隔離樁對地鐵深基坑鄰近建筑物保護機理研究

鄭鳳先

（1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，200433，上海∥工程師）

隨著上海城市軌道交通的發展，大量的地鐵深基坑工程出現在城市建筑物密集地區。軟土地區基坑開挖引起的坑外地表沉降非常顯著，過大的地表沉降導致鄰近建筑物出現沉陷、傾斜乃至結構開裂，影響建筑物的使用安全。因此，對基坑鄰近建筑物的保護已成為上海地區基坑工程的一個重要課題。隔離樁作為一種有效的基坑鄰近建筑物保護措施，其應用日漸增多。但是對其機理和規律的研究相對較少。文獻［1］提出隔離樁的長度和剛度對控制土體變形有影響作用；文獻［2］介紹了成都地鐵2號線某車站基坑鄰近建筑物保護的實例。本文以上海某地鐵基坑鄰近建筑物保護的實際工程為背景，采用有限元軟件較為全面地分析了隔離樁樁長、樁體剛度和隔離樁位置對保護建筑物沉降控制的影響，歸納出對工程具有參考意義的結論。

1 工程概況

1.1 水文地質

上海軌道交通11號線某車站位于浦東新區，擬建場地的地形平坦，屬濱海平原地貌類型。場地位于古河道地層沉積區，其北側存在少量暗浜，深度約為3m。場地土層分布自上而下依次為：①1填土，①2淤泥，②1褐黃～灰黃色黏土，③1灰色淤泥質粉質黏土，③2灰色黏質粉土，③3灰色淤泥質粉質黏土，④灰色淤泥質黏土，⑤11灰色黏土，⑤1A灰色砂質粉土，⑤12灰色粉質黏土夾粉砂，⑤2灰色砂質粉土，⑤3灰色粉質黏土，⑦2草黃～灰色粉砂，⑦2A草黃～灰色粉質黏土。擬建場地淺部地下水屬潛水類型，地下水位埋深為0.60～2.00m。根據詳細勘察資料，本場地⑤1A、⑤2層為微承壓水層，⑦層為承壓含水層。

1.2 基坑與鄰近建筑物

擬建車站為雙柱三跨（局部單柱雙跨）混凝土箱形結構。其標準段基坑深度約為16.5m，坑底位于④層灰色淤泥質黏土中。圍護采用地下連續墻加內支撐的形式。需保護的鄰近建筑物位于基坑東北側（見圖1），系三層磚砌結構，目前為私立幼兒園，距離基坑約17m。此建筑物主要有以下幾個特點：

1）保護建筑物為三層磚砌結構，筏板基礎，持力層土質較差，建筑抗沉降和抗傾斜能力弱，在降水試驗和先期導墻施工階段，墻體已經出現大量裂縫。

2）保護建筑物距基坑較近，最近處為17m。根據經驗，基坑開挖引起的地表沉降影響范圍大約為兩倍基坑深度，因此，建筑物處于開挖影響范圍之內，地表沉降引起的建筑物變形無法避免。

3）保護建筑物具有特殊的商業用途，建筑的安全非常重要。若采用大規模地基注漿或斜樁加固的方式將會引起恐慌，影響正常經營，經濟損失和社會負面效應較嚴重。

綜合各因素，鄰近建筑物保護方案采用基坑圍護外設置隔離樁的方式。隔離樁采用φ800mm＠1 000mm的鉆孔灌注樁。

圖1 地鐵基坑與鄰近建筑物關系圖

2 有限元計算

2.1 模型建立

地鐵基坑長寬比很大，可以作為平面問題分析。雖然只有基坑一側存在受保護建筑物，模型并不嚴格對稱，但經過試算，采用全模型分析與半模型分析相比對計算結果差異性很小，且半模型分析可顯著節省計算時間，因此本文采用半模型分析。為消除邊界尺寸對計算的影響，模型長度取90m，高度80 m，基坑深度16.7m，地下連續墻深度35m。鄰近建筑物距基坑邊的距離為17m。計算模型中土體采用15節點三角形單元模擬，地下連續墻與隔離樁用Plate單元模擬，地下連續墻與土、隔離樁與土的接觸采用界面單元模擬，隔離樁經等剛度代換得到等效Plate單元厚度，支撐采用彈簧單元（Anchor）模擬，支撐剛度根據實際支撐材料參數經計算得到。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型圖

