基坑相鄰分區同時施工的可行性分析及設計

賀 翀

上海申元巖土工程有限公司 上海 200011

近年來，隨著地下空間開發利用的力度逐漸加大，地下室的面積和深度也同時擴大。但是在基坑面積和深度增大的同時，也存在基坑危險性增加、基坑變形增大、基坑對坑外的建（構）筑物影響加大等不利影響。為保證基坑自身和周邊環境的安全，當某一基坑的面積和深度達到一定界限，或者基坑鄰近重要保護對象時，需要采用中隔墻將一個基坑分割成幾個分區，進行分坑開挖。考慮到中隔墻的受力情況及基坑整體變形控制，一般要求一個分區的地下室結構施工完成后，再開挖鄰近的分區。但考慮工期等因素，部分工程需要加快地下室施工進度，本文探討的即為基坑相鄰分區同時施工的可行性及設計要點。

1 基坑相鄰分區同時開挖的可行性分析

1.1 基坑相鄰分區同時異步開挖施工工況分析

由上文介紹可知，2個相鄰分區有多種施工順序。其中，一個分區地下室結構施工完成之后再開挖鄰近分區，從支護結構的受力角度分析較為安全，但是不利于工期的安排。

陳萍等[1]探討了2個間距較小的相鄰基坑同時開挖的可能性，但是對于同一個基坑的相鄰分區，在基坑深度比較深的情況下，中隔墻兩側施工難以做到完全同步，容易對中隔墻造成不平衡推力。另外，相鄰分區同時同步開挖，2個分區同時開挖到底后，暴露面積和未分區的情況相同，仍然會造成基坑內較大的隆起變形，加劇圍護結構變形和對周邊環境產生影響，即失去了分區施工的意義。此種工況雖然有利于工期安排，卻不利于基坑安全。

因此，本文探討一種既能確保基坑安全，又有利于工期安排的施工工況：一個分區首先開挖，待其底板澆筑完成，有效控制坑內土體隆起后，再開挖中隔墻側的另一個分區，即2個相鄰分區同時施工，異步開挖。過往的此類項目主要關注中隔墻和換撐體系的受力和變形情況，筆者認為，外側和內側支護墻、支撐和立柱體系也要進行專項的設計。

1.2 基坑整體及中隔墻可能的位移情況分析

對于基坑的整體位移，先開挖分區在開挖階段的圍護結構變形與單獨的基坑開挖變形趨勢類似。但是在回筑階段，由于相鄰分區開始開挖，中隔墻一側的土壓力降低，故基坑有整體向中隔墻一側偏移的可能。

對于中隔墻的位移，范凡等[2]經過對某基坑的實測分析表明：中隔墻在先開挖分區的開挖和回筑工況下，變形不斷增大；后開挖分區開挖后，中隔墻的變形又不斷減小。中隔墻的位移與基坑的形狀、分區的面積、基坑的深度、施工工況、結構地下室的剛度等多種因素有關，還需要經過計算綜合分析。中隔墻的位移可能會導致后開挖基坑的支撐體系剛度減小、立柱體系穩定性降低，因此對于本文所討論的施工工況，應該從中隔墻內力、支撐、立柱、換撐體系等多方面進行針對性的設計。

2 基坑相鄰分區同步開挖的設計要點

2.1 中隔墻設計要點

對于一般圍護結構的內力計算，采用豎向彈性地基梁法，迎土側受到水土壓力，迎坑側的支撐作為彈簧支座。對于本文所討論的工況，中隔墻由一側受力變成兩側受力。地下連續墻等圍護結構的設計要按照不同的工況，耦合以后取配筋的最大值。本文對后開挖分區施工時的地下連續墻進行計算，中隔墻采用連續梁的模式，先開挖分區已施工的地下室底板及各層結構樓板作為中隔墻受荷過程的支座，采用彈性支座，基底以下地下連續墻按2.0 m一段劃分（圖1），土彈簧剛度隨著土層的變化調整。

