臨近既有建筑物的深大基坑開挖穩(wěn)定性分析

王 飛，史旭波，馮世開

（中冀建勘集團(tuán)有限公司，河北石家莊 050200）

隨著城市人口的不斷增加，城市的土地逐漸緊張，為了緩解土地使用的問題，越來越多的城市逐漸將城市建設(shè)開發(fā)逐漸由地上轉(zhuǎn)向地下，因而，地下商場(chǎng)逐漸應(yīng)運(yùn)而生發(fā)展起來。地下商場(chǎng)的建設(shè)一般周圍均有建筑物，因而開發(fā)過程中不僅要求保證自身的穩(wěn)定性，還需要保證周邊建筑物的安全，這就要求基坑開挖過程中要保證足夠的穩(wěn)定性。

基坑開挖過程中研究基坑穩(wěn)定性的方法主要有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、模型模擬、試驗(yàn)研究等方法，專家學(xué)者在這方面已經(jīng)做了大量的研究，并取得了較為豐碩的研究成果。張治國等[1]以某在建工程為研究對(duì)象，對(duì)基坑施工階段不同施工工序時(shí)周邊歷史保護(hù)建筑物進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，得到了建筑物的沉降規(guī)律。戴駿[2]使用PLAXIS軟件對(duì)基坑開挖引起周邊建筑物沉降建立數(shù)值分析模型，得出基坑地下連續(xù)墻位移與距周邊建筑物距離之間的關(guān)系；程聰[3]通過ABAQUS軟件對(duì)基坑開挖以及基坑降水引起周邊土體及建筑物沉降建立數(shù)值分析模型，分析得出結(jié)構(gòu)間的相互影響；鄭剛等[4]利用PLAXIS 3D Foundation軟件對(duì)某實(shí)際工程建立模型，研究了基坑周邊位移沉降與結(jié)構(gòu)剛度與建筑物距離之間的關(guān)系；李佳宇[5]通過構(gòu)建FLAC3D模型模擬某實(shí)際基坑工程，分析了基坑周邊及周圍建筑物的位移沉降與基坑方位、建筑物基礎(chǔ)形式、建筑物結(jié)構(gòu)剛度之間的關(guān)系；施有志等[6]使用PLAXIS有限元軟件構(gòu)建基坑開挖模型，研究開挖基坑周圍建筑物的結(jié)構(gòu)形式、距離大小等條件對(duì)基坑開挖穩(wěn)定性的影響；蔡智云[7]通過構(gòu)建ANSYS模型模擬基坑開挖過程，地下連續(xù)墻與周邊建筑物在不同工況下的位移值和沉降值；王旭[8]通過對(duì)基坑周圍及建筑物布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)基坑開挖不同施工階段地下連續(xù)墻和周邊建筑物位移和沉降，并對(duì)其進(jìn)行分析；陸志杰[9]利用PLAXIS軟件分析周邊樁基建筑物與基坑穩(wěn)定性的耦合作用。

在前人的研究基礎(chǔ)上，本研究以某在建地下購物中心建筑物深大基坑工程為研究對(duì)象，對(duì)地下連續(xù)墻水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并分析基坑不同方位地下連續(xù)墻的水平位移規(guī)律。

1 工程概況

本文以某在建地下購物中心建筑物深大基坑工程為研究對(duì)象，該建筑物基坑的長為265m，寬為19.8m,標(biāo)準(zhǔn)部分平均深度為25.2m，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。基坑采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐的結(jié)構(gòu)形式，地下連續(xù)墻平均厚度為0.8m，平均埋深為30m,沿著基坑深度范圍內(nèi)布置四道支撐，冠梁尺寸為800mm×900mm，第一道鋼支撐采用700mm×900mm的鋼筋混凝土支撐，下面三道支撐采用直徑610mm，管壁厚度為18mm的圓形鋼管支撐。