土體模型采用Plaxis提供的Harding Soil Model。這種模型可以反應土體剛度依賴應力和應變水平的特性，可以很好地模擬在基坑開挖過程中土體加載－卸載導致的土體性狀變化，能較準確地預測基坑變形的情況［4］。但是該土體模型也帶來土體參數方面的問題，Plaxis HS模型主要的土體剛度參數有：參考壓縮模量Erefoed，參考割線剛度Eref50，參考卸荷再加荷模量Erefur，泊松比μ，剛度應力水平冪指數m，剪脹角Ψ，反映土體與地下連續墻接觸面的參數Rinter。這些土體參數并不會在地質勘察報告中給出。本文將土層①、②合并為新的①層，⑤11、⑤1a、⑤12、⑤2合并為新的⑤層，并根據文獻及上海本地經驗選取土體參數，詳見表1。

表1 土層參數

2.2 計算工況

有限元模擬分為11個計算工況，首工況為幼兒園三層建筑物建成后，進行5年的固結計算，將計算所得建筑沉降清零，避免工后固結沉降對隔離樁分析結果造成影響。其余計算工況完全按照基坑分層開挖的實際情況設置，先開挖變形后加支撐。初始水位為地面下1m，并在計算中修正水位線，以反映基坑降水引起的地下水位變化。基坑周邊超載取20kPa。

3 對有限元計算結果分析

3.1 基坑鄰近建筑物保護機理分析

基坑開挖對鄰近建筑物造成的影響，主要是由基坑開挖引起的坑外地表沉降，由此引起建筑物的變形。變形導致的附加應力使建筑物出現大量裂縫而威脅正常的使用。引起地表沉降的主要原因有：

1）基坑圍護結構的水平變位導致坑外土體往基坑方向移動；

2）基坑開挖卸荷導致坑底部土體發生回彈隆起，從而引起坑外側土體沉降補充。

從地表沉降產生的因素分析，保護基坑鄰近建筑物的方法實質是控制基坑開挖引起的水平變位和坑底隆起。這可通過增加支撐道數，加強支撐剛度，坑底加固，遵循時空效應原理快挖快撐等方式加以控制。這些措施對一般的鄰近建筑物是可以滿足保護要求的，但由于本工程中基坑鄰近建筑物的特殊性，對其保護要求非常嚴格。經綜合考慮，本工程用隔離樁作為保護措施。隔離樁的機理實質是控制建筑物基底的土體位移。通過設置隔離樁穿過土體變形可能的滑移面，提供抗滑移的力，隔離建筑物與基坑引起的土體位移場，從而減少建筑物側的土體變形，達到保護建筑物的目的（見圖3）。

圖3 隔離樁作用機理圖

3.2 隔離樁處理效果影響因素分析

通過上述對隔離樁工作機理的分析可知，隔離樁必須穿過土體滑移面才會發揮較好的沉降控制效果，因此，這里有三個因素需要分析：隔離樁樁長，隔離樁設置位置，隔離樁的剛度。這三個因素綜合影響隔離樁的作用效果，為了防止三個影響因素相互影響，在分析一個影響因素時，保持其他兩個因素條件不變。

