余成書 張 旭

1. 中鐵一局集團(tuán)有限公司 陜西 西安 710054;2. 同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司 上海 200092

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

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

在樓群密集區(qū)，時(shí)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(shí)，坑邊土體的變形及周邊建（構(gòu)）筑物的變形成為了關(guān)注的重點(diǎn)。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(gòu)）筑物的結(jié)構(gòu)形式、基礎(chǔ)形式、使用的要求等，以便合理地確定變形控制指標(biāo)。

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

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

在我國(guó)的沿海、沿江地區(qū)，其工程建設(shè)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(qiáng)度低、壓縮性高、流變性顯著等特點(diǎn)，基坑開挖難度大。這對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)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(xiàng)目深基坑工程為背景，采用數(shù)值計(jì)算的方法研究了緊鄰建筑物基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果分析基坑的變形規(guī)律，以期能夠得到基坑支護(hù)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(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)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(xiàng)目位于福建省平潭高鐵站西側(cè)，用地面積約21萬(wàn) m2。地上為多棟多層建筑，地下設(shè)置1層整體地下室、局部設(shè)2層地下室，基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)＋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(zhǎng)度465 m?；又荛L(zhǎng)約1.8 km，開挖面積約14萬(wàn) 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)?；?xùn)|面緊鄰已建高鐵站房，站房為地上多層建筑，無(wú)地下室?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)均不可進(jìn)入周邊道路路基與建筑地基。

場(chǎng)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(qiáng)風(fēng)化花崗巖（砂土狀）、強(qiáng)風(fēng)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(xué)強(qiáng)度低，土層厚薄不一，起伏大。場(chǎng)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(bǔ)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(duì)隔水層。粉砂層含水層透水性中等，富水性中等。

2 基坑支護(hù)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)工程條件與設(shè)計(jì)條件，通過(guò)多方案技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析，確定本基坑工程的總體支護(hù)模式為：場(chǎng)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(hù)模式；地下2層區(qū)域采用灌注樁加2道內(nèi)支撐的支護(hù)模式。支護(hù)模式布置如圖1所示。

圖1 基坑支護(hù)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(jìn)入其下相對(duì)不透水層不小于2 m?？觾?nèi)設(shè)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(shè)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(hù)技術(shù)

3.1 支護(hù)模式

基坑?xùn)|側(cè)的高鐵站房基礎(chǔ)形式為樁基承臺(tái)，承臺(tái)及基礎(chǔ)拉梁頂標(biāo)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?；娱_挖面距東側(cè)已建高鐵站房基礎(chǔ)邊緣僅4.2 m，距站房2層挑梁邊緣僅1.9 m，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)施工空間狹小。站房為本基坑工程需重點(diǎn)保護(hù)的建筑，基坑安全等級(jí)為一級(jí)。

支護(hù)結(jié)構(gòu)必須有足夠的嵌固深度，以滿足基坑穩(wěn)定性的要求[2]。對(duì)于深厚軟土基坑，應(yīng)特別重視抗隆起和整體穩(wěn)定的驗(yàn)算，支護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌固深度一般要求進(jìn)入相對(duì)較好的土層且不少于1 m。本處基坑側(cè)壁結(jié)構(gòu)采用φ1 000 mm@1 200 mm鉆（沖）孔灌注樁，樁端嵌于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層方可滿足坑底抗隆起和穩(wěn)定性的要求，支護(hù)樁長(zhǎng)約32 m。通常止水帷幕優(yōu)先采用攪拌樁來(lái)實(shí)現(xiàn)，但攪拌樁機(jī)械較大，無(wú)法進(jìn)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(hù)站房結(jié)構(gòu)，采用φ800 mm@600 mm高壓旋噴樁進(jìn)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?fù)絽^(qū)，水泥回?fù)搅繛?2%。因支護(hù)結(jié)構(gòu)不可進(jìn)入站房地基內(nèi)，故錨桿不可用，需設(shè)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(guò)長(zhǎng)、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(shè)于先期施工的基礎(chǔ)底板上。由于基坑開挖深度大，僅設(shè)1道支撐，為減少基坑變形，在鋼管支撐拆除前設(shè)置H400 mm×400 mm型鋼換撐。

此處基坑開挖總體上分3階段進(jìn)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(hù)樁、立柱樁施工，坑邊留土1∶2兩級(jí)放坡，遠(yuǎn)處基礎(chǔ)底板、支護(hù)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(shè)鋼管支撐，開挖坑邊留土、施工剩余基礎(chǔ)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(gòu)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(jì)啟明星深基坑支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，主要穩(wěn)定性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 基坑穩(wěn)定性分析指標(biāo)計(jì)算

