工程領域，我國已進入了跨越式發(fā)展階段。一方面，基坑工程的規(guī)模越來越大；另一方面，基坑工程向超深方向發(fā)展。

同時，城市的環(huán)境條件日趨復雜，基坑周邊建（構）筑物密集、管線繁多、地鐵縱橫交錯，基坑工程需滿足嚴格的變形控制要求，由基坑開挖引起的環(huán)境保護問題日益突出[1]。

在樓群密集區(qū)，時常遇到要開挖的新基坑與已有的建筑物距離很近，且新開挖的基坑深度大于周邊地下室深度的情況。在開挖這類基坑時，坑邊土體的變形及周邊建（構）筑物的變形成為了關注的重點。這不僅要了解基坑開挖影響范圍內(nèi)土體的分布狀況，還需了解周邊建（構）筑物的結(jié)構形式、基礎形式、使用的要求等，以便合理地確定變形控制指標。

若周邊建（構）筑物基礎形式為天然地基上的獨立基礎，建筑物的上部荷載均作用于淺層地基上，則對開挖較為不利。

若周邊建（構）筑物基礎形式為樁基礎，理論上，周邊建（構）筑物上部荷載通過工程樁傳至深層土體，不會對基坑產(chǎn)生額外荷載。但同時也應考慮因基坑開挖卸荷引起坑邊土體向坑內(nèi)變形時，對周邊建（構）筑物工程樁側(cè)向穩(wěn)定性的影響。

在我國的沿海、沿江地區(qū)，其工程建設影響深度范圍內(nèi)普遍存在一定厚度的軟土。軟土一般具有含水量高、抗剪強度低、壓縮性高、流變性顯著等特點，基坑開挖難度大。這對基坑支護結(jié)構的安全性、變形控制提出了更高的要求。

本文以平潭高鐵站前城市綜合體項目深基坑工程為背景，采用數(shù)值計算的方法研究了緊鄰建筑物基坑支護的設計方法，并通過基坑監(jiān)測結(jié)果分析基坑的變形規(guī)律，以期能夠得到基坑支護體系、周圍建筑物和土體的受力和變形特性，從而為類似基坑開挖的設計、施工、監(jiān)測等作業(yè)提供參考。

1 工程概況

平潭高鐵站前城市綜合體項目位于福建省平潭高鐵站西側(cè)，用地面積約21萬 m2。地上為多棟多層建筑，地下設置1層整體地下室、局部設2層地下室，基礎形式為樁基礎＋防水板。2層地下室區(qū)域基坑開挖深度為11.06 m，1層地下室區(qū)域基坑開挖深度普遍為7.46 m。

本工程分兩期施工，一期基坑整體呈┨形，東西向最大尺寸400 m，南北向最大長度465 m。基坑周長約1.8 km，開挖面積約14萬 m2。

基坑南、北、西三側(cè)為規(guī)劃道路，需考慮基坑開挖與道路施工交叉作業(yè)?；訓|面緊鄰已建高鐵站房，站房為地上多層建筑，無地下室?；又ёo結(jié)構均不可進入周邊道路路基與建筑地基。

場地地貌屬海積平原，土層厚薄不一，基坑開挖影響范圍土層由上至下依次為素填土、淤泥質(zhì)土、粉砂、黏土、淤泥質(zhì)土、強風化花崗巖（砂土狀）、強風化花崗巖（碎塊狀）。

基坑開挖深度影響范圍內(nèi)土體軟弱、力學強度低，土層厚薄不一，起伏大。場地地下水豐富，素填土主要接受大氣降水及含水層側(cè)向徑流補給，該層透水性、富水性一般，水量一般。淤泥質(zhì)土和黏性土的透水性較差，富水性較差，表現(xiàn)為相對隔水層。粉砂層含水層透水性中等，富水性中等。

2 基坑支護總體設計

根據(jù)工程條件與設計條件，通過多方案技術與經(jīng)濟性對比分析，確定本基坑工程的總體支護模式為：場地開闊區(qū)域采用放坡的開挖模式；地下1層區(qū)域采用灌注樁加1道內(nèi)支撐的支護模式；地下2層區(qū)域采用灌注樁加2道內(nèi)支撐的支護模式。支護模式布置如圖1所示。

圖1 基坑支護總體布置

止水帷幕沿周邊閉合，樁體穿透高滲透性的粉砂層，進入其下相對不透水層不小于2 m。坑內(nèi)設降水管井，1層地下室區(qū)域降水管井間距30～40 m，2層地下室區(qū)域降水管井間距約20 m?；油庋卦O排水溝，排除坑內(nèi)地下水，防止雨季地表匯水流入基坑。

3 緊鄰建筑物處基坑支護技術

3.1 支護模式

基坑東側(cè)的高鐵站房基礎形式為樁基承臺，承臺及基礎拉梁頂標高均為－0.10 m。此處基坑開挖深度為9.76 m，坑底位于淤泥質(zhì)土層及粉砂層。基坑開挖面距東側(cè)已建高鐵站房基礎邊緣僅4.2 m，距站房2層挑梁邊緣僅1.9 m，基坑支護結(jié)構施工空間狹小。站房為本基坑工程需重點保護的建筑，基坑安全等級為一級。

