運用分坑施工法控制深基坑周邊環境變形的數值分析研究*

上海市建工設計研究院有限公司 上海 200050

1 工程背景

1.1 基坑概況

建設中的上海國際舞蹈中心新址位于上海市虹橋歷史文化風貌保護區內，基坑開挖分為2 層，1 層基坑總面積約26 609 m2，周長約927 m；2 層基坑面積約14 428 m2，周長約707 m；1 層區域挖深6.4 m，2 層區域挖深10.8 m。

1.2 周邊情況

本工程地理位置條件優越，周邊歷史氛圍濃厚，更被6 幢市級優秀歷史建筑所環繞，保護等級均較高，且距離基坑很近。基坑南鄰延安高架路、北緊貼軌道交通10號線，西側為水城南路，東側為延虹綠地。周邊保護建筑與本基坑工程關系見圖1，圖中編號為6#～11#的6 棟建筑物均為2 層磚混結構，采用條形基礎和天然地基。其中10#樓距離基坑邊緣最近處僅有3.72 m。

1.3 工程地質與水文地質概況

上海位于東海之濱、長江入海口處，屬長江三角洲沖積平原，擬建場地地貌單元屬濱海平原地貌類型，地形較為平坦。

圖1 周邊保護建筑平面位置

場地內地下水類型為潛水，主要補給來源為大氣降水及地表徑流，埋深一般為地表下0.3～1.5 m。勘察期間實測地下水穩定水位埋深在0.80～1.50 m之間。

2 基坑工程的特點和難點[1]

（a） 環境保護要求高。周邊建筑中分布有市級優秀歷史建筑6 幢，離基坑邊線距離均在1 倍開挖深度以內，其中南側10#樓距離基坑邊線最近為4.027 m。

（b）基坑形狀極不規則。本工程是在拆除原有建筑物之后新建的項目，基坑的形狀極不規則，同時須考慮保護保留的6 棟市級優秀歷史建筑，給基坑支護設計中支撐的布置帶來困難。

（c）基坑開挖面積大，存在2 個挖深。本工程1層基坑總面積約26 609 m2，2層基坑面積約14 428 m2。1層挖深6.4 m，2層挖深10.8 m，坑內標高各異，施工的流程與基坑支撐的傳力關系復雜。

（d）施工組織難度大。擬建場地被多幢優秀歷史建筑環繞，三面鄰近交通道路，場地條件十分有限，給施工中的材料堆場、交通組織等帶來較大的困難。

3 基坑設計和施工方案比選[2-4]

3.1 基坑設計方案比選

根據基坑的挖深分別是6.4 m和10.8 m，基坑設計方案比選內容為：一是選擇何種圍護形式；二是如何分坑；三是內支撐和坑內加固的優化設計。

為控制鄰近保護建筑不發生位移，首先應控制基坑圍護體本身的變形，為此，基坑圍護選用鉆孔灌注樁擋土+三軸止水帷幕體系。鉆孔灌注樁樁徑宜適當加大，樁長宜適當增長，同時針對基坑內被動區土體進行加固，以減小基坑開挖過程中對周邊建筑的影響。為控制地鐵保護區、延安高架路沿線范圍內的基坑變形，同樣要對坑內被動區土體進行加固。支撐體系則選用鋼筋混凝土支撐，特別在鄰近歷史建筑周邊，支撐布置宜適當加密。對于分坑位置，結合6 棟要保護建筑的平面分布位置以及基坑開挖深度，將基坑分為1、2、3區，施工3區時，基坑的變形主要影響6#、7#以及10#樓；施工1區時基坑的變形只影響到5#以及8#樓；最后施工2區時，基坑的變形只影響到11#樓，這樣對于周邊歷史保護建筑的風險就將大大的降低。

止水帷幕采用Φ850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁，水泥摻量20%。基坑開挖深度6.4 m處攪拌樁樁長為14 m，基坑開挖深度10.8 m處的攪拌樁樁長為17 m，地下室2層基坑范圍止水帷幕長度分別為28 m和22 m。基坑內地下室2層區域落深4.4 m，落深區域設置鉆孔灌注樁圍護，Φ600 mm@800 mm，樁長10 m。