3.2.1 隔離樁樁長對沉降控制的影響

首先分析樁長對隔離樁處理效果的影響。隔離樁采用φ800mm＠1 000mm鉆孔灌注樁，距離保護建筑物5m，距基坑12m；按隔離樁樁長0m、10m、15m、20m、25m、30m、35m、40m變化 ，分析樁長變化對建筑物沉降、地下連續墻最大彎矩產生的影響。本文所提到的建物沉降，均指差異沉降，即幼兒園建筑物距離基坑最近點（記為A點）與最遠點（記為B點）的沉降差值。圖4給出了樁長與差異沉降的關系曲線。由圖4可以看出，樁長對建筑物差異沉降的影響非常顯著，隨著樁長的增加，差異沉降明顯減小。樁長也存在一個最優長度，隔離樁樁長從0到15m增加時，差異沉降減小有限，曲線斜率很小；樁長增加到15～25m時，曲線斜率明顯增大，樁長對差異沉降的影響顯著；當樁長大于25m時，差異沉降曲線再次變得平緩。圖5反映了樁長與地下連續墻最大彎矩的關系，其與樁長對差異沉降的影響規律非常接近。隨著樁長的增加，地下連續墻的最大彎矩減小，當樁長在15～25m區間變化時，地下連續墻最大彎矩減小明顯；而樁長超過25m時，地下連續墻的最大彎矩基本保持不變。可以從中得到結論：隔離樁的長度對鄰近建筑物差異沉降的影響比較明顯，樁長過短，不能很好地發揮擋土效應，對差異沉降的控制有限；樁長過長，則不夠經濟。因此，確定合理的樁長非常重要。

圖4 隔離樁樁長與建筑物差異沉降關系圖

圖5 隔離樁樁長與地下連續墻最大彎矩關系圖

3.2.2 隔離樁設置位置對沉降控制的影響

隔離樁設置的位置（設樁長為20m）對控制沉降也有很大的影響。圖6顯示的是隔離樁距被保護建筑物2m、5m、8m、11m、14m、16m變化時，建筑物差異沉降的變化規律。從圖6可以看出：隔離樁距離建筑物越遠，保護建筑物的差異沉降越大，并在距離為14m時差異沉降達到最大，此時隔離樁距離基坑圍護地下連續墻為3m；當隔離樁與建筑物的距離繼續增加時，即距離基坑更近時，圖6中曲線發生轉折，差異沉開始有一定程度的減小。隔離樁距離保護建筑物近時，差異沉降小是因為隔離樁將基坑開挖導致的坑外土體變位在一定程度上作了隔離；而隔離樁靠近基坑時之所以再次出現差異沉降變小的趨勢，是因為隔離樁與地下連續墻的距離很小時，樁與地下連續墻以及兩者之間的土體構成一種類似排架的“復合”圍護結構，相當于大幅增加了圍護結構的剛度，因此基坑變位較小，坑外土體的不均勻沉降也隨之變小。從圖7中可以看出，隔離樁的位置與地下連續墻最大彎矩兩者接近單向線性關系，隨著隔離樁靠近基坑，地下連續墻的最大彎矩持續減小。這是由于隔離樁離基坑越近，樁與地下連續墻的協同作用越強，隔離樁對土壓力的分擔越多，因此地下連續墻的彎矩減小。

綜合隔離樁的位置對鄰近建筑物差異沉降的影響可以看出，隔離樁靠近被保護建筑物和靠近基坑圍護結構雖然都可以減小基坑開挖引起的地表不均勻沉降，但是隔離樁設置在距保護建筑物較近位置上的效果更好。在圖6中，隔離樁距建筑物為2m時的建筑物差異沉降小于隔離樁距建筑物為16m時的建筑物差異沉降。隔離樁距保護建筑物也不能過近，必須考慮隔離樁施工對保護建筑物可能產生的影響。

圖6 隔離樁位置與建筑物差異沉降關系圖

3.2.3 隔離樁剛度對沉降控制的影響

圖7 隔離樁位置與地下連續墻最大彎矩關系圖

在φ800mm＠1 000mm鉆孔灌注樁剛度的基礎上進行增減，以研究剛度變化對建筑物差異沉降的影響（設隔離樁距幼兒園5m，距基坑12m，樁長為20m）。圖8中給出的是隔離樁樁體剛度對沉降控制的影響。為了表示方便，特做如下定義：圖8橫坐標中1代表φ800mm＠1 000mm鉆孔灌注樁換算得到的板單元剛度，0.1代表將此剛度折減為十分之一，橫坐標中2代表剛度增大1倍，以此類推。分析圖8中曲線可以發現，隔離樁的剛度與差異沉降控制有明顯的相關性：隔離樁的剛度太小，差異沉降較大，保護效果有限；隨著剛度的增大，當達到1時，曲線趨于平緩；若剛度繼續增加，其對差異沉降的控制貢獻不明顯。隔離樁剛度與地下連續墻最大彎矩的相互規律與上述中剛度－差異沉降的規律非常接近（見圖9）：隔離樁剛度增大時地下連續墻的最大彎矩減小；相對剛度達到1左右時，曲線斜率已很小，地下連續墻的最大彎矩趨于穩定；再繼續增加剛度，差異沉降幾乎不受影響。

