超大深基坑施工對不同基礎類型建筑物影響的控制與分析

陳耀敏

上海市靜安區建筑建材業管理中心 上海 200070

1 工程及地質概況

1.1 工程概況

上海某基坑工程西鄰淺基礎公寓，南鄰城市支路及高層住宅，北鄰大型公共建筑（圖1）。基坑開挖占地面積約43 294 m2。本項目地下共4層，局部2層，開挖深度23.1～23.8 m（局部開挖深度約13.4 m）。

圖1 背景工程概況

基坑西側及南側有大量的多層居民樓，大多建造年代較久，采用淺基礎磚混結構，樓板多采用預制多孔板，結構構造薄弱，整體性差；房屋多存在一定程度的老化損傷現象，部分房屋有一定的地基不均勻沉降，建筑材料老化和房屋維護不足。部分居民樓距離基坑相對較近（約10 m），易受到基坑施工影響，應作為基坑施工過程中的重點。

基坑西北側緊鄰上海馬戲城中劇場（約10.3 m），采用膜結構，對變形較敏感，基坑開挖過程中需對其加強保護。

基坑北側為5層框架結構，平行基坑方向縱向長度約150 m，垂直基坑方向橫向寬度約20 m。該建筑物縱橫向剛度差異較大，且距離本項目基坑較近（約10.9 m），易受到基坑施工影響。

本項目基坑開挖總面積超過40 000 m2，基地大部分區域設4層地下室，大體量的土體開挖卸載將對鄰近的地鐵、居民樓等周邊環境造成較大影響；同時由于開挖較深，可能需要按需分級降低承壓水水頭，大體量的抽取承壓水也會對周邊環境造成較大影響。

1.2 工程地質條件

場地屬濱海平原型正常沉積區，受沉積環境影響，地表下30.0 m深度段地基土層分布基本穩定，30.0～75.0 m深度段地基土層變化較大。按地基土層的成因類型、空間分布及土性特征，本次勘探深度范圍內的土層自上而下分為11個主要層次：厚度1.00～5.10 m的雜填土；第②層褐黃-灰黃色粉質黏土；第③層灰色淤泥質粉質黏土；第④層灰色淤泥質黏土；第⑤層灰色黏性土，埋深17.0～18.5 m；第⑥層暗綠-草黃色粉質黏土，層頂埋深25.0～33.5 m（場地中部該層埋深較大）；第⑦層草黃-灰色砂質粉土及第⑧1層灰色黏土；第⑧2-1層灰色粉質黏土與砂質粉土互層、第⑧2-1t層灰色粉砂、第⑧2-2層灰色粉砂層；第⑨層灰色中砂；第⑩層灰色粉質黏土夾砂及第?層灰色粉砂。

2 鄰近建筑物結構特點分析

1）多層1、2：房屋為6層住宅樓，標高－1.7～16.8 m。房屋主體結構采用磚混結構，承重墻體采用多孔磚和混合砂漿砌筑，縱橫墻交接處設鋼筋混凝土構造柱，各層墻頂設鋼筋混凝土圈梁，架空層樓板采用鋼筋混凝土預制多孔板，各層樓屋面板采用鋼筋混凝土預制多孔板和鋼筋混凝土現澆板。承重磚墻下采用鋼筋混凝土條形基礎（擴大基礎），基底標高為－1.7 m，基礎厚度350 mm，墻兩側擴出850～1 400 mm，基礎墊層厚100 mm。

2）多層3、4、5：房屋為6層住宅樓，標高－3.0～20.9 m。房屋主體結構采用磚混結構，中部一半面積大小為底層框架結構，承重墻體采用多孔磚和混合砂漿砌筑，縱橫墻交接處設鋼筋混凝土構造柱，各層墻頂設鋼筋混凝土圈梁，各層樓板采用鋼筋混凝土預制多孔板和鋼筋混凝土現澆板，中部底層框架對應2層樓板和屋面板采用鋼筋混凝土現澆板。中部底框區域框架柱下和兩端磚混區域承重磚墻下均采用鋼筋混凝土筏板基礎，筏板厚350 mm，基底標高－3.0 m，其他區域采用擴大基礎，基礎厚度40 mm，墻兩側擴出1 100～1 500 mm，基礎墊層厚100 mm。

