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筑物的基礎或者地下室而在工程所在地挖開的地下空間。屬于臨時性工程，主要作用保證建筑物的基礎施工按照設計的位置進行。隨著我國高層建筑的大力發展，基坑工程設計越來越重要?；优c鄰近建筑物的相互作用決定在基坑設計時既要注意基坑開挖時由于變形導致鄰近建筑物的變形，還要考慮鄰近建筑物對基坑開挖施工的影響。

1 實例介紹

本文以無錫地鐵1號線09標南禪寺站基坑開挖與結構制作專項施工方案為主，展開分析。

1.1 工程概況

無錫地鐵1號線是無錫軌道交通線網中的南北走向的市區軌道交通線，正線北起自惠山新城的堰橋站，自北向南穿中心城區，至濱湖區的雪浪站。線路穿越了無錫市的惠山區、北塘區、崇安區、南長區、濱湖區等五個城區。正線全長29419.519m，共設車站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號線的中間車站，地下二層島式站，該站前方銜接三陽廣場站，后方到達永豐路站。南禪寺站位于中山路與解放環路交叉口下，沿中山路地下南北向布置，車站總長度為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為一級。車站主體基坑標準段凈寬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厚地下連續墻圍護。

1.2.2 主體圍護與支撐

本站周邊建筑物和管線眾多，基坑變形保護控制等級為一級。根據本站的工程地質、水文地質、周邊情況、基坑安全等級，選用圍護結構剛度較大、變形較小，基坑施工對鄰近建筑與地下管線影響相對較小，工藝成熟，抗滲止水效果好的地下連續墻方案。采用800mm（或1000mm）連續墻+內支撐的支護形式，基坑深度不超過18.0 m的范圍采用800mm厚連續墻，基坑深度超過18.0 m的范圍采用1000mm 厚連續墻。連續墻與主體形成復合式結構，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：設置五道支撐加一道換撐；

南端頭井：設置六道支撐加一道換撐（有四道雙拼）；

標準段：3軸-28軸設置四道支撐加一道換撐，28軸-41軸設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，設計樁長為30m，主要設置在立柱底并利用部分460×460格構柱樁基礎；另一種采用Φ1200鉆孔灌注樁，設計樁長為33m，主要利用部分半蓋挖段600×600格構柱樁基礎。

1.2.4 基坑降水

為了方便基坑的開挖作業，并且保證基坑的安全開挖，我們需要疏干開挖范圍內土層中的含水量。同時，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 理論聯系實際——定量分析

本人根據自身參與過的以上工程實例進一步說明在實際項目中，基坑開挖形式的選擇所需要的理論依據。只有清楚知道基坑開挖對樁基的具體影響，才能理論聯系實際，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。在基坑開挖時一般遵循“開槽支撐，先撐后挖，分層開挖，嚴禁超挖”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做好支撐，并且一層一層地開挖，不能超過設計基坑深度。同時，基坑開挖時不僅要保護邊坡的穩定，還要保持基坑干燥，并對地下水進行有效處理?；娱_挖的主要原則有：

1）基坑開挖遵循分塊、分層、對稱、平行、留土護壁開挖原則；2）施工流程展開以合理分段、分塊堅持限時開挖與及時支撐支護且保證挖土工作的作業連續為原則，快速開挖、快速支撐、連續施工；3）通過網絡計劃的編制，使得砼支撐養護期基本不影響基坑開挖，保證挖土作業連續、順暢進行，快速開挖，快速封底；4）基坑分層分塊放坡開挖時，邊坡坡度為1：1；5）停滯開挖時間較長時，留坡坡度1：2.5；6）縮短無支撐的暴露時間，基坑無支撐暴露時間不能超過10小時，并在最短時間內使基坑內支撐體系形成。

2.2 實際工程中常見的問題舉例

1）問題1——基坑變形過大，影響周邊環境

未按設計和規范要求超挖，支撐體系施工不及時，使圍護結構變形超過規范要求，從而影響周邊環境。另外當圍護結構發生較大的變形時，地下墻之間的接頭也容易發生錯縫而形成滲漏水的渠道，危害基坑開挖的安全。

主要的預防措施有：根據周邊環境特點，制訂切實可行的挖土流程。挖土的流程和步驟嚴格按照設計和規范的要求實施，嚴禁超挖。

（1）本工程設計基坑支撐第一道為鋼筋混凝土支撐，有利于基坑穩定；（2）基坑開挖階段，建立完善、嚴密的施工監測體系，對基坑自身變形及周邊地表和建筑物等重點監控點實施24小時全范圍的施工監測，及時將監測數據反饋指導施工，真正做到信息化施工；（3）深基坑開挖前做好準備工作：包括專家評審方案；布置好測量網點；施工人員全員技術交底；配置施工機具、設備；檢查井點降水效果；確定基坑開挖總體流程。

