顏 超，孫廉威，程子聰

(上海建工集團(tuán)股份有限公司工程研究總院，上海 201114)

0 引 言

隨著中國城市建設(shè)步伐的不斷加快，一些特大城市(北京、上海、深圳等)的土地資源日趨緊張，城市地下空間開發(fā)建設(shè)的周邊環(huán)境也逐漸變得復(fù)雜，在實(shí)際工程中也逐漸出現(xiàn)一些特殊的施工工況，如深基坑開挖與周邊既有建筑物改造同時(shí)施工。為了避免兩者之間的相互擾動影響，在實(shí)際施工的過程中通常將兩者進(jìn)行先后施工，但是施工成本偏大。因此弄清兩者同步施工的相互影響，對提高實(shí)際工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性具有重大的意義。

目前已有不少學(xué)者對基坑開挖及周邊擾動進(jìn)行了大量研究。在基坑施工對周邊既有建(構(gòu))筑物影響方面，胡軍等[1-4]通過數(shù)值分析、數(shù)據(jù)監(jiān)測及模型試驗(yàn)等方法研究了基坑開挖對近鄰樁基的影響，進(jìn)一步揭示了在鄰近基坑開挖時(shí)既有建(構(gòu))筑物樁基的響應(yīng)機(jī)制；Shi等[5-8]通過解析法、試驗(yàn)及數(shù)值分析的方法研究了基坑開挖與鄰近既有盾構(gòu)隧道的相互影響，提出了相應(yīng)的保護(hù)技術(shù)和控制措施；張陳蓉等[9-12]分析了基坑開挖對周邊既有管線的影響，提出了相應(yīng)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)；郭亞磊等[13-17]通過數(shù)值分析等方法研究了基坑被動區(qū)土體加固對基坑變形的影響，提出了基坑被動區(qū)加固的合理范圍；譚永朝等[18-19]，分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)對基坑變形及工程造價(jià)的影響，提出了不同情況下使用經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)。上述學(xué)者的研究主要集中于基坑開挖對周邊既有建(構(gòu))筑物的單一擾動影響，而對深基坑施工與周邊既有建(構(gòu))筑物改造同步進(jìn)行的工況研究相對較少。本文將綜合考慮深基坑開挖與周邊既有建筑物改造同步進(jìn)行下的相互影響機(jī)制，分析安全影響因素，以便指導(dǎo)施工、優(yōu)化方案、保障安全。

本文基于上海體育館、上海游泳館改造及新建體育綜合體項(xiàng)目，通過數(shù)值分析法，探索新建體育綜合體基坑開挖與上海體育館在不同“卸載-加載”改造次序下的相互影響，并在此基礎(chǔ)上探討了基坑開挖與改造施工的有利方案，以降低風(fēng)險(xiǎn)，更好地預(yù)防本工程以及未來類似工程中施工事故的發(fā)生。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于上海市徐家匯區(qū)，基坑總面積約5.6×104m2，基坑開挖深度為-6.75～-12.8 m。其中，2區(qū)基坑平均開挖深度為-12.5 m，上海體育館位于基坑?xùn)|北側(cè)，距基坑邊線最近大約為3.4 m，如圖1所示。

圖1 工程平面示意Fig.1 Plan Schematic of Project

上海體育館采用樁筏基礎(chǔ)，基底埋深為室內(nèi)地坪以下3.7 m，鉆孔灌注樁直徑為600 mm，樁長16.1 m；本基坑采用順作法施工，普遍采用1.0 m厚地下連續(xù)墻+2道鋼筋混凝土支撐的支護(hù)形式，如圖2所示。

圖2 工程典型剖面(單位：m)Fig.2 Typical Profile of Project (Unit:m)

本基坑場地屬于古河道分布區(qū)，主要為流塑性黏體，含水量較大，壓縮性高，土體力學(xué)性質(zhì)較差，在基坑開挖范圍內(nèi)沿深度分布的土層依次為①填土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④1淤泥質(zhì)黏土、④2-1粉質(zhì)黏土、④2-2砂質(zhì)粉土、⑤1粉質(zhì)黏土和⑤3粉質(zhì)黏土。

2 有限元模型

2.1 模型簡介

為了研究深基坑開挖與周邊既有建筑物改造的相互影響，選取了圖1中A-A截面建立二維有限元模型，如圖3所示。模型坑外長度為140 m(約11倍開挖深度)，坑底以下長度為40 m(約3倍開挖深度)，基坑開挖深度為-12.5 m。模型中土體采用平面應(yīng)變15節(jié)點(diǎn)2-D等參單元，地下連續(xù)墻及周邊構(gòu)筑物采用板單元模擬，支撐采用錨定桿單元模擬，其中上海體育館上部結(jié)構(gòu)均轉(zhuǎn)換為實(shí)際荷載代替。

圖3 有限元模型(單位：mm)Fig.3 Finite Element Model (Unit:mm)