3）高層1：地上9層，房屋主體結構采用鋼筋混凝土異形柱框架結構，估計各層樓屋面采用鋼筋混凝土現澆梁板結構，采用樁基礎。

4）高層2：地上5層、地下1層，鋼筋混凝土框架結構，樁基礎。

3 圍護方案選擇

根據本工程特點及周邊環境情況，本著合理、可靠、經濟的原則，因地制宜確定本基坑安全等級及周邊環境保護等級均為一級，局部鄰多層淺基礎居民樓側保護等級大于一級。

研究籌劃將本工程基坑分為多個區獨立交叉、先后施工，以滿足工程需要，控制基坑開挖對周邊環境的影響。鄰近研究對象一側的基坑施工順序如下：本工程基坑工程總體分12個區順作施工，鄰近建筑物一側共5個基坑，分別為1區、2區、3區、4區、5區（見圖1），均為地下4層結構。地下4層外圍采用厚1 200 mm地下連續墻作為地下室永久結構的一部分，深度49.6～54.6 m；地下4層各分區交界處臨時隔斷采用厚1 000 mm地下連續墻，深度46.6～49.6 m。1區、2區基坑共有5 道鋼筋混凝土支撐；3區、4區、5區基坑共有6道支撐，其中第2～4道以φ609 mm×16 mm鋼管支撐為主，局部為混凝土支撐，第5、第6道支撐為鋼筋混凝土支撐（各有1道鋼支撐換撐）?？拷课菪』硬捎萌惯吔Y合抽條加固方式進行坑底加固，要求加固體強度達到0.8 MPa。

三軸攪拌樁槽壁加固采用φ850 mm@600 mm，搭接250 mm，樁長27 m。為保護居民樓結構安全，本基坑在基坑西側及南側圍護結構外基地紅線范圍內設置雙排φ350 mm拱形樹根樁結合單排φ400 mm樹根樁作為隔離保護結構，樁長28 m。

4 基坑開挖方案與實施

由于基坑周邊環境復雜，對圍護結構變形和周圍環境要求嚴格，同時因鄰近房屋的原因，基坑及地下室施工工期要求非常緊，因此，須采取一種既能更好地保證基坑及周邊環境安全，又能將工期盡可能縮短的開挖方案[1-6]。結合實際，各子坑的施工順序如下：首先開挖施工1區；待1區底板完成澆筑并達到強度后，回筑時開始開挖2區；待1區出±0.00 m，且2區底板完成澆筑并達到強度后，回筑時開始開挖3區；待2區出±0.00 m，且3區底板完成澆筑并達到強度后，回筑時開始開挖4區；待4區底板完成澆筑并達到強度后，回筑時開始開挖5區。

再根據各子基坑規模、幾何尺寸、圍護墻體及支撐結構體系的布置、基坑地基加固和施工條件，按照“分層、分塊、對稱、平衡、限時”的原則確定各子坑的分塊方案（圖2）。限時要求如下：

圖2 各子坑施工分塊

1）1區、2區每區基坑內編號相同的坑邊分塊，從邊坡土方開挖到支撐澆筑并與已形成的支撐對接完畢須控制在24～32 h內。最后一層坑邊土方從分塊開挖到墊層澆筑完畢須控制在12～24 h內，隨挖隨澆墊層，各分塊墊層面積應控制在200 m2內。

2）3區、4區、5區每區基坑內同編號分塊，從土方開挖到內支撐架設或制作需控制在18 h內。最后一層土方從分塊開挖到墊層澆筑完畢須控制在12 h內，隨挖隨澆墊層，各分塊墊層面積應控制在150 m2內。

5 周圍環境監測分析

5.1 房屋變形有限元預測分析

5.1.1 ?模型建立

采用二維彈塑性有限元分析方法，模擬基坑體系非線性變形下的坑周地層應力場和位移場。建模范圍為基坑及周圍約80 m空間范圍內的土體，圍護和支撐結構均采用彈塑性BEAM單元模式來模擬。BEAM單元為三節點平面單元，彈塑性模式可以較好地模擬結構非線性力學特性。土體采用十五節點平面單元及硬化土（HS）材料模式來模擬。部分計算參數由以往同類工程實測數據反分析求得。計算中考慮了地面建筑物超載的影響。通過分荷載步求解來模擬施工工況，通過單元的“激活和凍結”手段來模擬土體開挖和結構澆筑（圖3）。

圖3 總位移等值線

5.1.2 ?計算結果

經有限元計算分析，基坑開挖對周邊設施產生的附加變形影響的計算結果為：周邊多層居民樓的水平位移為6.7 mm，豎向位移為13.2 mm。

5.2 房屋變形規范經驗預測分析

根據相關的技術規范，基坑環境保護等級為一級時，圍護結構變形最大側移控制在0.18%H（H為基坑開挖深度）。對于板式支護體系，可采用經驗方法預估基坑開挖引起的圍護墻后的地表沉降為圍護結構最大側移的0.8倍，最大沉降點位于距離基坑0.5H位置。在2H位置，最大沉降量為最大值的1/10。由此可預估坑外地表（建筑物的基礎）最大沉降值為：0.18%×23.1×0.8=33.3 mm。