圖1 計算模型示意

以上海地區典型土層為背景，分別對比地下2、3、4、5層地下室4種情況。中隔墻受力計算采用上述模型，對于面向先開挖分區一側的彎矩，上述4種情況的中隔墻在后開挖分區施工時，與先開挖分區施工時的彎矩比值由75%漸變到65%（圖2），而且彎矩最大值的區域相近，因此該側的地下連續墻主筋可以不增加。

圖2 中隔墻最大彎矩對比

面向后開挖一側的彎矩為先開挖分區施工時的50%，但是兩者彎矩最大值的區域不同。在中隔墻兩側開挖的工況下，墻背側的最大彎矩位于坑底以上，但是在先開挖分區的工況下，墻背側彎矩最大值的區域在坑底附近。該側的地下連續墻在坑底以上區域的主筋數量應該相應增加20%～30%。

在兩側異步開挖的工況下，地下連續墻受到的剪力大幅增加，在樓板支座處的剪力甚至增加了50%，該區域的抗剪鋼筋數量也應相應增加。

以地下5層地下室為例，中隔墻采用寬1.2 m地下連續墻，對比了中隔墻在不同工況下的內力包絡曲線（圖3）。其中：實線為先開挖分區施工時中隔墻的彎矩及剪力曲線；虛線為后開挖分區施工時中隔墻的彎矩及剪力曲線。

圖3 彎矩、剪力對比示意

另外，考慮到后開挖分區可能整體向中隔墻一側偏移，在遠離中隔墻的一側，應加強坑內加固的設置，減小該側圍護結構向坑內的變形。

2.2 支撐體系設計要點

相對于中隔墻，支撐體系分為垂直于中隔墻的支撐和平行于中隔墻的支撐。垂直于中隔墻的支撐所受到的影響，主要為支點由于中隔墻的位移而引起的松動。平行于中隔墻的支撐所受到的影響，主要為由于整體向中隔墻方向的位移，增加了平面內的夾角與彎矩，造成了支撐剛度的降低。

2.2.1 垂直于中隔墻的支撐的剛度折減

在傳統的支撐彈性支點剛度計算中，考慮的條件有2種：一種是基坑兩側條件相近，為對稱開挖；另一種是一側土壓力較大，另一側土壓力較小，甚至為已建成地下室，為非對稱開挖。考慮支撐與圍護結構的夾角，對DG/TJ 08-61—2018《基坑工程技術標準》中的支撐剛度計算公式進行適當調整，得到：

式中：kR——支撐軸向彈簧剛度；

λ——不動點調整系數，對稱開挖時取0.5，非對稱開挖時，土壓力較大一側取1.0；

αR——與支撐松弛有關的折減系數；

E——支撐材料的彈性模量；

A——支撐截面積；

L——支撐構件長度；

s——支撐間距；

θ——支撐與圍檁的夾角。

可見，對于后開挖分區，當中隔墻的另一側地下室施工完成時，不同區域的支撐剛度相差1倍。眾多設計人員對上述公式進行了研究。姚愛軍等[3]提出基坑兩側產生不對稱的沉降和位移后，支撐系統隨著不對稱的位移，加劇了偏心受壓，降低了支撐配筋的安全系數。葛帆等[4]討論了用迭代的方法計算非對稱基坑中支撐剛度的方法，說明基坑兩側的位移對支撐剛度有較大的影響。王飛陽[5]探討了對于非對稱基坑，由于基坑發生了整體偏移，土壓力較大的一側，支撐剛度降低了近80%，土壓力較小的一側支撐變成了拉桿。

上述的研究模型為基坑兩側的荷載有明顯差別，導致基坑整體向荷載較小的一側發生明顯的偏移。但是在本文討論的工況下，基坑兩側為整體平衡的狀態。上海市不同深度、面積后開挖分區的圍護側向變形統計如表1所示。

可見，平行于中隔墻的圍護結構的位移與其他側的差別為6.6%～20.0%。在同一施工工況下，可以推斷垂直于中隔墻的支撐剛度與其他支撐相比確實發生了下降。當計算某點的支撐剛度時，可以通過調整λ值對支撐剛度進行折減。

