基于“剛度比”的深基坑群擾動疊加控制方法研究*

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

大都市的中心城區，地面空間幾近飽和，要提高城市土地資源利用率、改善城區功能，拓展開發地下空間資源成為主要途徑。

但是，中心城區進行大體量的土方開挖卸載，不可避免地面臨著苛刻的環境保護難題，怎樣合理控制施工擾動，降低近鄰環境土工安全風險意義重大。

1 剛度比法擾動控制思路

毗鄰既有建筑的深基坑群開挖卸載擾動主要表現在兩個方面：一是貫穿單坑卸載全程的土體應力場、位移場改變引發的環境擾動；二是群坑間的綜合剛度差異導致的鄰近既有建（構）筑物的變位擾動。因此，針對深基坑群的開挖卸載，本文嘗試以“深基坑綜合剛度”作為控制目標，研究鄰近環境土工的擾動響應。

1.1 深基坑群剛度比擾動控制方法思路

深基坑群剛度比控制方法，就是通過控制深基坑群內各單坑的綜合剛度，實現群坑卸載過程中的基坑剛度同步削弱，降低坑間過大剛度差導致的毗鄰建（構）筑物產生附加差異變位，進而對既有建（構）筑物產生損傷。單坑的綜合剛度，是圍護結構剛度、支撐體系剛度、被動區土體剛度等的綜合表征量。

1.2 深基坑群擾動疊加控制思路

深基坑群疊加擾動控制，堅持“過程控制”的原則，通過采取有效的技術手段，嚴格控制群坑內各單坑卸載過程中每道工序的擾動水平，通過“均衡卸載，限時支撐”，達到各單坑擾動的低水平疊加要求，最終實現深基坑群連續卸載的低擾動控制。

2 深基坑群分區卸載擾動控制技術[1-8]

2.1 深基坑群分區卸載擾動預判

2.1.1 研究背景

以上海外灘通道（南段）工程延安東路—廣東路區段為背景。區段自南向北依次有亞細亞大樓、東風飯店和佳通物業3 棟建筑。建筑東側為外灘通道主線，劃分為5A1、5A2和5A3三個區段，開挖深度在17.5～19.5 m；建筑南側為外灘通道延安東路匝道區段，影響最大的為6A1區段，開挖深度約為12 m；建筑西側為聯誼大廈二期工程，開挖深度18.6 m。各區段工程相繼同期開挖。既有建筑與深基坑群關系見圖1。

圖1 既有建筑與深基坑關系

2.1.2 分析模型

模型見圖2。數值模擬分析模型包括土體、基坑支護結構、保護性建筑基礎和已完成結構4 個部分。模擬工況設置包括對稱卸載工況6A1→5A3→（5A2+聯誼二期）、非對稱卸載工況6A1→5A3→5A2→聯誼二期和非對稱卸載工況6A1→5A3→聯誼二期→5A2。

圖2 數值模擬模型

2.1.3 結果分析

由計算結果可知，既有建筑的水平變位對深基坑群的“綜合剛度差”相對較為敏感，減小剛度差有利于控制深基坑群階次開挖過程中緊鄰既有建筑的水平變位；既有建筑兩側基坑同步開挖，可有效降低深基坑群的綜合剛度差，減小既有建筑的水平變位。同時，既有建筑的豎向變位會略微增大，但可通過增大基坑支護剛度予以降低（圖3、圖4）。

圖3 既有建筑豎向變位對比

圖4 既有建筑水平向變位對比

2.2 深基坑群圍護體系選型

通道深基坑群（5A1～5A3）受作業面和工期約束，設計采用“明挖順作法”進行施工。圍護結構采用地下連續墻結構，支撐體系采用“鋼筋混凝土+鋼支撐”的混合體系，在確保支撐體系有足夠剛度的同時，有效縮短了基坑的階段性無撐暴露時間。

對比分析聯誼大廈二期基坑逆作和順作2 種工況對既有建筑的影響情況。結果表明，聯誼大廈側基坑采取逆作法，可有效降低既有建筑的豎向變位，但橫向變位會略有增大。但綜合考慮安全、工期、和場地等因素，聯誼大廈側宜采用逆作法，與通道側的支撐體系剛度差可通過調整通道側的被動區加固范圍與參數予以彌補。

