基坑開挖對臨近建筑物樁基影響因素分析及控制措施＊

曹純博

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300142）

1 引言

隨著中國城市軌道交通的高速發(fā)展及地下空間的不斷開發(fā)利用，在城市建（構(gòu)）筑物較密集區(qū)域的大型基坑工程不斷增多，所以，因基坑開挖導(dǎo)致周邊建（構(gòu)）筑物破壞的案例不斷增多。基坑的開挖一般會引發(fā)場地附近范圍應(yīng)力場的重新分布及周圍土體的位移，對臨近樁基礎(chǔ)產(chǎn)生負(fù)摩阻力，引起樁下沉，尤其是樁基的不均勻下沉使上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻沉降會導(dǎo)致建筑物的質(zhì)量下降或破壞。因此，探討合理的基坑支護方案，采取一定的措施控制樁基沉降與變形有著重大的安全意義。

本文依托某地鐵明挖區(qū)間及出入口基坑工程，以Midas GTS有限元軟件作為工具進行分析，模擬基坑開挖過程，驗證該工程安全性，研究基坑開挖對鄰近建筑物樁基礎(chǔ)的影響，探討影響因素與保護措施。

2 工程概況

2.1 場地概況

該場地原始地貌為臺地，因城市化建設(shè)，場地已經(jīng)過人工改造，現(xiàn)狀地形較為平坦。

臨近基坑建筑物一為地上三層，地下一層框架結(jié)構(gòu)建筑?；A(chǔ)采用直徑0.8～1.5 m的樁基礎(chǔ)，距離區(qū)間最近剖面的樁基間距為10.7 m。與明挖區(qū)間圍護結(jié)構(gòu)最小水平凈距約14.5 m。與出入口標(biāo)準(zhǔn)段圍護結(jié)構(gòu)最小平面距離9.7 m，與敞口段圍護結(jié)構(gòu)最小水平距離4.8 m。

臨近基坑建筑物二為地上三十一層剪力墻結(jié)構(gòu)建筑，基礎(chǔ)型式為樁基礎(chǔ)。與明挖區(qū)間圍護結(jié)構(gòu)最小平面距離為14.8 m，樁基礎(chǔ)邊緣與明挖區(qū)間圍護結(jié)構(gòu)距離為17.0 m。

2.2 基坑工程概況

臨近建筑物部分區(qū)間基坑長度約69 m，基坑深度為12.6～29.5 m，基坑寬度為17.3～41.3 m，基坑底部大部分位于微風(fēng)化灰?guī)r中。圍護結(jié)構(gòu)采用Φ1 200 mm@900葷素咬合樁，嵌固深度2 m，設(shè)置四道支撐（局部設(shè)置三道支撐）。第一道至第三道為混凝土支撐，尺寸分別為1 000 mm×1 000 mm、1 000 mm×1 200 mm、1 000 mm×1 200 mm；第四道為鋼支撐，直徑800 mm，壁厚20 mm。

出入口為地下一層明挖基坑，長40.1 m，基坑深13 m。該基坑采用明挖法施工，圍護結(jié)構(gòu)采用Φ800@600葷素咬合樁+內(nèi)支撐體系。第一道為混凝土支撐，尺寸為1 000 mm×1 000 mm；第二道為鋼支撐，直徑609 mm，壁厚16 mm。

2.3 水文地質(zhì)概況

場地地層由上至下依次為：上覆第四系全新統(tǒng)人工素填土，第四系全新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土，第四系殘積層粉質(zhì)黏土；下伏石炭系砂巖，全風(fēng)化-微風(fēng)化。巖石較完整，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定。

場地地下水主要有三種類型：一是松散巖類孔隙水，主要賦存于第四系松散地層中；另一類為基巖裂隙（構(gòu)造裂隙）水，主要賦存于塊狀強風(fēng)化、中等風(fēng)化帶及斷裂構(gòu)造裂隙中，略具承壓性；第三類是巖溶水，主要賦存于碳酸鹽溶洞及溶（裂）隙中，具有承壓性，水量豐富。

3 有限元計算與分析

3.1 模型簡介

利用MIDAS GTS有限元軟件進行數(shù)值模擬分析，分別建立兩個模型依次分析基坑開挖對臨近兩幢建筑物的影響。

將咬合樁等效為板墻圍護體系，有利于有限元軟件中模型的建立和網(wǎng)格的劃分。咬合樁雖然由單個樁體并成，但其受力形式與地下板墻結(jié)構(gòu)類似，按照兩者剛度相等的原則進行計算。

