基于“剛度比”的深基坑群擾動(dòng)疊加控制方法研究*

上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 201114

大都市的中心城區(qū)，地面空間幾近飽和，要提高城市土地資源利用率、改善城區(qū)功能，拓展開發(fā)地下空間資源成為主要途徑。

但是，中心城區(qū)進(jìn)行大體量的土方開挖卸載，不可避免地面臨著苛刻的環(huán)境保護(hù)難題，怎樣合理控制施工擾動(dòng)，降低近鄰環(huán)境土工安全風(fēng)險(xiǎn)意義重大。

1 剛度比法擾動(dòng)控制思路

毗鄰既有建筑的深基坑群開挖卸載擾動(dòng)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是貫穿單坑卸載全程的土體應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)改變引發(fā)的環(huán)境擾動(dòng)；二是群坑間的綜合剛度差異導(dǎo)致的鄰近既有建（構(gòu)）筑物的變位擾動(dòng)。因此，針對(duì)深基坑群的開挖卸載，本文嘗試以“深基坑綜合剛度”作為控制目標(biāo)，研究鄰近環(huán)境土工的擾動(dòng)響應(yīng)。

1.1 深基坑群剛度比擾動(dòng)控制方法思路

深基坑群剛度比控制方法，就是通過控制深基坑群內(nèi)各單坑的綜合剛度，實(shí)現(xiàn)群坑卸載過程中的基坑剛度同步削弱，降低坑間過大剛度差導(dǎo)致的毗鄰建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生附加差異變位，進(jìn)而對(duì)既有建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生損傷。單坑的綜合剛度，是圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、支撐體系剛度、被動(dòng)區(qū)土體剛度等的綜合表征量。

1.2 深基坑群擾動(dòng)疊加控制思路

深基坑群疊加擾動(dòng)控制，堅(jiān)持“過程控制”的原則，通過采取有效的技術(shù)手段，嚴(yán)格控制群坑內(nèi)各單坑卸載過程中每道工序的擾動(dòng)水平，通過“均衡卸載，限時(shí)支撐”，達(dá)到各單坑擾動(dòng)的低水平疊加要求，最終實(shí)現(xiàn)深基坑群連續(xù)卸載的低擾動(dòng)控制。

2 深基坑群分區(qū)卸載擾動(dòng)控制技術(shù)[1-8]

2.1 深基坑群分區(qū)卸載擾動(dòng)預(yù)判

2.1.1 研究背景

以上海外灘通道（南段）工程延安東路—廣東路區(qū)段為背景。區(qū)段自南向北依次有亞細(xì)亞大樓、東風(fēng)飯店和佳通物業(yè)3 棟建筑。建筑東側(cè)為外灘通道主線，劃分為5A1、5A2和5A3三個(gè)區(qū)段，開挖深度在17.5～19.5 m；建筑南側(cè)為外灘通道延安東路匝道區(qū)段，影響最大的為6A1區(qū)段，開挖深度約為12 m；建筑西側(cè)為聯(lián)誼大廈二期工程，開挖深度18.6 m。各區(qū)段工程相繼同期開挖。既有建筑與深基坑群關(guān)系見圖1。

圖1 既有建筑與深基坑關(guān)系

2.1.2 分析模型

模型見圖2。數(shù)值模擬分析模型包括土體、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、保護(hù)性建筑基礎(chǔ)和已完成結(jié)構(gòu)4 個(gè)部分。模擬工況設(shè)置包括對(duì)稱卸載工況6A1→5A3→（5A2+聯(lián)誼二期）、非對(duì)稱卸載工況6A1→5A3→5A2→聯(lián)誼二期和非對(duì)稱卸載工況6A1→5A3→聯(lián)誼二期→5A2。

圖2 數(shù)值模擬模型

2.1.3 結(jié)果分析

由計(jì)算結(jié)果可知，既有建筑的水平變位對(duì)深基坑群的“綜合剛度差”相對(duì)較為敏感，減小剛度差有利于控制深基坑群階次開挖過程中緊鄰既有建筑的水平變位；既有建筑兩側(cè)基坑同步開挖，可有效降低深基坑群的綜合剛度差，減小既有建筑的水平變位。同時(shí)，既有建筑的豎向變位會(huì)略微增大，但可通過增大基坑支護(hù)剛度予以降低（圖3、圖4）。

圖3 既有建筑豎向變位對(duì)比

圖4 既有建筑水平向變位對(duì)比

2.2 深基坑群圍護(hù)體系選型

通道深基坑群（5A1～5A3）受作業(yè)面和工期約束，設(shè)計(jì)采用“明挖順作法”進(jìn)行施工。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，支撐體系采用“鋼筋混凝土+鋼支撐”的混合體系，在確保支撐體系有足夠剛度的同時(shí)，有效縮短了基坑的階段性無撐暴露時(shí)間。

對(duì)比分析聯(lián)誼大廈二期基坑逆作和順作2 種工況對(duì)既有建筑的影響情況。結(jié)果表明，聯(lián)誼大廈側(cè)基坑采取逆作法，可有效降低既有建筑的豎向變位，但橫向變位會(huì)略有增大。但綜合考慮安全、工期、和場(chǎng)地等因素，聯(lián)誼大廈側(cè)宜采用逆作法，與通道側(cè)的支撐體系剛度差可通過調(diào)整通道側(cè)的被動(dòng)區(qū)加固范圍與參數(shù)予以彌補(bǔ)。