基坑位于主干道旁邊，且基坑西側(cè)分布有以下建筑：一個(gè)3層淺基礎(chǔ)的慈善基金會(huì)建筑，兩構(gòu)造物最短距離為5.5m，最大距離為25.1m；一個(gè)5層人工挖孔樁基礎(chǔ)的酒店，兩構(gòu)造物最短距離為4.4m；一個(gè)4層鉆孔灌注樁基礎(chǔ)的醫(yī)院，兩構(gòu)造物最短距離為4.89m；一個(gè)5層人工挖孔灌注樁基礎(chǔ)的圖書館，兩構(gòu)造物最短距離為3.8m；一個(gè)8層靜壓預(yù)制方樁基礎(chǔ)的醫(yī)院，兩構(gòu)造物最短距離為4.89m。本文主要研究對(duì)象為臨近慈善會(huì)和俊王酒店側(cè)的基坑范圍，對(duì)基坑周圍布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 基坑地下連續(xù)墻水平位移分析

慈善會(huì)和俊王酒店位于基坑的西側(cè)，圖1為水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況，為了分析基坑開挖過程中，建筑物周圍地下連續(xù)墻的水平位移，選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)JCD-04、JCD-06、JCD-08、JCD-10、JCD-12為研究對(duì)象。基坑開挖為分層分段開挖，結(jié)合實(shí)際施工計(jì)劃，將基坑開挖過程分成6個(gè)施工階段，如表1所示。

圖1 基坑地下連續(xù)墻水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

表1 施工階段劃分表

JCD-04墻體水平位移曲線如圖2所示，位于慈善會(huì)建筑物東側(cè)，距離基坑南側(cè)約21.8m，監(jiān)測(cè)管道埋深31.2m，因地下連續(xù)墻施工的影響，實(shí)際檢測(cè)深度為27.4m。由圖2可知，JCD-04地下連續(xù)墻水平位移向基坑內(nèi)方向呈現(xiàn)“凸”狀：從初始狀態(tài)到工序四，墻體水平位移最大值隨基坑開挖過程不斷增大，且最大值出現(xiàn)的位置逐漸下移，五個(gè)階段中，最大位移出現(xiàn)在工序四的深度15.1m左右，最大值為12.87mm。工序五與工序四比較，墻體水平位移最大值減小，最大值出現(xiàn)在深度為15.9m左右，水平位移值為8.20mm。出現(xiàn)這種狀況的原因?yàn)椋弘S著開挖深度的不斷加深，土體不斷卸載，地下連續(xù)墻受到西側(cè)土體的側(cè)向壓力逐漸增大，墻后土體對(duì)地下連續(xù)墻荷載的合力作用點(diǎn)逐漸下移，導(dǎo)致地下連續(xù)墻的位移向基坑內(nèi)移動(dòng)，而且由于合力下移的作用，地連墻最大偏移量作用點(diǎn)逐漸下移；在工序四到工序五這個(gè)階段，由于施工不當(dāng)導(dǎo)致地下連續(xù)墻出現(xiàn)滲漏，現(xiàn)場(chǎng)施工單位在進(jìn)行壓力注漿堵漏時(shí)，由于注漿壓力為控制得當(dāng)導(dǎo)致地下連續(xù)墻JCD-05出現(xiàn)較大的位移，注漿前與注漿后比較最大位移值增大了13.14mm，如圖3所示。對(duì)比分析JCD-04與JCD-05、JCD-04與JCD-05位于同一斷面，在內(nèi)支撐的作用下，JCD-04處地下連續(xù)墻的變形明顯比JCD-05小，且對(duì)比JCD-04的工序五與工序四，地連墻位移值減小。