我們選擇上述分坑施工的基坑圍護設計方案相對于其他的圍護方案，具有以下優點：

（a）減小基坑的時空效應。本基坑的最長邊約為600 m，采用分坑施工的方法，能夠很好地減小基坑的時間和空間效應，最大程度上保證基坑工程的安全。

（b）針對不同挖深因地制宜。由于基坑面積大，挖深不一，且落差大，針對2 個挖深，按 “先深后淺”分坑原則，先施工中間深區3區，后施工兩側1區和2區。既解決了支撐布置難的問題，有效地控制了基坑變形，減小基坑施工對周圍環境影響，還能解決施工場地緊張、施工組織困難的問題。

（c）采用具有針對性的歷史性保護建筑保護措施。按照“先深后淺”分坑原則，先施工中間深區3區，后施工兩側1區和2區，這樣的施工方法可以相對減小基坑開挖面積，基坑土方開挖時只影響鄰近建筑物，這樣對于周邊歷史保護建筑的風險就將大大降低。

3.2 基坑施工方案比選

在施工方案確立之前，我們首先在基坑的分坑設計方案的原則基礎上，為了確定各個區域之間施工先后順序對于基坑周邊環境的影響，特設置了下列3 個對比方案：

方案1：基坑整體開挖。與基坑先施工3區，再同時施工1區和2區方式對比。

方案2：分坑施工。先施工3區，1區次之，最后施工2區；與分坑施工先施工3區，2區次之，最后施工1區方式對比。

方案3：分坑施工。先施工3區，再同時施工1區和2區；與分坑施工先施工3區，1區次之，最后施工2區方式對比。

其中方案1的對比是分析基坑整體施工和分坑施工對于周邊建筑物的影響；方案2是為了區分由于基坑形狀的不規則導致開挖順序不一致，對于周邊建筑物的影響；方案3是為了區分不同施工方式對基坑的影響。

3.3 基坑施工工況對比

在數值模擬之前，還需結合基坑實際情況確定各對比方案的具體施工工況。各施工工況之間模擬結果的不同，實質就是設計思路的不同，并由此導致一系列諸如分隔樁、換撐、回填以及分坑施工結束標志的不同。分坑施工是指：各分坑區域開挖、回筑地下室至±0.00 m、回填外墻與圍護樁之間的空隙的全過程。

基坑整體開挖的工況為：先施工圍護樁并在坑內降水，再分批開挖土層并施工支撐體系，直至底板澆筑完成，再依次拆除支撐、回筑地下室至±0.00 m，最后對外墻與圍護樁之間進行回填，即完成整個基坑工程的施工。

其他各方案相較整體開挖方案而言，從設計上講，分坑施工方案必須設置分隔樁；從施工上講，每個分坑區域開挖、回筑地下室至±0.00 m的過程同整體開挖施工工序大致相同，只是分坑施工應按照設計的分坑施工工序先后開挖，在分隔樁兩側必須要換撐，待到各分坑區域施工至±0.00 m時，立即對分坑區域外墻和圍護樁之間進行回填，然后再開挖下一分坑區域，等到所有分坑區域均施工至±0.00 m后，還需拆除換撐和分隔樁，澆筑因拆除分隔樁所留底板和各結構板的后澆帶，從而完成整個基坑工程的施工。

4 數值模擬[5-8]

4.1 建立模型

MIDAS-GTS是Midas公司開發專門求解巖土力學問題的大型三維有限元程序，其基本原理與離散法相似，運用節點位移連續條件，可對連續介質進行大變形分析。本文考慮基坑開挖對周圍土體的影響范圍，三維計算模型選取600 m×600 m×60 m。

基坑三維模型主要包括土體、基坑支護結構以及周邊建筑物，基坑支護結構主要包括鉆孔灌注樁、立柱以及混凝土支撐。模擬時，鉆孔灌注樁、支撐、立柱采用梁單元模擬，土體采用實體單元模擬。模擬的本構模型選擇修正的摩爾庫侖模型，該模型適用于基坑開挖以及隧道工程，其土體參數如表1所示，圍護樁以及支撐體系的取值參照混凝土的各項參數。

表1 模擬計算土體參數取值表

4.2 對比分析

通過建立的三維計算模型，分別對之前確定的各個施工方案進行模擬。在基坑周邊建筑物上選擇4 個監測點，對周邊建筑物的變形模擬結果進行評價；在模擬過程中記錄圍護結構的水平向最大應變結果，以評價圍護結構是否滿足基坑工程的安全需要，監測點布置見圖2。

