緊鄰既有建筑物深基坑支護設計與評價

趙慶攀 李力 于亮 李海斌(深圳市大升勘測技術有限公司)

0 引言

隨著我國大城市的發展，建設用地越來越緊張，越來越多的城市更新建設項目在市中心城區，周邊緊鄰既有老舊建（構）筑物及市政管線。緊鄰既有建筑物深基坑支護設計既要滿足基坑自身安全要求，還要以變形控制為主[1-3]，這成為一個巖土工程設計工程師近年來遇到的難點之一。緊鄰既有建筑物的深基坑設計關鍵是控制基坑變形，保證鄰近建筑物正常使用，不受基坑開挖影響。因此深基坑開挖對周邊建筑物的變形影響分析、監測尤為重要。

1 工程概況

項目為改擴建工程，拆除原有校舍原址重建，擬規劃新建教學樓、教師生活輔助用房和臨時校舍各1 棟，大部分區域設2 層地下室，局部為一層。基坑開挖面積約6785m2，周長約404m，最大挖深約9.75m。北側既有教學樓距基坑邊線約5.2m，始建于1986年（4F），基礎型式為柱下鋼筋砼獨立基礎，后于1997 年加建1 層；教師生活輔助用房距坑邊約4.0m，基坑基坑平面布置見圖1。

圖1 基坑平面布置俯瞰圖

2 地質和水文地質條件

場地地形地勢平坦，基坑開挖深度范圍內巖土層主要為人工填土、粉質黏土、黏土、粗砂及礫砂層，其中粗砂及礫砂層主要分布于坑底附近，兩層累計厚度5～10m。場地混合穩定水位埋深2.70～4.80m，水位年變化幅度1.0～2.0m。

表1 為基坑開挖影響深度范圍內地層的主要巖土物理力學參數。

表1 土層物理力學參數

3 基坑設計方案

3.1 支護選型

基坑支護設計選型條件如下：

⑴場地西側及北側緊鄰既有老舊建筑，且教學樓建筑形狀不規則，對差異沉降較為敏感；

⑵場地東側及南側緊鄰市政路，市政管線分布密集；

⑶開挖范圍內分布有雜填土層及強透水砂層，且砂層主要位于坑底附近，厚度較厚；

⑷場地施工用地緊張，既要考慮支護結構及周邊環境安全，又要兼顧方便基坑及結構施工組織。

綜上所述，基坑既要保證緊鄰建筑物安全，又要保證基坑開挖和出土順利[5]。基于此，本基坑設計方案采用了排樁結合內支撐支護，并根據基坑各段周邊環境保護要求，結合成本因素，分別采用了咬合樁結合內支撐方案。

3.2 設計方案

基坑支護支護設計方案采用咬合樁+內支撐形式，咬合樁兼做止水帷幕，咬合樁直徑1.2m、咬合寬度300mm 的咬合樁，采用軟咬合工藝施工。為更好地控制支護結構水平向的變形，減少支護樁樁身撓曲，特意將支撐由冠梁層適當下移，減小支撐至坑底的跨度，同時也減少了支撐到樓板的高度，方便后續支撐拆除。

此外，因為基坑西側教學樓在基坑開挖期間需正常使用，為確保建筑安全，針對基坑西側離既有教學樓過近、砂層較厚的情況，為防止支護樁施工擾動及成孔時砂土流失導致基礎沉降過大，在支護樁外側采取袖閥管注漿加固隔離。袖閥管注漿鉆孔直徑110mm、間距1000mm、排距500mm，梅花形交錯布置。袖閥管應在基坑支護樁施工前完成注漿加固。為防止袖閥管注漿對建筑基礎造成抬升，基礎附近臨近地表3.0m 不注漿。典型注漿剖面如圖2所示。

圖2 袖閥管注漿隔離典型剖面（單位：mm）

4 計算分析

4.1 支護結構計算

采用理正深基坑7.0 版對基坑支護結構受力及變形進行計算分析，輸入表1 土層參數后計算得到樁身內力及水平位移包絡圖，見圖3。從圖3可以看出，樁身最大水平位移為7.05mm，遠小于基坑規范[1]給出的一級基坑變形最大限值30mm。并且，支護樁樁身正彎矩和負彎矩分布比較均勻，說明基坑支護設計是合理的，有效利用樁身混凝土及鋼筋強度，節約項目成本。

圖3 支護樁樁身內力及水平位移包絡圖(最大值7.05mm)

4.2 坑邊建筑沉降計算

本項目基坑西側緊鄰天然地基老舊教學樓，除滿足支護結構自身的構件安全及變形外，控制坑邊建筑差異沉降更是基坑支護設計的重點[4-5]，即在支護設計時須考慮控制坑外地面沉降。

本設計參照《基坑工程手冊》（第二版）推薦的地層損失法來估算坑頂地表沉降。所謂地層損失法，即根據地下墻體變形的包絡面積來推算墻后的地表變形[6]。常用的地表沉降曲線類型主要有指數曲線型、拋物線型和三角形。其中三角形的沉降曲線一般發生在圍護墻位移較大的情況，如柔性懸臂的鋼板樁支護等。本項目采用排樁結合混凝土支撐方案，對變形控制要求嚴格，支護結構剛度大，且插入坑底較深，地表沉降采用指數法進行分析較為合理。

圖4給出了理正深基坑7.0版本軟件計算的樁身位移及地表沉降位移結果，按照指數法進行合并分析，坑頂地表沉降最大值為9mm，小于常規建筑要求的絕對沉降30mm。

圖4 地表沉降及樁身位移計算結果

本項目教學樓為框架結構，除需考慮絕對沉降外，還須考慮柱基沉降差，根據《建筑地基基礎設計規范》[7]對建筑變形允許值的相關規定，民用框架結構相鄰柱基的沉降差允許值為0.002L（L 為相鄰柱基的中心距）。將上述沉降計算結果和結構柱基疊加（如圖4 所示），可得到最大計算沉降差為7.2mm，滿足規范要求的8.0mm。

5 基坑變形監測

5.1 監測方案

基坑主要監測項目：坑頂水平位移、坑頂沉降、地下水位、樁身深層水平位移等。基坑監測點平面布置圖見圖5。

圖5 基坑監測點平面布置圖

5.2 監測數據分析

為更直觀評估支護結構對周邊建筑物的影響，著重對基坑開挖過程中支護樁結構水平位移、沉降等監測數據曲線進行分析[2]。

圖6 和圖7 分別為坑頂豎向沉降、水平位移監測結果隨時間變化曲線圖，圖8 和圖9 為建筑物及周邊地表沉降值隨時間變化關系曲線。從圖中可知，建筑物及周邊地表沉降極小，說明基坑圍護結構起了有效的約束作用[6-7]，基坑開挖對周邊環境影響極小，進一步說明圍護結構設計和施工是合理有效的。

圖6 坑頂豎向位移隨時間變化關系曲線

圖7 坑頂水平位移隨時間變化關系曲線

圖8 建筑物沉降值隨時間變化關系曲線

圖9 基坑周邊地表沉降值隨時間變化關系曲線

6 結論

⑴緊鄰既有建筑物的深基坑設計關鍵是控制基坑變形，保證鄰近建筑物正常使用，不受基坑開挖影響。

⑵緊鄰建筑物基坑采用排樁結合混凝土支撐方案，對變形控制要求嚴格，支護結構剛度大，且插入坑底較深，地表沉降采用指數法進行分析較為合理。

⑶該工程現在基坑已回填，整個基坑開挖過程中基坑變形、建筑物沉降均較小，說明咬合樁結合內支撐的基坑設計方案安全可靠。