2.3 被動(dòng)區(qū)土體加固

為減小既有建筑東西兩側(cè)深基坑群間的支護(hù)體系剛度差，通道深基坑群的被動(dòng)區(qū)加固采用“坑內(nèi)滿堂加固+混凝土撐下抽條加固“的復(fù)合加固方式，以提高通道側(cè)深基坑的綜合剛度。加固方式采用高壓旋噴法，以提高坑內(nèi)土體的抗變形力學(xué)特性，顯著提升加固體的綜合模量。加固范圍為坑底以下4 m；考慮到鋼筋混凝土支撐澆筑及強(qiáng)度發(fā)揮需要一定的時(shí)間，通道側(cè)的支撐體系剛度處于相對(duì)薄弱期，既有建筑東西兩側(cè)的支撐體系剛度差較為明顯，對(duì)鋼筋混凝土支撐下方土層進(jìn)行抽條加固，加固深度為鋼筋混凝土支撐底面下3 m，抽條寬度為混凝土撐下3 m，要求加固體28 d抗壓強(qiáng)度≥1.2 MPa，旋噴樁樁間搭接≥30 cm，以改善通道側(cè)支護(hù)體系的綜合剛度。

2.4 深基坑群分期卸載部署

借鑒數(shù)值模擬結(jié)果，既有建筑東西兩側(cè)聯(lián)誼大廈二期深基坑和外灘通道深基坑采取同步開挖均衡卸載的方法，盡量降低土方卸載對(duì)既有建筑的擾動(dòng)影響。同時(shí)，考慮到既有建筑分布于通道基坑?xùn)|側(cè)，因此，外灘通道5A1、5A2、5A3和6A1區(qū)基坑開挖，每皮土均堅(jiān)持“東西分區(qū)，先東后西”的施工順序進(jìn)行開挖；并且開挖過程中嚴(yán)格遵循“限時(shí)開挖，即時(shí)支撐”的原則，通過優(yōu)化基坑開挖工況，盡可能縮短基坑的無撐暴露時(shí)間，減小基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和由其導(dǎo)致的周邊環(huán)境土工變形。通道側(cè)深基坑開挖工況見圖5。

圖5 通道側(cè)深基坑群分區(qū)分層開挖示意

3 既有建筑安全監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 既有建筑安全控制標(biāo)準(zhǔn)

在經(jīng)過對(duì)既有建筑進(jìn)行前期檢測(cè)評(píng)估后，鄰近既有建筑的安全控制標(biāo)準(zhǔn)定為：

（a）最大沉降速率不大于2.0 mm/d；

（b）累計(jì)沉降量不大于20 mm（后經(jīng)專家論證調(diào)整為30 mm）；

一旦測(cè)值超過報(bào)警值，要求在采取可靠措施并且待沉降速率恢復(fù)達(dá)到1.0 mm/d后再進(jìn)行施工。

3.2 既有建筑監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示既有建筑的水平位移變化不明顯。既有建筑的豎向變形發(fā)展較為顯著，具體結(jié)果見圖6、圖7。

分析圖6可知，既有建筑的沉降累積值為24.36 mm。其中，圍護(hù)施工階段變形控制極好，幾無沉降；圈梁首道撐及坑內(nèi)降水施工階段，沉降變形累積值為4.16 mm，約占總累積沉降量的17.1%，主要由降水引起；開挖至底板完成階段，沉降累計(jì)值達(dá)18.16 mm，增量為13.7 mm，約占總累積沉降量的57.5%；結(jié)構(gòu)回筑階段，累積變形達(dá)到24.36 mm，增量為6.2 mm，約占總累積值的25.4%。可見，建筑變形主要發(fā)生在開挖卸載階段，且在結(jié)構(gòu)底板澆筑完成后仍持續(xù)發(fā)展。

圖6 既有建筑沉降歷時(shí)曲線

圖7 既有建筑沉降變化速率歷時(shí)曲線

分析圖7可知，基坑開挖前，既有建筑日平均變形量小且為穩(wěn)定；從圈梁及首道支撐施工開始至結(jié)構(gòu)底板封閉，既有建筑的日變形量較大；結(jié)構(gòu)回筑階段，既有建筑的沉降仍在持續(xù)發(fā)展，但日變化量逐漸減小而趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語

深基坑群卸載的環(huán)境土工擾動(dòng)，是與圍護(hù)形式、支撐體系、被動(dòng)區(qū)加固和分期均衡卸載方式等密切相關(guān)的，施工中宜綜合考慮其組成的綜合剛度影響；深基坑群卸載期間，其綜合剛度變化較大，隨著開挖而持續(xù)減弱，對(duì)環(huán)境的影響也逐漸明顯；隨著結(jié)構(gòu)回筑，深基坑的綜合剛度再次持續(xù)增強(qiáng)，從而對(duì)鄰近環(huán)境土工的擾動(dòng)逐漸降低并最終趨于穩(wěn)定。

采用深基坑群剛度比的擾動(dòng)控制方法，可以較好控制深基坑群分期卸載期間鄰近環(huán)境土工的擾動(dòng)。