軟土地基相鄰深基坑開挖相互影響分析與對策

吳銘炳 洪世海

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

城市建設過程中，有時會遇到相鄰兩個(或多個)深基坑距離較近，基坑開挖深度不同或接近，開挖時間相同或相近，不同基坑必然會產生相互影響。本文通過工程實例，主要針對軟土地基采用排樁加內支撐的支護結構的相互影響進行研究，在各自按常規基坑支護設計的基礎上，相鄰處冠梁采用連梁相連，應用有限元法計算，模擬各基坑開挖過程，研究相鄰基坑的相互影響及變化規律，并通過實測對比，分析研究采取的措施及其效果，以資類似工程借鑒。

1 工程實例

A銀行與B銀行場地均位于福建省泉州市豐澤區東海片區，分別設有3層與4層地下室，支護結構之間距離5.70m～10.00m。場地土層自上而下為：雜填土，松散，厚度0.80m～8.50m；中細砂，稍密-中密，厚度2.70m；淤泥，流塑，厚度2.70m～12.30m；含泥中砂，稍密-中密，厚度0.90m～3.00m；粉質粘土，可塑，厚度0.60m～6.30m；殘積砂質粘性土，可塑，厚度0.60m～16.50m；全風化花崗巖，土狀，厚度0.40m～4.40m；強風化花崗巖(1)，散體狀，厚度1.10m～19.20m；強風化花崗巖(2)，碎塊狀，厚度0.40m～7.10m；基巖為中風化花崗巖。

A銀行設3層地下室，主體結構工程樁采用(沖)鉆孔灌注樁，地下室周長約325.00m，基坑開挖深度為14.93m～16.43m。 地面高程7.800m～10.200m。基坑支護采用排樁式內支撐結構。基坑圍護樁采用Ф1000@1300或Ф1100@1300沖孔灌注樁，擋土與止水帷幕采用Ф850@600三軸水泥攪拌樁(后因遇填塊石，改為Ф800@1300高壓旋噴樁)。支撐結構采用3道鋼筋混凝土對撐及角撐。

B銀行設4層地下室，主體結構工程樁采用人工挖孔樁，地下室周長283.0m，基坑開挖深度為19.00m。地面高程6.500m～7.800m。基坑支護采用排樁式內支撐結構。基坑圍護樁采用Ф1100@1300mm,鋼筋混凝土旋挖灌注樁，擋土與止水帷幕采用Ф850@600三軸水泥攪拌樁，支撐結構采用3道鋼筋混凝土對撐及角撐。

兩個基坑工程由兩個不同的設計單位按常規設計方法[1]計算和設計，基本上同一時期前后施工，因此必須考慮兩個基坑彼此相互影響問題。兩家銀行曾經多次協調，想把兩個基坑并成一個基坑，也提出了并坑的設想，但存在問題如下：

(1)基礎形式不同，A銀行采用沖(鉆)孔灌注樁，基坑開挖前，需進行工程樁施工。B銀行采用人工挖孔樁，基坑開挖后，進行人工挖孔樁施工。若要并坑，B銀行需暫時停工，等A銀行進行樁基施工。開挖到底后，A銀行需暫時停工，等B銀行進行樁基施工，兩個工程施工工期都很緊張，均無法停工等待，無法協商一致。

(2)內支撐位置一般要避開樓板位置，由于各地下室樓板標高不同，若支撐梁避開A銀行樓板位置，則會遇到B銀行樓板位置，反之亦然，影響支撐拆除安全和地下室施工。

(3)基坑開挖深度不同，地下室層數不同，地面標高不同，支撐道數無法統一，兩個基坑原設計均采用3道支撐。若以A基坑支撐標高為準，則B基坑第三道支撐離坑底開挖面距離太大，需再加設一道支撐，變為4道支撐；若以B基坑支撐標高為準，則第三道支撐位于A基坑底板位置，A基坑無法進行底板施工。

(4)支撐拆除時，需通過換撐由主體結構承擔土壓力等荷載，由于兩個工程的地下室深度和各層標高不同，地下室底板、樓板錯位，換撐傳力較復雜，且出現一個基坑外側可以設置隔板換撐，另一個基坑樓板無法施工、無法設置隔板換撐。

由于上述原因，兩個工程基坑實際上無法合并支護、合并施工，故只能各自施工。

2 相鄰基坑相互影響分析

對單個基坑而言，基坑外側土壓力都是半無限體土壓力，是基本上平衡的。若存在相鄰基坑，則相鄰一側的冠梁外側無超載土體，如圖1陰影部分。且土體為窄條，即相鄰側基坑土壓力為窄條土壓力，與半無限體土壓力不同，窄條土壓力比半無限體土壓力小，對各基坑而言，兩側土壓力出現不平衡，就會出現如圖2所示的向坑外變形的現象，擠壓窄條土體。

但窄條土體土壓力若按半無限體土壓力代替，則該側支護結構計算的受力偏大，其實際安全系數偏高。

圖1 相鄰基坑相互影響分析圖

圖2 相鄰基坑相互影響變形圖

將第一道支撐通過連梁相連，其不平衡受力就可通過連梁傳遞，達到受力基本平衡，并控制圍護樁樁頂變形，減輕支護結構對窄條土體的擠壓作用，各基坑可以各自開挖。筆者在2010年福州設計的基坑工程中，通過相鄰基坑的頂部冠梁相連，成功完成各自基坑開挖的案例。通過監測，發現相鄰位置的支護樁和土體水平位移反而比其它邊小，說明頂部冠梁相連后，相鄰基坑相互影響甚微。此后，在福州多項工程上應用，均取得成功，但缺乏系統的理論研究。

