深基坑施工對緊鄰既有建筑的變形影響和控制研究

曹 琛

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

近年來，中心城區地下空間開發常常會遇到緊鄰既有商業建筑、歷史保護建筑、地鐵和市政管線的情況，基坑設計和施工需要關注強度和變形控制兩方面，更加嚴格地控制基坑變形和周邊環境影響[1-2]。因此，合理評估深基坑施工對周邊既有建筑結構的影響，對于安全開發城市地下空間是非常重要的[3]。

丁勇春等[4]研究了上海軌交10號線南京東路車站深基坑施工過程中鄰近歷史建筑的變形控制技術，探討了隔斷樁設置對土體側向變形的影響。魏道江[5]基于結構可靠性理論提出了一種基坑支護優化方法，較好地應用于長沙地鐵3號線車站深基坑對鄰近既有建筑的保護。李偉強[6]在上海某醫院改擴建工程中優化了深基坑支護方案，施工全過程較好地保護了鄰近歷史保護建筑和院內原有建筑。

本文以上海軌交13號線某車站深基坑工程為例，利用數值模擬結合現場實測的方法，探討施工控制措施對一幢緊鄰的商業酒店的變形影響，為相關工程提供參考。

1 工程概況

上海軌交13號線某車站基坑分為南端頭井、南段、中間段、北段以北端頭井，設計深度24～26 m，某商業酒店鄰近基坑圍護3～4 m（圖1）。本深基坑共設5道鋼筋混凝土支撐：第2道為800 mm×1 000 mm；其余均為1 000 mm×1 000 mm。靠近該商業酒店設置厚1 000 mm、深53 m的地下連續墻，地下連續墻接縫采用雙高壓旋噴樁止水，深度17～34 m。車站基坑采用寬3～8 m的裙邊加固和寬3 m的抽條加固，加固范圍為坑底以下3 m及第4道混凝土支撐以下2 m。

圖1 車站深基坑和緊鄰建筑平面示意

該商業酒店為4層建筑，總高約17 m，東西長約79 m，南北寬約17 m，東西向中間分為2個分區，底層高4.50 m，2、3層高4.00 m，西區4層高4.65 m，東區4層高4.00 m。東、西兩區均為混凝土框架結構，結構布局基本規則，柱距一般為5～8 m，柱截面為450 mm×500 mm，混凝土強度C20，中部結構縫寬約100 mm。兩分區基礎相互連接，為整體式梁筏基礎，筏板厚度300 mm，地基埋深約2.0 m，混凝土設計強度C20，設計時地基承載力不足，采用深層水泥攪拌樁進行地基加固。經過先期周邊基坑的開挖，房屋當前總體上傾斜變形不大，損傷主要是填充墻體的開裂和吊頂裝修與填充墻接觸部分的脫開，混凝土主體結構構件未發現明顯的裂縫損傷。房屋當前總體上基本完好，但抗震縫周圍局部構件損壞嚴重，當前裂縫損傷尚不影響主體結構的安全性。因此，基于目前房屋的情況，深基坑施工時須對該房屋采取保護性措施。

2 深基坑施工關鍵控制技術

2.1 增設臨時鋼支撐

為減少混凝土支撐養護期間的基坑變形，在第3～5層土方開挖過程中增設φ609 mm臨時鋼管支撐（圖2），預加軸力為1 500 kN/根。臨時鋼支撐中心標高位于每道混凝土支撐底部以上2 m，每幅地下連續墻設置2根鋼支撐。臨時鋼支撐在每道混凝土支撐形成前使用，混凝土支撐澆筑完成并養護達到設計強度80%，即24 MPa后，該道臨時鋼支撐可拆除，并流轉下層土開挖使用。為測試早期強度，每根支撐澆筑完成后，須多做2組混凝土試塊。

圖2 臨時鋼支撐布置

2.2 加大混凝土支撐剛度

原設計的支撐間跨度達12 m，通過采用3種措施適當提高混凝土支撐剛度，以控制基坑變形：正對既有商業酒店處增加2根混凝土直撐；混凝土支撐端部八字撐改為大板撐；混凝土強度等級由C30提高至C40。