2.2 參數(shù)選取

土體硬化(HS)本構(gòu)模型是目前在基坑開挖數(shù)值分析中常用的模型之一，適用于在敏感環(huán)境下對基坑開挖進(jìn)行分析[20-24]。HS本構(gòu)模型土體強(qiáng)度采用三軸試驗(yàn)?zāi)Ａ縀50、三軸卸載/再加載模量Eur以及固結(jié)儀荷載模量Eoed來考慮土體在卸載/再加載條件下的性狀，各剛度計(jì)算公式為

(1)

(2)

(3)

模型土體計(jì)算參數(shù)見表1。模型中上海體育館的“卸載-加載”改造通過荷載的實(shí)施來模擬，初始荷載為實(shí)際上部結(jié)構(gòu)的重力，取550 kN，結(jié)構(gòu)詳細(xì)計(jì)算參數(shù)見表2。

表1 土體計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculation Parameters of Soils

表2 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)Table 2 Calculation Parameters of Structures

2.3 計(jì)算工況

由于上海體育館在改造的過程中只是對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部的拆除改造，因此在計(jì)算過程中對卸載荷載取約為上海體育館初始荷載的一半進(jìn)行分析。模型共設(shè)置了17種“卸載-加載”工況，以全面體現(xiàn)上海體育館在不同改造時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行深基坑開挖之間的相互影響，計(jì)算工況見表3，其中模型1為基礎(chǔ)工況，即在深基坑開挖的過程中對上海體育館不進(jìn)行任何改造。

表3 計(jì)算工況Table 3 Calculation Work Conditions

3 計(jì)算分析

3.1 模型參數(shù)驗(yàn)證

為了確保有限元計(jì)算參數(shù)選取的合理性，根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)度，特選取表3中的模型1開展有限元計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比。

圖4、表4分別給出了圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移、地基梁沉降監(jiān)測點(diǎn)的計(jì)算值與監(jiān)測值的對比情況。從圖4和表4可以看出，有限元計(jì)算值與現(xiàn)場監(jiān)測值較為接近，采用該模型進(jìn)行后續(xù)計(jì)算分析較為合理。

圖4 側(cè)向位移對比Fig.4 Comparison of Lateral Displacements

表4 地基梁沉降對比Table 4 Comparison of Foundation Beam Settlements

3.2 “卸載-加載”影響分析

本文主要討論在不考慮基坑被動區(qū)加固的條件下，上海體育館在基坑開挖過程中進(jìn)行“卸載-加載”對圍護(hù)結(jié)構(gòu)和上海體育館基礎(chǔ)的影響。

圖5給出了各模型工況下的結(jié)構(gòu)變形曲線，從圖5中可以看出：

(1)在基坑開挖至第2道支撐而未施工第2道支撐時(shí)對建筑物進(jìn)行加載，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移超過了規(guī)范規(guī)定的值(模型4、模型8以及模型11)，因此這是最不利的施工工況，在施工時(shí)避免出現(xiàn)這一情況。

(2)結(jié)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移、建筑物樁基側(cè)向位移以及建筑物地基梁沉降可以看出，施工完成第2道支撐后開挖至坑底前(模型5、模型9、模型12以及模型14)，施工對圍護(hù)結(jié)構(gòu)和建筑物的影響最小，因此基坑開挖的同時(shí)宜在完成第2道支撐后、開挖至坑底前完成建筑物的改造。

(3)雖然土方開挖至坑底再對建筑物進(jìn)行“卸載-加載”未超過規(guī)范規(guī)定值(模型6、模型11、模型13、模型15、模型16以及模型17)，但是在實(shí)際施工過程中是嚴(yán)禁在基坑開挖至坑底時(shí)再對周邊建筑物進(jìn)行加載，因此本文只對這幾個(gè)模型進(jìn)行對比，不作為有利模型進(jìn)行考慮。

對于在不同的“卸載-加載”工況條件下，當(dāng)基坑施工完成第2道支撐后、開挖至坑底前完成對周邊加載時(shí)，對基坑的安全更有利，因此模型5、模型9、模型12以及模型14為對基坑安全的有利模型。

從圖6給出了4個(gè)有利模型下的結(jié)構(gòu)位移?？梢钥闯?，4個(gè)模型在不同的工況條件下，對上海體育館的沉降影響不大，但是對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移和上海體育館樁基影響明顯，模型12要優(yōu)于其他3個(gè)模型。

結(jié)合圖5和圖6可以看出，基坑周邊建筑物加載時(shí)間點(diǎn)的影響要遠(yuǎn)大于卸載時(shí)間點(diǎn)的影響，因此基坑開挖過程對周邊建筑物進(jìn)行改造時(shí)主要還是取決于建筑物的加載時(shí)間點(diǎn)。

圖5 各模型結(jié)構(gòu)變形Fig.5 Structural Deformation of Each Model

圖6 各有利模型下的結(jié)構(gòu)位移Fig.6 Structural Deformation of Each Favorable Model

綜上所述，在基坑開挖過程中，為了更好地控制周邊建筑“卸載-加載”時(shí)對圍護(hù)結(jié)構(gòu)和上海體育館的影響，要注意基坑周邊荷載的加載階段，建議施工過程中宜按照模型12的施工工況進(jìn)行合理施工。