支護結(jié)構必須有足夠的嵌固深度，以滿足基坑穩(wěn)定性的要求[2]。對于深厚軟土基坑，應特別重視抗隆起和整體穩(wěn)定的驗算，支護結(jié)構的嵌固深度一般要求進入相對較好的土層且不少于1 m。本處基坑側(cè)壁結(jié)構采用φ1 000 mm@1 200 mm鉆（沖）孔灌注樁，樁端嵌于強風化花崗巖層方可滿足坑底抗隆起和穩(wěn)定性的要求，支護樁長約32 m。通常止水帷幕優(yōu)先采用攪拌樁來實現(xiàn)，但攪拌樁機械較大，無法進入狹小區(qū)域施工，故此處止水帷幕選用φ800 mm@550 mm高壓旋噴樁。為控制基坑變形，保護站房結(jié)構，采用φ800 mm@600 mm高壓旋噴樁進行坑內(nèi)裙邊加固，加固平面寬度為5 m，加固深度為坑底之下5 m，水泥摻量為25%，坑底之上3 m為低摻量回摻區(qū)，水泥回摻量為12%。因支護結(jié)構不可進入站房地基內(nèi)，故錨桿不可用，需設置內(nèi)支撐。本基坑工程面積超大，若采用水平內(nèi)支撐方式，則存在支撐過長、傳力效果不佳、支撐量大等問題。故采用盆式開挖方案，支撐采用豎向斜撐，規(guī)格為2φ609 mm×16 mm鋼管支撐，支撐間距約8 m，支撐牛腿設于先期施工的基礎底板上。由于基坑開挖深度大，僅設1道支撐，為減少基坑變形，在鋼管支撐拆除前設置H400 mm×400 mm型鋼換撐。

此處基坑開挖總體上分3階段進行。第1階段為坑邊留土放坡階段。施工內(nèi)容包括：止水帷幕、土體加固、支護樁、立柱樁施工，坑邊留土1∶2兩級放坡，遠處基礎底板、支護樁頂冠梁施工。第1階段施工狀態(tài)如圖2所示。

圖2 基坑開挖階段1

第2階段為坑邊留土開挖階段，施工內(nèi)容包括：架設鋼管支撐，開挖坑邊留土、施工剩余基礎底板及底板傳力帶，施工型鋼換撐。第2階段施工狀態(tài)如圖3所示。

圖3 基坑開挖階段2

第3階段為鋼管支撐拆除階段，施工內(nèi)容包括拆除鋼支撐，地下室結(jié)構施工，基坑側(cè)壁土方回填，拆除型鋼換撐。第3階段施工狀態(tài)如圖4所示。

圖4 基坑開挖階段3

基坑穩(wěn)定性分析采用同濟啟明星深基坑支擋結(jié)構設計計算軟件進行計算，主要穩(wěn)定性指標計算結(jié)果如表1所示。

表1 基坑穩(wěn)定性分析指標計算

3.2 數(shù)值分析

基坑支護結(jié)構與周邊環(huán)境是一個相互作用的系統(tǒng)。數(shù)值分析方法可有效地考慮相關范圍地基土的分層情況和土的力學性質(zhì)、土層開挖和支護結(jié)構支設的施工過程及周邊建（構）筑物存在的影響等，模擬分析基坑的變形和受力狀況。分析結(jié)果可為評判基坑安全與土方開挖對周邊環(huán)境的影響提供有力的數(shù)據(jù)支撐。本節(jié)采用Plaxis軟件對該支護模式進行補充分析。該程序能夠模擬復雜的工程地質(zhì)條件，配合比奧固結(jié)理論，模擬軟土地基的基坑問題，分析固結(jié)過程中的沉降、有效應力、側(cè)向位移及超靜孔隙水壓力等問題[3]。

3.2.1 土體模型

土體硬化模型是Schanz等[4]提出的一種以塑性理論為基礎的雙屈服面模型。該模型的應力-應變關系采用Kondner[5]建議的雙曲線形式。它的彈性部分采取了合理的雙剛度，考慮了土的變形模量隨著圍壓增大而提高的現(xiàn)象，塑性部分采用非相關聯(lián)流動法則和各向同性的硬化準則，較好地描述雙曲線形式的應力-應變關系和土體的剪脹性。土體硬化模型可較好地反映應力路徑對土體力學性質(zhì)的影響，且考慮了土體模量的應力水平相關性，能較好地預測坑壁側(cè)移、地表沉降以及支護結(jié)構的內(nèi)力[6]。計算中的土體參數(shù)大部分根據(jù)巖土勘察報告，變形模量則利用地質(zhì)報告所提供數(shù)值并根據(jù)土體的應力狀態(tài)進行調(diào)整。