3 相鄰基坑相互影響有限元計算

由于存在相鄰基坑，按目前通用軟件只能進行各自基坑的設計計算，無法進行兩個基坑同時計算，無法反映其相互影響，需采用有限元分析。

A銀行(左)、B(右)銀行設計單位各自調整支護結構冠梁與各道支撐標高，使得冠梁標高一致，相鄰冠梁采用連梁相連，如圖3所示。

圖3 A、B銀行支護結構支撐布置與冠梁相連圖

為了分析兩個基坑相互影響規律，在基坑支護施工前，A銀行單位委托我司根據各自的工序安排形成的工況進行有限元分析，并復核各基坑支護結構設計是否滿足要求。我司采用了通用巖土有限元分析軟件Midas GTS NX對基坑開挖與地下結構施工的過程進行數值分析計算，有限元模型如圖4～圖5所示。

圖4 基坑工程有限元計算模型

圖5 支護結構計算模型

材料本構模型采用修正摩爾-庫倫(Hardening Soil Model)彈塑性模型，每個地層土體的參數除按勘察報告給出的土工試驗與現場測試指標確定并換算外，相關缺項的計算參數相關規范[2]、工程地質手冊[3]確定。計算模型中土體單元的材料參數如表1所示。

表1 土體單元材料參數一覽表

考慮到相鄰基坑之間存在較厚的軟土，土體強度較低，專家提出對基坑相鄰位置的軟土采用水泥土攪拌樁進行加固，但福州已有實例并沒有采取加固措施。為了進行對比，有限元計算按照軟土不加固和采用水泥土攪拌樁加固兩種形式進行分析。

根據A、B兩個銀行建筑的工期安排，有限元按各自的實際工況模擬計算。

3.1 相鄰位置土體未加固(處于天然狀態)的有限元計算結果(圖6)

(1)A基坑西側(遠離B基坑一側)圍護樁最大位移為30.66mm，東側(臨近B基坑一側)圍護樁最大位移為12.95mm；B基坑東側(遠離A基坑一側)圍護樁最大位移為26.49mm，西側(臨近A基坑一側)圍護樁最大位移為16.77mm。

(2)基坑開挖期間地面的最大沉降發生在兩基坑相鄰位置的土體地面，最大沉降值為14.38mm。

(3)基坑開挖期間兩基坑之間連梁的最大軸向壓力值為592.26kN。

(4) B基坑第一道支撐梁局部強度稍有不足。

圖6 土條未加固的有限元計算結果圖

3.2 相鄰位置土體采用水泥土攪拌樁加固的有限元計算結果(圖7)

(1)采用土條加固方案后，A基坑(遠離B基坑一側)圍護樁最大位移最大值31.15mm，相鄰側A基坑圍護樁最大位移為7.90mm；B基坑(遠離A基坑一側)圍護樁最大位移27.18mm。相鄰側B基坑圍護樁最大位移為9.51mm。

(2)兩基坑相鄰側土體豎向沉降為7.94mm。

(3)基坑開挖期間兩基坑之間連梁的最大軸向壓力值為831.38kN。

圖7 土條加固后的有限元計算結果圖

(4)B基坑第一道支撐梁局部強度稍有不足。

從計算結果可以看出：相鄰位置土體不加固與采用水泥土攪拌樁加固措施均能滿足要求，由于本次設計在泉州屬于首次應用，為了確保安全，經相關專家討論，選用采取水泥土攪拌樁加固措施的方案。而且，B基坑設計單位根據有限元計算結果，對第一道支撐梁強度稍有不足進行了加強。

有限元分析報告通過了專家論證。

4 基坑開挖監測與有限元計算結果對比分析

兩個基坑按各自要求布置監測點，主要為土體變形監測、圍護樁變形監測、地面沉降、水平位移監測等，并在相鄰部位增加連梁應力監測點和地面位移監測點，經監測，結果如下：

(1)采用土條加固方案后，A基坑(遠離B基坑一側)圍護樁最大位移實測值29.9mm，(計算最大值31.15mm)，相鄰側A基坑圍護樁最大位移實測11.7mm～15.3mm(計算最大值為7.90mm)。

(2)兩基坑相鄰側土體豎向沉降實測值12.7mm～14.5mm(計算值為7.94mm)。

(3)基坑開挖期間兩基坑之間連系梁的最大軸向壓力值實測為974.5kN(計算值為831.38kN )。

不同深度圍護樁水平位移-深度(測斜)曲線與有限元計算結果比較接近，如圖8所示。

從監測結果可以看出：有限元計算結果與實測值比較接近，反映的規律基本相同。

圖8 圍護樁水平位移深度實測曲線與計算曲線

5 結論

(1)相鄰深基坑開挖造成土壓力不平衡，相鄰位置的窄條土壓力比半無限體土壓力小，按半無限體土壓力代替窄條土壓力偏于安全。

(2)頂部冠梁采用連梁相連后，可以避免窄條土體受到擠壓破壞，基坑相鄰位置的支護結構變形、受力比其他邊小，可確保各自基坑的安全穩定。

(3)有限元計算結果與實測基本接近，其變化規律基本反映實際情況。