圖2 JCD-04墻體水平位移曲線

圖3 JCD-05墻體水平位移曲線

對(duì)于墻頂水平位移，從初始狀態(tài)到工序二，墻頂向坑內(nèi)側(cè)移動(dòng)，水平位移值較小，從工序三開始地下連續(xù)墻墻頂逐漸向基坑外側(cè)移動(dòng)，且位移量逐漸增大，最大值為-10.29mm，且從工序三開始，位移0點(diǎn)逐漸下移，在第五工序結(jié)束后最低，位移0點(diǎn)深度最大值為8.9m。出現(xiàn)這種狀況的原因?yàn)椋旱剡B墻頂部由于距離基坑開挖地面距離較遠(yuǎn)，且處于頂部，因而受到土壓力的作用基本不變，且在土壓力、水壓力和內(nèi)支撐三者作用力作用下保持平衡，但隨著開挖深度的增大，土體中的水沿著地下連續(xù)墻出現(xiàn)滲漏，水壓作用逐漸減小，基坑外土體為粉質(zhì)粘土，抗剪強(qiáng)度小，因而隨著水壓力的減小，地下連續(xù)墻頂部逐漸向外移動(dòng)。

JCD-06墻體水平位移曲線如圖4所示，位于俊王酒店東南側(cè)，距離基坑南側(cè)約41.9m，監(jiān)測(cè)管道埋深29.9m，因地下連續(xù)墻施工的影響，實(shí)際監(jiān)測(cè)深度為27.4m。由圖4可知，從初始狀態(tài)開始，墻體水平位移最大值隨基坑開挖過程不斷增大，且最大值出現(xiàn)的位置逐漸下移。相較于工序三，工序四墻體水平位移最大值增幅較大，增大約11.9mm，工序五的墻體水平位移最大值最大，最大值出現(xiàn)在深度為17.4m左右，水平位移值為20.95mm。

圖4 JCD-06墻體水平位移曲線

對(duì)于墻頂水平位移，從初始狀態(tài)到工序一，墻頂向坑內(nèi)側(cè)移動(dòng)，水平位移值較小，從工序二開始地下連續(xù)墻墻頂逐漸向基坑外側(cè)移動(dòng)，且位移量逐漸增大，工序五的水平位移最大值為-7.61mm，且從工序二開始，位移0點(diǎn)逐漸下移，在第五工序結(jié)束后最低，位移0點(diǎn)深度最大值為4.9m。對(duì)于地下連續(xù)墻變形和頂部位移的原因與JCD-04基本相同，主要區(qū)別在于工序三到工序四出現(xiàn)較大位移變化的原因：由于基坑由15.3m開挖至20.9m過程中，該區(qū)段土體主要是強(qiáng)風(fēng)化粉質(zhì)砂巖，強(qiáng)度低，易變形，開挖至該區(qū)段時(shí)，地下水沿著地下連續(xù)墻出現(xiàn)嚴(yán)重滲漏，進(jìn)而墻體穩(wěn)定性降低，在施工擾動(dòng)及墻后土體作用下，因而該施工過程墻體出現(xiàn)較大的變形。

JCD-08墻體水平位移曲線如圖5所示，位于俊王酒店東側(cè)，距離基坑南側(cè)約61.9m，監(jiān)測(cè)管道埋深26.9m，由圖5可知，從初始狀態(tài)開始，墻體水平位移最大值隨基坑開挖過程不斷增大，且最大值出現(xiàn)的位置逐漸下移，工序五的墻體水平位移最大值最大，最大值出現(xiàn)在深度為18.4m左右，水平位移值為15.73mm，在工序四和工序五時(shí)位移值增幅較大。分析其原因：由15.3m開挖至25.2m過程中，該區(qū)段土體主要是強(qiáng)風(fēng)化粉質(zhì)砂巖，易受到施工擾動(dòng)的影響，墻體逐漸向基坑內(nèi)移動(dòng)，對(duì)于工序四和工序五地下連續(xù)墻底部出現(xiàn)較大程度變形的原因是由于施工過程中未及時(shí)架設(shè)鋼支撐導(dǎo)致的，進(jìn)而引起地下連續(xù)墻下部在無支撐的情況下長時(shí)間承受墻背后土體的壓力作用，且墻后強(qiáng)風(fēng)化粉質(zhì)砂巖承載能力弱，導(dǎo)致墻體出現(xiàn)較大幅度的變形。