3.3 影響因素分析

3.3.1 基坑被動區(qū)加固的影響

本文采用最有利模型12討論基坑被動區(qū)加固對圍護(hù)結(jié)構(gòu)和上海體育館基礎(chǔ)的影響。

根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(DG/TJ 08-61—2018)[25]：被動區(qū)加固體的寬度不宜小于基坑開挖深度的0.4倍，并不宜小于4 m；加固體的深度不宜小于3 m。各模型基坑被動區(qū)加固工況見表5，各模型分析結(jié)果見圖7～9。

表5 加固工況Table 5 Reinforcement Work Conditions

從圖7，8可以看出，在基坑開挖至底時(shí)，被動區(qū)坑底加固深度對圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移、地基梁沉降和樁基側(cè)向位移的影響要大于加固寬度產(chǎn)生的影響。隨著加固深度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移和上海體育館樁基側(cè)向位移逐漸減小，當(dāng)坑底加固深度達(dá)到0.4H時(shí)，被動區(qū)加固對圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移和上海體育館樁基側(cè)向位移影響趨于平穩(wěn)；被動區(qū)加固深度對地基梁沉降有一定的影響，但規(guī)律性不明顯。

圖7 被動區(qū)不同加固寬度的影響Fig.7 Influence of Different Passive Zone Reinforcement Widths

圖8 被動區(qū)不同加固深度的影響Fig.8 Influence of Different Passive Zone Reinforcement Depths

從圖9可以看出，在不同工況下對基坑被動區(qū)進(jìn)行加固，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移和上海體育館樁基側(cè)向位移影響不大，但對上海體育館地基梁沉降影響較明顯，加固從第1道支撐底開始比從第2道支撐底和基坑底開始更能有效地控制上海體育館地基梁沉降。

圖9 被動區(qū)不同加固工況的影響Fig.9 Influence of Different Passive Zone Reinforcement Working Conditions

綜上所述，適當(dāng)進(jìn)行基坑被動區(qū)加固能夠有效控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及周邊建筑的沉降。

3.3.2 不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響

本文采用最有利模型12討論不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對圍護(hù)結(jié)構(gòu)和上海體育館基礎(chǔ)的影響。各模型不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度工況見表6。

表6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度工況Table 6 Work Condition of Retaining Structure Strength

圖10為不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響?？梢钥闯?，在基坑開挖至底時(shí)，采用高強(qiáng)度混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu)能減小上海體育館地基梁沉降和樁基側(cè)向位移，雖然這種減小量相對較小，但能減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移，有利于控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

圖10 不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響Fig.10 Influence of Different Retaining Structure Strengths

3.3.3 被動區(qū)加固與圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度疊加的影響

討論在基坑被動區(qū)加固與圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度疊加條件下對圍護(hù)結(jié)構(gòu)和上海體育館基礎(chǔ)的影響。各模型不同疊加工況見表7。

表7 被動區(qū)加固與圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度疊加工況Table 7 Work Condition of Passive Zone Reinforcement and Retaining Structure Strength

圖11為基坑被動區(qū)加固與圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度疊加的影響?？梢钥闯觯涸诨娱_挖至底時(shí)，采用高強(qiáng)度混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu)能減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移、上海體育館地基梁沉降和樁基側(cè)向位移，但這種減小量相對較??；基坑被動區(qū)加固能夠有效地減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移以及上海體育館地基梁沉降和樁基側(cè)向位移。

圖11 基坑被動區(qū)加固與圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度疊加的影響Fig.11 Influences of Passive Zone Reinforcement and Retaining Structure Strength

通過上述分析可知，在相同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)情況下，對基坑被動區(qū)進(jìn)行合理加固能有效控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和對周邊環(huán)境的影響。

4 結(jié) 語

(1)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、上海體育館基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變形隨卸載-加載不同時(shí)間點(diǎn)變化而變化，分析表明基坑受周邊建筑物改造加載時(shí)間點(diǎn)影響要比受周邊建筑物改造卸載時(shí)間點(diǎn)影響更大。

(2)在實(shí)際施工過程中，應(yīng)控制好周邊建筑物改造加載時(shí)間點(diǎn)，并避免在基坑開挖至第2道支撐時(shí)對周邊建筑物進(jìn)行加載改造，也不宜在基坑開挖至第1道支撐時(shí)對周邊建筑物進(jìn)行卸載改造，會導(dǎo)致基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部產(chǎn)生較大的側(cè)向位移。

(3)綜合基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、上海體育館基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變形等安全影響因素，上海體育館進(jìn)行“卸載-加載”改造的最優(yōu)工況為：在深基坑工程完成第1道支撐施工并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再進(jìn)行卸載改造工序，在深基坑工程完成第2道支撐施工并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再進(jìn)行加載改造工序。

(4)對于基坑被動區(qū)加固而言，在基坑其他條件一致的情況下，增加坑底加固的深度要比增加加固的寬度效果更好，更能夠有效地控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和對周邊環(huán)境的影響。