3.2.2 計算模型

根據(jù)軟件內(nèi)置的材料模型并結(jié)合實際情況，對支護結(jié)構、建筑物采用Plate單元模擬；支撐系統(tǒng)采用Anchor單元模擬。根據(jù)彈性力學理論，本基坑支護結(jié)構體系可歸為平面應變力學問題。為減小模型邊界對模擬結(jié)果的影響，必須采用足夠尺寸的計算模型。根據(jù)基坑的開挖深度，本次模擬的計算范圍如下：深度為60 m，水平向100 m。同時對模型邊界進行約束，左右兩側(cè)進行X向約束，下側(cè)進行Y向約束。采用15節(jié)點三角形單元模擬土體，單元網(wǎng)格角度多數(shù)在45°～75°間，網(wǎng)格劃分質(zhì)量較高。

鋼管支撐拆除是本基坑工程較為危險的工況，支撐拆除后圍護結(jié)構及土體的變形趨勢見圖5?？梢娪捎诨觾?nèi)土方開挖卸載，坑外土體有向坑內(nèi)變形的趨勢，坑底土體向上隆起，支護樁受其后方土體主動土壓力的作用，樁身向坑內(nèi)彎曲變形。周邊建筑工程樁樁端位于相對穩(wěn)定的強風化花崗巖層，樁端位移較小，樁身和上部結(jié)構微傾斜。

圖5 拆除鋼支撐后土體變形趨勢（放大20倍）

鋼管支撐拆除后土體的總水平位移如圖6所示，可見坑底上下各一半坑深范圍內(nèi)土體水平位移最大，約38 mm，站房下部土體水平位移約25 mm。

圖6 拆除鋼管支撐后水平位移云圖

高鐵站房工程樁樁身位移如圖7所示，樁身位移接近線性變化，樁端位移小，可忽略不計，樁頂位移最大值25 mm?？倶堕L約33 m，樁身傾斜率約0.76/1 000，小于2/1 000，可見該圍護模式可以有效地保護站房基礎。

圖7 高鐵站房工程樁水平位移示意

3.3 信息化施工

此處基坑安全等級為一級，必須對基坑施工全階段進行監(jiān)測?；邮┕みM度應結(jié)合監(jiān)測結(jié)果動態(tài)調(diào)整，信息化施工。實際基坑開挖順序以基礎底板后澆帶區(qū)格為單位，由北向南逐步推進。即每開挖一個區(qū)格，隨即搶澆該區(qū)格底板，形成底板傳力帶，待變形穩(wěn)定后再開挖下一區(qū)格。此施工次序的安排避免了土體一次開挖量過大，縮短基坑大面積同時暴露的時間。

據(jù)GB 50497—2019《建筑基坑工程監(jiān)測技術標準》[7]相關規(guī)定，此處支護結(jié)構主要監(jiān)測項目的報警值如下：支護樁頂部水平位移累計為30 mm，變化速度為3 mm/d；深層水平位移累計為45 mm，變化速度為2 mm/d；坑外地表沉降累計為35 mm，變化速度為3 mm/d。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，支護樁頂部水平位移最大值18 mm，站房建筑沉降最大值僅3 mm，可以滿足建筑物地基變形的允許值要求。典型深層水平位移監(jiān)測結(jié)果顯示深層水平位移曲線呈凸向坑內(nèi)的鼓肚形，隨著基坑開挖變形逐步增大，最大位移發(fā)生在開挖面附近，最大位移值為38 mm，約為基坑開挖深度的0.4%。

可見，當施工順序合理時，基坑變形實測值與數(shù)值分析結(jié)果較為吻合，主要監(jiān)測項目的結(jié)果均能控制在規(guī)定的變形允許值之內(nèi)，基坑變形控制效果較好?；又ёo結(jié)構能對站房建筑提供有效的保護能力，基坑也未出現(xiàn)流砂、管涌、隆起、滑移等險情。

4 結(jié)語

本文以開挖深度為9.76 m的福建平潭高鐵站前廣場深基坑為例，采用Plaxis巖土工程有限元計算軟件對其基坑支護體系進行數(shù)值分析，并將分析結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，得出如下結(jié)論：

1）軟土地區(qū)緊鄰建筑物大型基坑工程，可以采用“排樁＋豎向鋼斜撐”的支護模式來實現(xiàn)。該支護模式能在場地空間狹小處施工，支護體系剛度可靠、支撐工程量少，能夠較好地保護周邊建筑的安全，具有很好的社會和經(jīng)濟效益。

2）通過Plaxis有限元計算軟件并采用土體硬化模型，能較好地模擬軟土地區(qū)基坑開挖過程中土體的變形規(guī)律。

3）合理的施工次序?qū)幼冃蔚目刂坪苤匾??；颖O(jiān)測結(jié)果可驗證基坑設計、施工方案的正確性，為實現(xiàn)信息化施工提供數(shù)據(jù)支撐，使施工過程處于受控狀態(tài)?？蔀橥惢庸こ痰脑O計、施工提供參考。