圖2 監測點布置示意

經過模擬，計算出各施工方案的變形結果，見表2。

表2 不同施工方案計算結果對比表

按照之前確定的施工工況，針對方案2的不同工況下，各監測點的水平變形計算結果如表3所示。

表3 方案2之不同工況下監測點的變形計算結果

有限元模擬結果對比如圖3～圖8。

圖3 不同施工方案計算結果對比

圖4 監測點1、2變形 計算結果對比

圖5 監測點2、3變形計算結果對比

圖6 監測點3、4變形 計算結果對比

圖7 監測點2、4、5變形計算結果對比

圖8 不同圍護結構監測點 計算結果對比

選擇圖2中的監測點2在方案2的施工方法下，對比分析不同樁長、樁徑、有無加固區時對于周邊環境的影響。監測點選取距離基坑開挖邊線5 m處，計算對比結果如圖8所示。

通過模擬的計算結果，可以看到：

（a）針對不同施工方案的對比結果，可以得出分坑施工相對于整體施工，各個監測點的變形值都有大幅度的減小，并且各個分坑施工方案之間變形趨勢基本相同，變形結果相差不大，因此建議采取方案2：即先開挖施工3區，再同時開挖施工1區和2區的方案作為基坑開挖的施工形式。

（b）針對于監測點1和監測點2的對比結果，可以看到兩個監測點的變形趨勢一致，結果也相差不大，因此可以證明平行于基坑開挖邊線的所有點的變形結果是保持一致的。

（c）針對于監測點2和監測點3的對比結果，可以看到兩點的變形趨勢一致，但是變形結果相差較大，監測點2的變形結果大于監測點3，這證明距離基坑遠近不同的點的變形是不一致的，距基坑越近變形越大。

（d）針對于監測點3和監測點4的對比結果，可以看到兩點變形趨勢不一致，且變形結果相差較大，監測點4的變形結果大于監測點3，這證明不同開挖深度對于周邊環境的影響是不一樣的，開挖深度越大對于基坑周邊環境的影響越大。

（e）針對于監測點2、監測點4以及監測點5的對比結果，可以看到三點變形趨勢一致，只是變形結果不同，這表明基坑開挖對于周邊建筑物的影響與建筑物自身的結構、基礎形式、荷載等因素相關。

（f）針對于圖8的對比結果，可以看到對比點的變形趨勢一致，但變形結果差別較大，證明我們采用增加大樁徑、增長樁身長度并采用坑底加固的方式，能夠減小基坑開挖對于周邊環境的影響。

4.3 模擬計算結果對設計和施工的指導

由于本工程對于環境保護要求高、基坑開挖面積大、形狀不規則以及施工組織難度大，尤其是對于基坑四周存在的6 棟歷史保護建筑，在基坑開挖對周邊建筑影響的數值模擬計算后，我們采取了如下的措施，在保證基坑安全的前提下，著重考慮減小基坑工程施工對于周邊環境的影響。

（a）設計方面。根據基坑周邊建筑物的具體情況，采取增大樁徑、加深樁長結合坑底加固以及增加止水帷幕的深度的方式，來減小由于建筑物自身因素以及基坑自身因素帶來的影響。

（b）施工方面。基坑采用分坑施工，先3區然后1、2區同時施工的方法，減小了基坑每次開挖的面積以及影響范圍，從而減小對周邊建筑物的影響。采用這樣的方法，來控制由于基坑開挖施工以及建筑物的相對位置不同的因素所帶來的影響。

5 結論

本文基于上海國際舞蹈中心基坑項目設計，結合工程的自身特點，適用數值模擬計算，研究了基坑分坑施工對于周邊環境的影響，得出以下結論：

（a）在周邊存在歷史性保護建筑或對環境控制要求較高的場地條件下，基坑工程設計、施工必須從源頭上保證基坑的安全性，實踐證明，分坑施工是保證安全的有效措施。

（b） 通過三維有限元模擬，對比了不同施工方案對于基坑周邊建筑物的影響，得出了分坑施工法具有對基坑周邊環境影響小、基坑安全性高的優點，證明了分坑施工對于同類基坑工程的可行性。

（c）本文還總結了基坑工程施工對于周邊建筑物的影響因素，并有針對性的通過設計方案和施工方案減小基坑工程對于周邊建筑物的影響，從而達到保護周邊環境的目的。