3.2 數(shù)值分析

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與周邊環(huán)境是一個(gè)相互作用的系統(tǒng)。數(shù)值分析方法可有效地考慮相關(guān)范圍地基土的分層情況和土的力學(xué)性質(zhì)、土層開挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)支設(shè)的施工過(guò)程及周邊建（構(gòu)）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(píng)判基坑安全與土方開挖對(duì)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(duì)該支護(hù)模式進(jìn)行補(bǔ)充分析。該程序能夠模擬復(fù)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(guò)程中的沉降、有效應(yīng)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(chǔ)的雙屈服面模型。該模型的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)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(guān)聯(lián)流動(dòng)法則和各向同性的硬化準(zhǔn)則，較好地描述雙曲線形式的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和土體的剪脹性。土體硬化模型可較好地反映應(yīng)力路徑對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)的影響，且考慮了土體模量的應(yīng)力水平相關(guān)性，能較好地預(yù)測(cè)坑壁側(cè)移、地表沉降以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力[6]。計(jì)算中的土體參數(shù)大部分根據(jù)巖土勘察報(bào)告，變形模量則利用地質(zhì)報(bào)告所提供數(shù)值并根據(jù)土體的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

3.2.2 計(jì)算模型

根據(jù)軟件內(nèi)置的材料模型并結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)、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(xué)理論，本基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系可歸為平面應(yīng)變力學(xué)問題。為減小模型邊界對(duì)模擬結(jié)果的影響，必須采用足夠尺寸的計(jì)算模型。根據(jù)基坑的開挖深度，本次模擬的計(jì)算范圍如下：深度為60 m，水平向100 m。同時(shí)對(duì)模型邊界進(jìn)行約束，左右兩側(cè)進(jìn)行X向約束，下側(cè)進(jìn)行Y向約束。采用15節(jié)點(diǎn)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(xiǎn)的工況，支撐拆除后圍護(hù)結(jié)構(gòu)及土體的變形趨勢(shì)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(shì)，坑底土體向上隆起，支護(hù)樁受其后方土體主動(dòng)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(duì)穩(wěn)定的強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層，樁端位移較小，樁身和上部結(jié)構(gòu)微傾斜。

圖5 拆除鋼支撐后土體變形趨勢(shì)（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(jì)，樁頂位移最大值25 mm?？倶堕L(zhǎng)約33 m，樁身傾斜率約0.76/1 000，小于2/1 000，可見該圍護(hù)模式可以有效地保護(hù)站房基礎(chǔ)。

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(jí)為一級(jí)，必須對(duì)基坑施工全階段進(jìn)行監(jiān)測(cè)?；邮┕みM(jìn)度應(yīng)結(jié)合監(jiān)測(cè)結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整，信息化施工。實(shí)際基坑開挖順序以基礎(chǔ)底板后澆帶區(qū)格為單位，由北向南逐步推進(jìn)。即每開挖一個(gè)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(guò)大，縮短基坑大面積同時(shí)暴露的時(shí)間。

據(jù)GB 50497—2019《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[7]相關(guān)規(guī)定，此處支護(hù)結(jié)構(gòu)主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的報(bào)警值如下：支護(hù)樁頂部水平位移累計(jì)為30 mm，變化速度為3 mm/d；深層水平位移累計(jì)為45 mm，變化速度為2 mm/d；坑外地表沉降累計(jì)為35 mm，變化速度為3 mm/d。

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，支護(hù)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(cè)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(dāng)施工順序合理時(shí)，基坑變形實(shí)測(cè)值與數(shù)值分析結(jié)果較為吻合，主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)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(hù)結(jié)構(gòu)能對(duì)站房建筑提供有效的保護(hù)能力，基坑也未出現(xiàn)流砂、管涌、隆起、滑移等險(xiǎn)情。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以開挖深度為9.76 m的福建平潭高鐵站前廣場(chǎng)深基坑為例，采用Plaxis巖土工程有限元計(jì)算軟件對(duì)其基坑支護(hù)體系進(jìn)行數(shù)值分析，并將分析結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)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(hù)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。該支護(hù)模式能在場(chǎng)地空間狹小處施工，支護(hù)體系剛度可靠、支撐工程量少，能夠較好地保護(hù)周邊建筑的安全，具有很好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

2）通過(guò)Plaxis有限元計(jì)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(guò)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(cè)結(jié)果可驗(yàn)證基坑設(shè)計(jì)、施工方案的正確性，為實(shí)現(xiàn)信息化施工提供數(shù)據(jù)支撐，使施工過(guò)程處于受控狀態(tài)。可為同類基坑工程的設(shè)計(jì)、施工提供參考。