新型勁性水泥土攪拌樁圍護結合頂板逆作組合施工方法在緊鄰歷史保護建筑深基坑工程中的應用

吳忠峰

浙江大東吳集團建設有限公司 浙江 湖州 313000

隨著城市建設的蓬勃開展，城區可開發土地資源日益減少，緊鄰歷史保護建筑等重要建筑進行地塊開發常常無法避免。而在整個土建過程中，以基坑施工對周邊鄰近建筑的影響最為顯著，因基坑施工不當造成周邊建筑損壞的例子比比皆是。因此，減小基坑施工對鄰近建（構）筑物的影響日漸成為工程界亟待解決的問題[1-7]。

本文將以某鄰近歷史保護建筑的深基坑工程為載體，探索一種將新型勁性水泥土攪拌樁圍護與頂板逆作相結合的施工方法。

1 工程概況

湖州市某改擴建工程位于吳興區內，基坑開挖面積11 050 m2，開挖深度11.6～13.3 m，設有2層地下室，基坑整體呈方形。基坑周邊2倍開挖深度內分布有中學宿舍、教學樓、醫院住院樓、辦公樓等建筑（圖1）。其中，北側紅樓、西側磚混2層教學樓和東南角3層向上樓均為歷史保護建筑，基礎形式為淺基礎，距離基坑分別為9.0、21.4、16.6 m，是施工過程中的重點保護建筑。

圖1 基坑平面示意

基坑原設計方案采用SMW（勁性水泥土墻）工法樁作為圍護，坑內設置2道混凝土內支撐，但通過計算分析發現基坑首道混凝土支撐剛度較弱，難以滿足歷史保護建筑變形控制的要求，且SMW工法樁后期需拔除H型鋼，可能對歷史保護建筑造成進一步的結構損傷。

綜合考慮安全、經濟和工期等因素，決定采用新型勁性水泥土攪拌樁作為基坑圍護，該新型圍護樁在水泥土攪拌樁中插入800 mm×400 mm預制混凝土工字形樁，其樁身截面抗彎剛度相當于700 mm×300 mm的H型鋼（圖2），且造價低廉，插入后無需拔除回收。同時，為解決首道支撐剛度不足的問題，逆作地下室頂板作為基坑首道支撐，減小基坑側壁變形。

圖2 新型勁性水泥土攪拌樁

場地內土層主要分布有①雜填土、②粉質黏土、③1粉土、③2粉土、④1礫砂、④2粉質黏土、⑥1黏土和⑥2粉質黏土，主要物理力學性質見表1。

表1 土層物理力學參數

2 基坑開挖影響分析

傳統基坑設計采用的荷載-結構法只能對結構本身受力特點進行分析，無法反映土體與結構相互作用以及土體變形對周邊環境的影響。基于連續介質的地層-結構法可以較為完美地解決這一問題。

本工程周邊存在多幢歷史保護建筑，故采用連續介質有限元法對基坑開挖及內部結構回筑施工造成周邊歷史保護建筑結構的影響進行分析。

2.1 計算模型

本次分析主要是研究基坑施工對周邊歷史保護建筑的影響，因此選取了距離基坑最近的歷史保護建筑斷面（圖3）并采用二維有限元法進行分析。考慮到基坑的對稱性，采用1/2模型進行分析。

在確定模型尺寸時，應充分考慮工程的影響范圍：水平方向，模型邊界距離基坑邊不小于5倍基坑開挖深度；豎直方向，取基坑底下方4倍開挖深度為模型下表面，即模型下表面距上表面50 m。

圖3 分析斷面

歷史保護建筑、基坑圍護樁、基坑第1道支撐（地下室頂板）、第2道混凝土支撐、地下室底板、中板均采用梁單元模擬。土體單元選取平面應變三角形15節點單元，土體本構模型采用小應變硬化土模型，模型參數根據表1確定。