圖8 隔離樁剛度與建筑物差異沉降關系圖

4 有限元計算值與實測值的對比

圖9 隔離樁剛度與地下連續墻最大彎矩關系圖

實際采取的建筑物保護方案為：隔離樁選擇φ800mm＠1 000mm鉆孔灌注樁，樁長20m，隔離樁距離幼兒園約為5m。基坑施工之前，為加強對幼兒園的監測和保護，在其周圍共設置16個測點。這里選取比較有代表性的2個測點F21與F22（見圖10）。其中F21距離基坑最近為17m，F22距離基坑約38m。實際監測表明，在基坑的施工過程當中，F21產生的沉降最大值約為20.2mm，F22則比較小，約為11.8mm。現以差異沉降為參照，對比基坑施工各工況下實際監測沉降值和有限元計算所得沉降值。為方便表達，圖11中曲線的橫坐標數字表示基坑開挖到相應支撐時的工況。比如：1代表基坑開挖第一層土并架設第一道支撐；2代表基坑開挖第二層土并架設第二道支撐；其余依此類推；5代表開挖到基坑底。從圖11中可以看出：監測值在第四道支撐架設之前，實際建筑物的差異沉降比計算值要小，其原因可能是由于二維的有限元分析，未能反映基坑變形的空間效應，造成計算結果偏大；而到開挖后期，監測的建筑物差異沉降明顯增加，這是由于后期局部施工段底板澆注因大雨在一定程度上延誤了工期，底板剛度沒有及時形成。總體上，計算值與實測值的2條曲線趨勢基本相同。基坑施工過程中，監測到的建筑物最大差異沉降達到8.4mm，這個差異沉降值與建筑物安全容許差異沉降相比還很小。因此，隔離樁對基坑臨近建筑物的保護效果是顯著的。

圖10 監測點布置圖

圖11 差異沉降計算值與實測值對比圖

5 結語

通過對隔離樁的有限元分析計算和實際工程監測值的對比，可得到以下結論：

1）隔離樁對鄰近基坑的建筑物保護有顯著的效果，可以很好地控制被保護建筑物的差異沉降。

2）隔離樁必須有合理的樁長，應穿過基坑開挖引起的坑外土體滑裂面，才能得到比較好的沉降控制效果。

3）隔離樁設置的位置應盡量合理地靠近被保護建筑物，同時要考慮到施工對建筑物造成的不利擾動。

4）隔離樁應該具備一定的剛度才能發揮保護作用，本文通過對計算結果的分析，推薦隔離柱采用直徑不小于600mm的鉆孔灌注樁。

［1］翟杰群，賈堅，謝小林.隔離樁在深基坑開挖保護相鄰建筑中的應用［J］.地下空間與工程學報，2010，6（1）：163.

［2］阮艷妹.復雜條件下深基坑施工對鄰近建筑的影響及加固設計［J］.甘肅科技，2009，25（11）：86.

［3］劉國彬，王衛東.基坑工程手冊［M］.2版.北京：中國建筑工業出版社，2009：707.

［4］王衛東，王建華.深基坑支護結構與主體結構相結合的設計、分析與實例［M］.北京：中國建筑工業出版社，2007.

［5］劉國彬，魯漢新.地下連續墻成槽施工對房屋沉降影響的研究［J］.巖土工程學報，2004，26（2）：287.

［6］高彥斌，吳曉峰，葉觀寶.地下連續墻施工對臨近建筑沉降的影響［J］.地下空間，2003，23（2）：115.

［7］徐軍林.地鐵車站深基坑施工對周邊建筑物的影響分析［J］.城市軌道交通研究，2011（6）：71.