2.3 優化基坑施工流程

總體挖土順序由北到南，分層開挖，每層先開挖標準段北段，后開挖標準段中間段。

標準段北段場地條件較好，可兩邊出土，安排2個工作面。基坑寬34.8 m，按支撐布置情況分7塊挖土，單塊寬約8.5 m，由東向西分塊挖土。第3層土深4.5 m，單塊土體量約1 330 m3。按挖土能力，24 h挖土約1 400 m3，單塊土體應在24 h內完成挖土。單根混凝土支撐施工時間約12 h。挖土與混凝土支撐施工不沖突，則標準段北段第3層土開挖可在8 d內完成。標準段中間段設置棧橋，為單邊出土，標準段中間段基坑寬34.8 m，按支撐布置情況分5塊挖土，單塊寬約12 m，由東向西分塊挖土。第3層土深4.5 m，單塊土體量約1 900 m3。按挖土能力，24 h挖土約1 400 m3，單塊土體應在36 h內完成挖土。每塊設4根鋼支撐，需8 h完成安裝。單根混凝土支撐施工時間約12 h。挖土與鋼支撐、混凝土支撐施工相沖突，則標準段中間段第3層土開挖可在12 d內完成。

2.4 水平注漿

對緊鄰建筑東側下部土層進行水平注漿：

1）在基坑內，第2道混凝土支撐以上500～1 000 mm處（梅花形布置）打設注漿孔至坑外，注入水泥漿，為加快凝結速度，摻入水玻璃（水泥漿水灰比0.5，水玻璃質量分數2%），注漿位置為坑外1 m處；孔距2 m，范圍至鄰近建筑南北兩邊各6 m，數量約為16孔。

2）第3道混凝土支撐以上注漿位置：坑外2 m處，孔數及孔距與第2道混凝土支撐相同。

3）第4道混凝土支撐以上注漿位置：坑外3 m處，孔數及孔距與第2道混凝土支撐相同。

16孔全部打完后，需要進行注漿時打開閥門，插入注漿管進行注漿。在混凝土支撐完成7 d后開始注漿，計算近期沉降引起的土體缺失量，按1.5倍計算漿液用量，逐孔注入漿液。采用2套設備注漿，注漿壓力0.3～0.5 MPa，以注漿壓力上升至1.0 MPa或計算漿量用完后停止注漿。觀測沉降值，近期沉降超過2 mm時再次注漿。

4）實施信息化施工，若該建筑單次上抬超過2 mm時停止注漿。

3 數值模擬與分析

運用有限元軟件建立在建工程和鄰近建筑的有限元模型。基坑在開挖前場地存在初始應力場，按土體自重應力場來模擬場地存在的初始應力場。關于鄰近建筑物超載對初始應力狀態的影響，運用生死單元法[7]，在基坑開挖前激活鄰近建筑物模型和荷載，考慮其對初始應力場的影響。基坑開挖過程運用生死單元法模擬，通過分步激活支撐和殺死土體單元，模擬各道支撐架設和土體開挖的全過程。

基坑開挖至基底時最大變形為88.4 mm，在靠近鄰近建筑物側，符合設計要求，合理調整基坑施工流程和基坑支護形式能夠較好地控制基坑變形。算例考慮3種工況：未水平注漿僅考慮優化施工流程和支護形式，水平注漿提高土體強度50%和100%。以有限元分析得知，開挖至基坑底部時，鄰近建筑豎直位移沉降為86.4 mm，水平位移向坑內方向變形17.5 mm；采取注漿措施加固后，分別提高土體剛度50%和100%后，其最大沉降分別在79.9 mm和77.5 mm，側移為17.2 mm和17.0 mm。地基注漿加固漿液注入率為20%，最大沉降基本可以控制在80.00 mm之內。監測結果中，施工至底板，鄰近建筑沉降為67.75 mm，小于預測值。因此，通過注漿加固增大土體剛度，結合提高支撐剛度等措施，可有效地緩解地基沉降變化速率過快的問題。

4 結語

本文以鄰近既有建筑的地鐵車站深基坑工程為例，提出了控制既有建筑變形的措施，運用數值模擬手段，結合監測數據論證了保護措施的有效性，主要有以下結論：

1）綜合采用增加混凝土支撐剛度、增加鋼支撐、優化開挖流程等方案，能較好地控制基坑和鄰近建筑的變形。

2）運用水平注漿提高土體強度超過50%時，數值預測能夠控制鄰近建筑沉降在80.00 mm以內。現場監測結果表明，底板施工完成后最大沉降值為67.75 mm，小于預測值，水平注漿能夠有效控制鄰近建筑沉降。