5.3 房屋沉降實測分析

針對基坑南側、西側、北側房屋，每單元設置4個監測點（角部），每棟房屋4～10個監測點，基坑開挖階段監測1次/d，數據報警則2次/d。各基坑開挖階段（開挖至底板完成）各房屋最大沉降數據及最大傾斜值如表1、表2所示。

研究對象基坑圍護施工、開挖及支撐施工期間，嚴格按照圖紙施工，開挖前各方對開挖條件進行了驗收，均滿足要求。施工過程中，嚴格按照分塊及限時的要求實施。

1）根據實測數據分析，多層1、多層2在鄰近2區基坑（0.85H距離）開挖的影響下，最大變形量與經驗公式計算值基本接近，房屋沉降量是圍護變形量的0.45～0.60倍，小于經驗公式的0.63倍（0.85H距離處，根據規范經驗數據插值計算得出，下同），主要的原因可能是，在開挖基坑2區期間，房屋與2區之間有小坑4區相隔，起到了變形控制的作用；在鄰近4區基坑（0.45H距離）開挖的影響下，房屋沉降量是圍護變形量的0.28～0.43倍，小于經驗公式的0.8倍，主要的原因可能是，4區基坑為窄坑，且采用了自動應力補償裝置，每一分塊的施工時間大大縮短。但多層1、多層2總的變形量為38.8～56.3 mm，是基坑開挖深度的0.168%～0.244%，同時是規范經驗要求的圍護變形量的0.93～1.36倍，比經驗公式計算結果33.3 mm有一定的超出（1.2～1.7倍），而比有限元分析結果13.2 mm要超出數倍（2.9～4.3倍）。

表1 各房屋最大沉降數據及最大傾斜（1區、2區開挖階段）

表2 各房屋最大沉降數據及最大傾斜（3、4、5區開挖階段）

2）根據實測數據分析，多層4、多層5在鄰近1區基坑（0.85H距離）開挖的影響下，最大變形量與經驗公式計算值相比已經超出較多，房屋沉降量是圍護變形量的0.76倍左右，略超出經驗公式的0.63倍；在鄰近3區基坑（0.45H距離）開挖的影響下，房屋沉降量是圍護變形量的1.4倍左右，同樣超出經驗公式的0.8倍，雖然3區也為窄坑，且也采用了自動應力補償裝置。多層4、多層5總的變形量為104.9～110.4 mm，比經驗公式計算結果33.3 mm要高出較多（約3.2倍），與有限元分析結果13.2 mm相比要超出數倍（約8倍）。

3）根據實測數據分析，高層1在鄰近2區基坑（1.4H距離）開挖的影響下，房屋沉降量是圍護變形量的0.45倍左右，遠高出經驗公式的0.1倍；在鄰近5區基坑（1H距離）開挖的影響下，房屋沉降量是圍護變形量的0.13倍左右，遠低于經驗公式的0.66倍。高層1總的變形量為31.5 mm，與經驗公式計算結果33.3 mm較為接近，比有限元分析結果13.2 mm有一定量的超出。

4）根據實測數據分析，高層2在鄰近1區基坑（0.5H距離）開挖的影響下，房屋沉降量是圍護變形量的1.3倍左右，高出經驗公式值的0.8倍。高層2總的變形量為83.6 mm，比經驗公式計算結果、有限元分析結果均超出較多。

6 結語

對上海某地下4層深基坑工程圍護變形、周邊房屋變形進行了分析研究，根據數據分析我們發現：

1）設計有限元計算得出的坑外沉降數據是極為理想的結果，實際中，因為支撐系統形成不可避免地需要一定時間（挖土、鋼筋、模板、混凝土施工及混凝土養護），變形必然會更大，特別是體量大的基坑工程，又有大量土方挖去之后的坑底隆起變形而導致坑外土體的“流動”，施工前需引起足夠重視。

2）對于超大深基坑，利用分坑技術處理后，坑外淺基礎房屋最大沉降量與圍護變形量的關系實測值均基本接近規范經驗數據；無分坑保護的建筑物，即使為有樁基的房屋，其沉降變形與圍護變形的比例值也遠大于規范經驗值，這既說明分坑技術在基本變形控制中的作用，同時又說明：規范經驗數據對于超大超深坑外建筑物的變形預測已經很不準確，背景工程的沉降量與圍護變形量比例值已經超出規范經驗數據62.5%。

3）對于超大深基坑，利用分坑技術處理后，對有樁基的房屋沉降變形控制非常有效，其沉降變形與圍護變形的比例值也遠小于規范經驗值（背景工程為1/3），累計絕對值也達到規范經驗數據的較優值。

4）同為淺基礎的房屋，基礎形式接近的情況下，其單位面積的自重即高度（背景工程中多層1、多層2總高度18.5 m，多層4、多層5總高度23.9 m）對其沉降影響巨大（背景工程差值約1倍），而不均勻沉降差別不大（均在0.15%～0.20%范圍）。