2.3 被動區土體加固

為減小既有建筑東西兩側深基坑群間的支護體系剛度差，通道深基坑群的被動區加固采用“坑內滿堂加固+混凝土撐下抽條加固“的復合加固方式，以提高通道側深基坑的綜合剛度。加固方式采用高壓旋噴法，以提高坑內土體的抗變形力學特性，顯著提升加固體的綜合模量。加固范圍為坑底以下4 m；考慮到鋼筋混凝土支撐澆筑及強度發揮需要一定的時間，通道側的支撐體系剛度處于相對薄弱期，既有建筑東西兩側的支撐體系剛度差較為明顯，對鋼筋混凝土支撐下方土層進行抽條加固，加固深度為鋼筋混凝土支撐底面下3 m，抽條寬度為混凝土撐下3 m，要求加固體28 d抗壓強度≥1.2 MPa，旋噴樁樁間搭接≥30 cm，以改善通道側支護體系的綜合剛度。

2.4 深基坑群分期卸載部署

借鑒數值模擬結果，既有建筑東西兩側聯誼大廈二期深基坑和外灘通道深基坑采取同步開挖均衡卸載的方法，盡量降低土方卸載對既有建筑的擾動影響。同時，考慮到既有建筑分布于通道基坑東側，因此，外灘通道5A1、5A2、5A3和6A1區基坑開挖，每皮土均堅持“東西分區，先東后西”的施工順序進行開挖；并且開挖過程中嚴格遵循“限時開挖，即時支撐”的原則，通過優化基坑開挖工況，盡可能縮短基坑的無撐暴露時間，減小基坑的圍護結構變形和由其導致的周邊環境土工變形。通道側深基坑開挖工況見圖5。

圖5 通道側深基坑群分區分層開挖示意

3 既有建筑安全監測結果分析

3.1 既有建筑安全控制標準

在經過對既有建筑進行前期檢測評估后，鄰近既有建筑的安全控制標準定為：

（a）最大沉降速率不大于2.0 mm/d；

（b）累計沉降量不大于20 mm（后經專家論證調整為30 mm）；

一旦測值超過報警值，要求在采取可靠措施并且待沉降速率恢復達到1.0 mm/d后再進行施工。

3.2 既有建筑監測結果分析

監測結果顯示既有建筑的水平位移變化不明顯。既有建筑的豎向變形發展較為顯著，具體結果見圖6、圖7。

分析圖6可知，既有建筑的沉降累積值為24.36 mm。其中，圍護施工階段變形控制極好，幾無沉降；圈梁首道撐及坑內降水施工階段，沉降變形累積值為4.16 mm，約占總累積沉降量的17.1%，主要由降水引起；開挖至底板完成階段，沉降累計值達18.16 mm，增量為13.7 mm，約占總累積沉降量的57.5%；結構回筑階段，累積變形達到24.36 mm，增量為6.2 mm，約占總累積值的25.4%。可見，建筑變形主要發生在開挖卸載階段，且在結構底板澆筑完成后仍持續發展。

圖6 既有建筑沉降歷時曲線

圖7 既有建筑沉降變化速率歷時曲線

分析圖7可知，基坑開挖前，既有建筑日平均變形量小且為穩定；從圈梁及首道支撐施工開始至結構底板封閉，既有建筑的日變形量較大；結構回筑階段，既有建筑的沉降仍在持續發展，但日變化量逐漸減小而趨于穩定。

4 結語

深基坑群卸載的環境土工擾動，是與圍護形式、支撐體系、被動區加固和分期均衡卸載方式等密切相關的，施工中宜綜合考慮其組成的綜合剛度影響；深基坑群卸載期間，其綜合剛度變化較大，隨著開挖而持續減弱，對環境的影響也逐漸明顯；隨著結構回筑，深基坑的綜合剛度再次持續增強，從而對鄰近環境土工的擾動逐漸降低并最終趨于穩定。

采用深基坑群剛度比的擾動控制方法，可以較好控制深基坑群分期卸載期間鄰近環境土工的擾動。