周邊特殊環境深基坑圍護技術及結果分析

童曉榕

(廈門百城建設投資有限公司，福建 廈門 361009)

1 對基坑周邊房屋自身采取的保護措施

在基坑工程正式施工前，對周邊敏感的房屋事先進行基礎的加固施工，提高房屋基礎的整體剛度，以減小房屋整體的沉降或傾斜。

1.1 在基坑設計階段采取的針對性措施

(1)基坑圍護體選擇地下連續墻(兩墻合一)的形式，具有抗側剛度大、整體性好、支護結構變形較小的優勢，相對其它的圍護形式，能最大程度上保護周邊敏感環境。同時，根據周邊不同的環境及其相應的環境保護要求來設計地下連續墻的嵌固深度，并對變形敏感的7層建筑、保護要求高的文物保護建筑及運行的道路側，合理地增加了地下連續墻的嵌固深度。

(2)內部鋼支撐體系采取網格式的布置形式，并適當減小支撐的布置間距，提高支撐剛度。優化了基坑開挖施工的工況，采取了頂板澆筑形成換撐板帶后拆除第1道鋼支撐，減小換撐工況而引起的圍護墻體的位移。

(3)基坑內部被動區土體采用環邊攪拌樁加固的方式，以加大被動區土體加固的平面范圍、提高坑底被動區土體抗力和控制基坑開挖過程中圍護墻體的變形。

1.2 在基坑施工階段采取的針對性措施

(1)在基坑開挖施工前，清空周邊房屋內的人員及物品，停止正在進行中的房屋內的裝修工程。基坑四周嚴禁堆載，以減小周邊荷載引起的圍護體的水平位移。

(2)地下連續墻兩側使用雙軸水泥土攪拌樁槽壁加固。對場地范圍內局部存在較厚的淤泥質粉質黏土夾黏質粉土以及地下連續墻距離周邊房屋很近的情況，采用槽壁加固的措施以確保槽壁的穩定性，同時將地下連續墻成槽施工與周邊環境隔離。

(3)加快基坑土方開挖及澆筑墊層、底板的工期，及時形成底板換撐，以縮短最不利工況即基坑開挖至基底階段的工期。

1.3 施工監測過程中采取的針對性措施

(2)施工過程中加強了對周邊房屋的監測與巡查，進一步完善了應急預案。一旦監測數據達到確定的沉降監測值，立即采取對應的應急措施，如對周邊房屋采取進一步的基礎加固或增打隔離樁等。

(2)在降水的過程中，及時根據觀測數據來控制降水速率，若發現房屋沉降監測數據突變，即準備進行跟蹤注漿。分層分塊開挖基坑內土體，墊層施工隨挖隨澆。

(3)基坑在底板位置預備增加1道臨時鋼支撐，應根據現場的觀測數據的變化來確定是否需要增加，并在基坑開挖至基底位置后立即架設，不拆除且澆筑在底板內部。

2 監測數據與有限元模擬結果對比

2.1 周邊環境有限元模擬及結果分析

地下車庫基坑以對稱模型進行分析(取半邊結構進行計算分析)，模型在水平方向上的距離采用大于2倍的開挖深度，模型的尺寸為70m×50m(水平長度×垂直長度)。

根據采用平面應變有限單元方法，有限元數值計算中，土體采用摩爾－庫倫模型，混凝土梁板、柱結構采用彈性模型，同時，對采用的接觸面考慮了土體和圍護結構之間的相互作用。在此次基坑開挖工況模擬中，我們考慮了基坑清除淺層障礙物后回填的工況以及坑底范圍土體環邊加固(圖1、圖2)。

圖1 數值有限元計算模型

圖2 土體開挖完成后總變形云狀

有限元模擬計算結果顯示，基坑開挖至基底時，地下連續墻水平位移達28.7mm，發生在基底位置;鄰近范圍土體的最大總沉降為24mm，最大豎向沉降為14mm，最大地表的沉降槽范圍為距離基坑邊12m～24m。

2.2 監測內容

為確保基坑工程安全、順利地完成，本工程采用了信息化施工，對基坑的施工全過程進行了監測。監測的項目包括地下連續墻墻體水平位移、地下連續墻墻頂位移、坑外土體位移、支撐立柱頂位移、鋼支撐軸力、坑外地下水位和周圍建筑物及地下管線的沉降等。