主要的應急措施有：當在開挖過程中監測出基坑變形量偏大時，根據不同情況分別采取支撐抽條施工、基底加設臨時鋼支撐、坑內進行雙液注漿的被動土加固等必要措施。

2）問題2——基坑內樁基上浮

工程中樁基都是在基坑開挖之前施工完成的，雖然在施工前對樁基進行了靜荷載試驗，但是在基坑開挖過程中還是會出現問題。在基坑開挖之后，經常會出現基坑坑底彈性回彈造成樁身混凝土被拉斷，造成一定程度的質量事故。

在基坑開挖之后，坑內的土體會由于應力變化出現松散，由于應力的回彈造成樁不受原來靜摩擦力的約束而上移。同時由于原有樁下部受到土體的約束，產生向下的靜摩擦力，總之就是因為樁的上部產生向上的拉力，而樁的下部產生向下的拉力，最后導致樁本身受到軸向拉力，破壞樁本身的性能。或者是間接性地影響樁周圍側摩阻力的發展方向。主要的預防措施有：在工程中先完成樁基礎部分施工，再進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。經過不斷的實踐總結得出一些深基坑開挖對土體回彈影響因素的關系，如：土體的壓縮性和類別、基坑開挖深度、工程中基坑的設計平面形狀以及樁本身的數量、密度和深度等。需要注意的是在一些場地比較狹小或者是基坑平面形狀是長條形的工程中，對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，不管是對于基坑內樁基還是鄰近樁基，都會產生或多或少的影響，以下就基坑開挖和樁基的相互作用進行分析討論。

3 基坑開挖對樁基相互作用一般性分析

隨著城市建筑不斷向高發展的趨勢，對于基礎的要求也隨之增加，基坑為了保證基礎施工的空間條件，也向著大、深的方向發展。但是在基坑開挖過程中，不可避免地會出現土體位移情況，對于基坑本身和鄰近的建筑物會產生或多或少的影響。基坑開挖與樁基的相互作用總得來說是基坑、土體與樁基三個體系的相互作用。

首先，土體的下沉會引起周圍建筑樁基與土體之間的負摩擦力，使得樁基下沉；且鄰近建筑物樁基的樁身在一定范圍內受到側向壓力，樁身軸線偏離原始位置，最終導致鄰近建筑物樁基不均勻下沉破壞基礎結構，影響建筑安全性能和使用壽命。即基坑開挖引起基坑圍護結構變形和坑底隆起。

其次，土體由于受到側向壓力的作用而產生一定的附加彎矩和應力，當壓力達到一定程度時就會破壞樁基本身，影響樁基所支撐的建筑穩定性。影響基坑開挖對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、支護墻的剛度、樁頭約束條件和基坑空間效應等。針對這些因素，具體進行控制量討論，得出它們的相互關系。

基坑開挖深度與鄰近樁基所產生的附加側移和彎矩成正比，樁身最大彎矩隨著樁基開挖深度的增加而增加且向下發展，并與開挖深度保持一定的關系。一般情況下，當基坑支護墻剛度不相同的時候，基坑開挖對鄰近樁基產生的影響也不相同，當支護墻剛度比較大的時候，對于鄰近樁基的影響反之減小。鄰近樁基由于基坑開挖產生的附加側移、彎矩與樁基和基坑邊緣之間的距離成反比，但是當基坑的開挖深度小于或者等于樁基與基坑邊緣距離時，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其產生的影響也有關系，樁基本身剛度越大的話，相互作用產生的影響就越小，當鄰近樁基樁頭不能轉動的時候，樁頭部位比較危險，會產生較大的彎矩值。對于基坑開挖的空間效應來說，位于基坑長邊附近的樁基在相互作用時產生的彎矩較大，反而基坑腳部的樁基基本上不會受到過大的影響，在實際工程施工中，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應關系，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，在挖土結束之后，加快了結構底板的施工速度，于11月29日澆筑了此區域的結構底板。11月29日之后，立柱樁基隆起開始出現收斂趨勢，立柱樁基隆起量開始出現明顯回落，最后與相鄰地墻的隆起量逐漸趨同。

4 結論

總之，根據以上實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制，針對不同的具體工程，進行周密詳細的施工設計，才能保證在實際施工中，既滿足基礎所需基坑的條件又減小由于基坑開挖造成對樁基、土層的影響。

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