模型邊界條件均為位移邊界條件。其中：地表為自由邊界條件；模型左右兩側邊界的側向水平位移均限制為零，豎向自由；模型底部邊界的豎向以及水平向位移均限制為零。

2.2 施工工序模擬

根據問題的需要，結合實際施工工序，對計算工序和步驟作如下定義：

1）土體初始應力計算：初始地應力的計算主要考慮土體自重，計算時歷史保護建筑作為已建結構，在模型中已被激活。

2）工序1：施工新型勁性水泥土攪拌樁圍護。

3）工序2：基坑第1次土方開挖并施工地下室頂板作為第1道混凝土支撐。

4）工序3：基坑第2次土方開挖至第2道混凝土支撐底并澆筑第2道混凝土支撐。

5）工序4：基坑第3次土方開挖至基坑底，澆筑地下室底板。

6）工序5：基坑拆除第2道混凝土支撐，完成剩余地下室結構施工。

3 數值分析結果

3.1 基坑圍護變形

基坑開挖及回筑施工過程（工序2—工序6）圍護變形情況如圖4所示。計算表明：

圖4 基坑圍護沿深度側向變形

1）圍護頂部側向變形最大值僅有0.36 mm，采用地下室頂板作為基坑第1道支撐的方法，很好地控制了基坑上部變形。

2）一般情況下，基坑最大變形發生在基坑坑底位置。而本基坑最大變形28 mm，發生在基坑坑底以下8 m位置，這表明當第1道支撐剛度很大時，圍護最大變形將向土體深部發展，減小上部圍護變形。

3.2 歷史保護建筑變形

保護建筑最大變形如圖5所示，保護建筑傾斜率變化如圖6所示。分析表明：

1）歷史保護建筑最大變形22.4 mm，其中豎向沉降20.49 mm，水平位移9.1 mm。

2）變形以沉降變形為主，水平變形占比較小，表明采用地下室頂板作為支撐時，可以顯著減小保護建筑的水平位移。

3）建筑傾斜率隨基坑施工不斷增加，最大傾斜率達0.038%，發生在基坑開挖到底時，基坑回筑對傾斜率影響較小。

圖5 保護建筑變形

圖6 保護建筑傾斜率變化

4 分析結果與實測數據對比

保護建筑鄰近圍護測斜管得到的圍護日最大側向變形如圖7所示。實測表明，基坑開挖到底時圍護側向變形達到最大值，為29.32 mm，發生于坑底下6 m左右位置。該結果與數值分析得到的變形情況十分吻合，驗證了數值分析的可靠性。

圖7 圍護測斜管的最大側向變形

5 結語

通過以上分析，可以得出以下結論：

1）數值分析表明，基坑圍護最大變形為28.00 mm，保護建筑最大沉降20.49 mm，最大傾斜率0.038%，均滿足基坑、保護建筑的安全要求。

2）逆作地下室頂板作為基坑首道支撐，顯著增加了首道支撐剛度，減小了緊鄰保護建筑的水平變形和傾斜率。

3）采用新型勁性水泥土攪拌樁作為基坑圍護經濟性好，后期無需拔除，解決了傳統SMW工法樁后期拔除H型鋼對鄰近建筑造成進一步結構損傷的工程難題。

4）經過有限元數值模擬和現場實測數據驗證，采用新型勁性水泥土攪拌樁圍護與頂板逆作相結合的組合施工方法，可以有效地降低深基坑施工時對周邊建筑的影響，起到保護重要建筑的作用，建議可在類似工程中進一步加以推廣。

[1] 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.

[2] 游慶軍.緊鄰重要保護建筑的超深基坑開挖風險分析與控制[J].建 筑施工,2012,34(8):771-772.

[3] 尹曉潔.緊鄰歷史保護建筑的深基坑施工技術[J].建筑施工, 2017,39(7):940-942.

[4] 趙良.鬧市中心運營醫院內的深基坑變形控制施工技術[J].建筑施 工,2019,41(8):1407-1409.

[5] 凌崗.毗鄰軌道交通地下線等復雜環境的深基坑施工變形控制研 究[J].建筑施工,2019,41(8):1399-1400.

[6] 陳林靖,戴自航.基坑懸臂支護樁雙參數彈性地基桿系有限元法[J]. 巖土力學,2007,28(2):415-419.

[7] 劉瑞璞.軟土地區深基坑施工中的基坑變形控制[J].科技經濟導刊, 2018,26(36):57.