2.3 地下連續墻墻體水平位移

本工程從基坑第1道鋼支撐完成至基坑底板完成階段，對地下連續墻深度范圍內墻體水平向位移進行了監測，具體情況見圖3。

圖3 基坑開挖期間實測地下連續墻最大水平位移

由圖3可知:模擬計算中，對道路側、鄰2層建筑、鄰7層建筑設計區別主要體現于各剖面附加荷載的取值不同。通過對實測數據的分析，從階段Ⅰ至階段Ⅲ，剖面B、剖面C的墻體水平位移基本接近，但明顯大于道路側的墻體水平位置。實測表明外部房屋附加荷載明顯會增大圍護墻體的水平位移，與設計思路基本吻合;但在本工程中，2層的建筑荷載與7層的建筑荷載在離基坑邊距離基本接近的情況下，附加荷載大小對圍護墻體水平位移產生的影響不明顯。從實測3個不同剖面的圍護墻水平位移與設計模擬計算比較，本次圍護模擬圍護墻最終水平位移在20mm～30mm之間，而實測墻體最終水平位移在28mm～33mm之間，數值處于一個數量級上。但有限元模擬計算未考慮基坑開挖施工的時間效應，這是因為基坑開挖至基底后，地下連續墻墻體水平位移的變化是隨著時間的增長而累計增加的，且開挖至基底后，其最終水平位移取決于基坑暴露的時間。

2.4 周邊建筑的豎向沉降

在有限元模擬計算分析中，我們以有限元計算的地表沉降值來模擬周邊建筑的豎向沉降，并根據實際施工工況，將本工程分為以下階段進行相應分析:

(1)階段1期間(清障、槽壁加固及坑內加固、地下連續墻成槽時期)，有限元模擬分析結果，此時沉降約為5mm，而實測部分鄰近基坑位置的建筑物測點的垂直沉降已達20mm。我們分析其可能原因為，本工程地下障礙物局部埋深達4m以上，在清障過程中施工未采取充分措施，同時槽壁加固體與建筑物距離很近，采用了雙軸水泥土攪拌樁對周邊土體有一定擠壓效果，導致在該階段周邊房屋沉降較大，部分測點沉降已達報警值。

(2)階段2期間(基坑預降水時期)，周邊建筑物各個測點的垂直沉降的增大值在2mm左右。數據表明基坑內部降水對周邊建筑的影響較小，周邊環境基本處于穩定狀態(有限元模擬分析中不體現基坑降水對周邊環境的影響)。

(3)階段3期間(施工第1道支撐時期)，周邊建筑物各個測點的垂直沉降的增大值在10mm以內，變化時間范圍為10d，平均日變量為1mm/d。有限元模擬計算中該部分的位移增加值為7mm，較實測值偏小。

(4)階段4期間(開挖至基底時期)，周邊建筑物各個測點的垂直沉降的增大值在20mm以內，變化時間范圍為23d，平均日變量為0.9mm/d。有限元模擬計算中該部分的位移增加值為20mm，與實測數據較為吻合。

(5)階段5期間(完成底板換撐后時期)，周邊建筑物各個測點的垂直沉降的增大值在28mm以內，變化時間范圍為54d，平均日變量在0.5mm/d左右。有限元模擬分析中未考慮時間變化引起的周邊環境的沉降的累計增加。如果不考慮前期階段1期間的建筑沉降，我們從基坑開挖至地下室底板澆筑完成時期來分析:周邊建筑產生的沉降在28mm以內;2層區重點保護建筑側靠近基坑處有限元模擬計算的最大沉降為24mm，模擬數值與實測情況基本吻合。除去階段1，其它階段模擬與實測結果顯示，在各工況過程中圍護開挖對周邊環境的影響程度吻合，其中在施工支撐及開挖至基底的工況對周邊環境的位移、沉降影響相對更顯著。

3 結束語

通過對本工程環境的有限元模擬分析，并結合現場實際監測數據，我們總結了在緊鄰周邊敏感環境中深基坑圍護工程的幾點體會:

(1)在位于敏感環境下的基坑工程，需要從基坑圍護、施工、監測全過程采取針對性措施來有效地保護周邊環境，并根據現場實際監測結果及時調整設計或施工措施。從圍護結構開始施工、基坑開挖至地下結構頂板澆筑換撐完成，期間的各個階段都會對周邊環境造成不利影響，需嚴格控制每個階段的位移沉降值。

(2)監測結果及實踐證明，基坑圍護墻體深層最大水平位移在28mm以內，在合理安全范圍之內;周邊建筑物的沉降都在25mm以內，產生的裂縫在允許范圍之內。整個開挖過程有效地保護了基坑周邊的房屋、道路及管線，取得了良好的經濟效益和社會效益。

(3)現行的圍護設計模擬方式總體上能較好地貼合實際工程實踐，但還有待進一步改進、深入研究。如有限元模擬計算中考慮由基坑開挖的時間效應增加的圍護墻的水平位移、基坑開挖前已對周邊土體產生的擾動等等，在實際施工時也應有一定程度的重視。

［1］劉國彬，王衛東.基坑工程手冊(第二版)［M］.中國工業出版社，2009.

［2］劉峰，彭朝國.南京雙門樓綜合樓基坑支護設計與實測研究［J］.地質學刊，2011，35(3):322－327.

［3］程琪，劉國彬，張偉立.上海地區地鐵超深基坑及深基坑變形有限元分析［J］.地下空間與工程學報(增刊)，2009，(5)12∶1497 －1502.