圖5 JCD-08墻體水平位移曲線

對(duì)于墻頂水平位移，從初始狀態(tài)到工序一，墻頂先向坑內(nèi)側(cè)移動(dòng)，水平位移值較小，從工序二開始地下連續(xù)墻墻頂逐漸向基坑外側(cè)移動(dòng)，且位移量逐漸增大，工序五的水平位移最大值為-15.57mm，且從工序二開始，位移0點(diǎn)逐漸下移，工序五的位移0點(diǎn)最深，深度值為4.49m。主要原因?yàn)椋簤Ρ惩馏w地下水位下移，水壓力下降，墻體在土壓力、水壓力、內(nèi)支撐的平衡作用被打破，進(jìn)而導(dǎo)致墻頂向基坑外移動(dòng)。

JCD-10墻體水平位移曲線如圖6所示，位于俊王酒店東北測(cè)，距離基坑南側(cè)約81.5m，監(jiān)測(cè)管道埋深27.1m，由圖6可知，從初始狀態(tài)開始，墻體水平位移最大值隨基坑開挖過程不斷增大，且最大值出現(xiàn)的位置逐漸下移，工序五的墻體水平位移最大值最大，最大值出現(xiàn)在深度為16.9m左右，水平位移值為14.39mm，在工序四和工序五施工完成后，墻體底部均出現(xiàn)較大幅度的位移，這對(duì)于保持墻體的穩(wěn)定性存在一定的影響。

圖6 JCD-10墻體水平位移曲線

對(duì)于墻頂水平位移，工序一施工完成后，墻頂向坑內(nèi)側(cè)產(chǎn)生水平位移，但水平位移值較小，從工序三開始地下連續(xù)墻墻頂逐漸向基坑外側(cè)發(fā)生水平位移，且位移量逐漸增大，在工序三—五施工完成后發(fā)生較大幅度的增加，工序五地下連續(xù)墻墻頂?shù)乃轿灰谱畲笾禐?8.07mm，但位移0點(diǎn)在工序三—五基本保持不變，均保持在3～4m深度范圍內(nèi)。分析地下連續(xù)墻底部發(fā)生較大位移的原因：在該斷面21.2～25.6m范圍內(nèi)局部存在中等風(fēng)化粉質(zhì)砂巖，該區(qū)域施工時(shí)采用光面爆破施工，施工對(duì)墻體產(chǎn)生了一定的擾動(dòng)，因而導(dǎo)致在工序四和工序五地下連續(xù)墻底部出現(xiàn)了較大程度的變形位移。

3 結(jié)論

通過對(duì)某在建地下購物中心建筑物深大基坑工程基坑局部區(qū)域布置水平位移監(jiān)測(cè)管道對(duì)地下連續(xù)墻位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以得到以下結(jié)論：

（1）地下連續(xù)墻內(nèi)支撐可以有效降低減小地下連續(xù)墻的水平位移，更有利于抑制墻后土體的水平滑動(dòng)，保證地連墻的穩(wěn)定。

（2）隨著開挖深度的增加，地下連續(xù)墻向內(nèi)側(cè)的水平位移的最大值一般呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，在分析的JCD-4、JCD-6、JCD-8、JCD-10監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，最大位移為20.95mm，且最大值逐漸下移。

（3）隨著開挖工序的不斷進(jìn)行，地下連續(xù)墻墻頂?shù)乃轿灰瞥霈F(xiàn)先向基坑內(nèi)測(cè)移動(dòng)，后向墻背移動(dòng)的變化規(guī)律，且地連墻沿深度范圍內(nèi)位移0點(diǎn)逐漸下移。