表1 圍護結構側向位移統計

2.2.2 平行于中隔墻的支撐的剛度折減

支撐桿件除受到軸向壓力外，還同時受到水平向和豎向的彎矩，為偏心受壓構件。水平向為支撐桿件斜交產生的彎矩，豎向為支撐自重產生的彎矩。同時還有由于施工偏差導致的初始偏心距。但是在本文討論的工況下，還應考慮其他附加影響。

陳燾等[6]通過實測數據表明：在立柱隆起較大的區域，支撐豎向偏壓增加，導致支撐軸力增大，支點剛度降低；同理，平行于中隔墻方向的支撐，由于支撐整體向中隔墻偏移，偏心距增加，支撐剛度隨之降低。在支撐配筋和支撐支點剛度的計算中，應考慮上述部分的影響。首先按照本文2.1節所述，在兩側異步開挖的工況下，采用連續梁模式計算出中隔墻的附加變形量Δ，再將此附加變形量Δ計入相應的支撐桿件的偏心彎矩進行計算（圖4）。

圖4 支撐偏移模型計算示意

在本文討論的施工工況下，應該在降低支撐的剛度后，再計算圍護結構的變形。由上文可知，中隔墻一側的位移會直接影響到支撐的剛度。當支撐長度為L，支撐桿件由中隔墻變形發生的附加變形量為Δ時，支撐與地下連續墻的夾角增加了θ，根據公式（1），與無附加變形的支撐相比，支撐剛度的降低為：

因此，增加中隔墻的剛度，在中隔墻先開挖一側增加臨時斜撐，進而減小中隔墻的位移Δ，可以減小支撐剛度的損失[7-9]。

2.2.3 中隔墻兩側支撐對稱布置

在后開挖分區的開挖過程中，上部幾層土開挖時，先開挖分區還處于支撐體系的狀態，因此中隔墻兩側的支撐，在平面布置和水平高度上都要對稱設置，以減小中隔墻受到的剪力和彎矩。

2.3 立柱體系設計要點

格構柱作為豎向承重構件，根據其受力特性應按照雙向偏心受壓構件進行穩定性驗算和強度驗算。其中，立柱的軸力為上部各道支撐所產生的恒荷載和活荷載，偏心彎矩考慮由于施工偏差導致的立柱雙向的附加彎矩。對于本文討論的后開挖分區的格構柱，還受到由于支撐體系整體向中隔墻位移，引起格構柱的水平位移，增加了格構柱的偏心彎矩這一影響。在立柱的設計中，應預先考慮上述偏心彎矩的影響。對GB 50017—2017《鋼結構設計規范》中的支撐剛度計算公式進行適當調整，得到：

式中：N——立柱的軸向壓力；

Φx——軸向受壓構件的穩定系數；

A——構件截面積；

f——鋼材抗拉強度；

βmx、βty——等效彎矩系數；

Mx、My——對x軸和y軸的最大彎矩；

W1x、W1y——對x軸和y軸的截面模量；

——系數，，這里的λx為格構柱長細比；

MΔ——由中隔墻位移引起的格構柱的附加偏心彎矩。

考慮立柱的施工控制垂直度為1/200，計算高度取最后一道支撐到底板的距離4～5 m，初始偏心距可取20～25 mm。再考慮中隔墻方向的偏心距Δ，格構柱的穩定性安全系數降低了15%，強度安全系數降低了5%。因此在設計中要考慮由于中隔墻位移Δ引起的格構柱穩定性和強度降低，增大角鋼的型號或減小綴板的間距，進而降低角鋼的長細比，避免格構柱失穩。

2.4 換撐體系設計要點

換撐體系設計時，首先應對中隔墻兩側的施工工況進行預估，詳細分析中隔墻兩側開挖及回筑的最不利工況。在先開挖基坑跨度最大的位置設置斜換撐（圖5），一方面可以控制中隔墻的位移及內力，有利于中隔墻的鋼筋配置；另一方面減小支撐的整體偏移，增加支點剛度。

圖5 斜換撐示意

本文對比了地下4、5層這2種地下室。其中，地下4層深度20 m，采用厚1.0 m的地下連續墻結合4道混凝土支撐。地下5層深度24 m，采用厚1.2 m的地下連續墻結合5道混凝土支撐。分別計算上述2種地下室在中隔墻設置斜換撐和不設置斜換撐時的情況：在增加斜換撐的情況下，中隔墻背側彎矩比不設置斜換撐降低了37%、25%，剪力降低了27%、25%，中隔墻的附加變形降低了40.0%、27.5%。可見，設置斜換撐相當于在中隔墻上增加了一個剛度稍弱的支座，可以極大地改善中隔墻的受力情況，而且對于較淺的基坑作用更加明顯。

3 工程實例分析

3.1 工程概況

通過研究上海市某基坑，驗證上述結論。

該工程為4層地下室，分為多個區施工。圍護采用地下連續墻結合5～6道鋼筋混凝土支撐，中隔墻也采用地下連續墻。

本次選取其中2個共墻的分區進行分析。2個基坑的面積都為10 000 m2，開挖深度24 m，中隔墻為深50 m的地下連續墻，采用5道鋼筋混凝土支撐。施工工況為先開挖分區底板施工完成后，后開挖分區開始開挖第1道支撐以下的土方（圖6）。

圖6 開挖初始工況

3.2 圍護體系變形分析

圖7、圖8為中隔墻在后開挖分區基坑施工階段的側向位移曲線，選取的中隔墻不同位置的2個點的變形規律是極為相似的（圖9）。從后開挖分區開始施工至澆筑第5道混凝土支撐，中隔墻持續向先開挖基坑方向位移，平均位移為4 mm，占中隔墻總位移的5%。在后開挖分區繼續向下施工，挖除最后一層土并施工墊層階段，中隔墻的位移略有減小，平均減小了2 mm。最后，在底板澆筑過程中，中隔墻的位移又略有增加。

綜上，由于共墻分區同時異步開挖導致的中隔墻平均附加變形為0.017%H（H為基坑深度），說明此種施工方式是可行的。

后開挖分區平行于中隔墻一側的平均側向位移和2個垂直于中隔墻一側的平均側向位移均為75 mm，為0.31%H（H為基坑深度），可見其他幾側圍護結構的變形也是可控的。

圖7 監測點1中隔墻側向位移曲線

圖8 監測點2中隔墻側向位移曲線

圖9 中隔墻側向位移最大值變化曲線

3.3 支撐體系變形及受力分析

本文分別對比了垂直于中隔墻的支撐剛度，平行于中隔墻的支撐剛度以及根據實測軸力計算出來的支撐剛度，如表2所示。

表2 各道支撐體系計算剛度與實測剛度對照

通過上述對比分析可見：平行于中隔墻的支撐計算剛度與實測剛度基本吻合，平均誤差僅為2%，最大誤差為25%；而垂直于中隔墻的支撐計算剛度與實測剛度差別較大，約50%，這是因為在理論計算中，考慮該側圍護結構整體向中隔墻發生較大的偏移，實際并未發生此種情況，造成該側支撐剛度被低估。因此，在垂直于中隔墻的剖面設計計算中，支撐剛度的參數輸入與其他側相比，不需要進行大幅折減。

目前，該工程已經順利完成，支護結構自身和周邊保護對象的變形都在規范允許的范圍之內，證明此種基坑相鄰分區同時異步開挖的工況是可行的。

4 結語

本文主要討論了基坑相鄰分區同時開挖的可行性及其設計要點，主要有以下結論：

1）基坑相鄰分區在合理地控制兩側施工工況的條件下，可以進行同時異步施工，從而有效地縮短基礎的施工工期。

2）在同時異步開挖的條件下，中隔墻部分主筋和箍筋設計時，應該耦合不同的工況，適當進行加強。

3）后開挖分區的支撐體系應該考慮中隔墻位移造成的附加偏心距的影響。

4）格構柱的設計也應該考慮中隔墻位移造成的附加偏心距的影響，對角鋼適當加強，避免發生失穩。

本文探討的基坑分區為長寬比接近1∶1的基坑，當基坑的長寬比較大時，其支護體系的變形和內力特點還需要深入研究。