為消除邊界效應(yīng)，模型一X方向長度取150 m，Y方向長度取60 m；模型二X方向長度取200 m，Y方向長度取60 m。土體采用修正摩爾-庫倫本構(gòu)模型，修正摩爾庫倫模型改善了莫爾庫倫本構(gòu)關(guān)系，是由Schanz（1998）開發(fā)的適用于模擬軟土和硬土的最新材料本構(gòu)關(guān)系，巖土強度采用三軸試驗剛度、三軸卸載剛度和固結(jié)儀荷載強度描述，可以比莫爾庫倫本構(gòu)更準(zhǔn)確地模擬地基。結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型。將上部結(jié)構(gòu)簡化為均布作用在承臺上的單元面壓力荷載。以遠(yuǎn)離基坑的方向依次給建筑物一樁基標(biāo)號1～5號；給建筑物二樁基標(biāo)號1～9號。

根據(jù)實際施工安排，進行施工步驟設(shè)計，施工步驟為：①平衡初始應(yīng)力，清零位移；②明挖區(qū)間基坑圍護結(jié)構(gòu)施工；③明挖區(qū)間基坑第一道支撐施工（挖土、支撐布置）；④明挖區(qū)間基坑第二道支撐施工（挖土、支撐布置）；⑤明挖區(qū)間基坑第三道支撐施工（挖土、支撐布置）；⑥明挖區(qū)間基坑第四道支撐施工（挖土、支撐布置）；⑦明挖區(qū)間基坑開挖至坑底；⑧明挖區(qū)間施作結(jié)構(gòu)底板；⑨明挖區(qū)間施作結(jié)構(gòu)中板（拆除三、四支撐，施作側(cè)墻、中柱、中板）；⑩明挖區(qū)間施作結(jié)構(gòu)頂板（拆除二支撐、頂柱、頂板）；?明挖區(qū)間結(jié)構(gòu)施工完畢，回填至地表平面（拆除一支撐、回填土體）；?出入口圍護結(jié)構(gòu)施工；?出入口一支撐施工（挖土、支撐布置）；?出入口二支撐施工（挖土、支撐布置）；?出入口開挖至坑底；?出入口結(jié)構(gòu)施作，拆除一、二支撐，覆土回填。

3.2 計算結(jié)果

根據(jù)有限元計算結(jié)果，明挖區(qū)間基坑開挖至坑底時，建筑物一的相鄰樁基最大差值為1號和2號柱基的豎向位移差值5.5 mm；建筑物二的相鄰樁基最大差值為1號和2號柱基的豎向位移差值2.5 mm。出入口基坑開挖至坑底時，建筑物一的相鄰樁基最大豎向位移差為1號和2號柱基的差值5.8 mm；建筑物二的相鄰樁基最大豎向位移差為1號和2號柱基的差值2.6 mm。

根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中5.3.4規(guī)定，民用建筑相鄰柱基的沉降差不應(yīng)超過0.002L，L為相鄰柱基的中心距離（mm）。因無精確的建筑物一、二的具體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、建造時間及既有變形等資料，參照其他工程，將變形控制指標(biāo)指定為：相鄰柱基沉降差小于等于0.001L，數(shù)值分別為10.7 mm、6 mm。根據(jù)計算結(jié)果，該風(fēng)險在可控范圍內(nèi)。

3.3 影響因素分析

3.3.1 圍護結(jié)構(gòu)尺寸對樁基沉降影響分析

為分析圍護結(jié)構(gòu)尺寸對樁基沉降的影響，分別取Φ800 mm@600、Φ1 000 mm@750、Φ1 200 mm@850、Φ1 200 mm@900、Φ1 300 mm@900五種咬合樁方案進行計算分析。計算結(jié)果表明，樁基沉降隨圍護結(jié)構(gòu)尺寸的增加而減小，當(dāng)樁徑小于1 200 mm時，圍護結(jié)構(gòu)尺寸對樁基沉降的影響較大；當(dāng)樁徑大于1 200 mm時，圍護結(jié)構(gòu)尺寸對樁基沉降的影響不明顯。這表明對于本工程而言，1 200 mm的樁徑已較為合適，過度增加圍護樁樁徑并不能進一步明顯控制基坑臨近建筑物樁基變形的作用。

3.3.2 圍護結(jié)構(gòu)嵌固深度對樁基沉降影響分析

為分析圍護結(jié)構(gòu)嵌固深度對樁基沉降的影響，分別取1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m五種嵌固深度進行計算分析。計算結(jié)果表明，樁基沉降隨嵌固深度的增加而減小。當(dāng)嵌固深度小于2 m時，其對樁基沉降的影響較大；當(dāng)嵌固深度大于2 m時,其對樁基的沉降基本沒有影響。這表明過度增加圍護結(jié)構(gòu)嵌固深度并不能起到有效控制基坑近鄰建筑物樁基變形的作用。

4 保護措施

基坑臨近建筑20 m范圍內(nèi)微風(fēng)化巖巖層采用數(shù)碼雷管爆破開挖或機械開挖，同時控制振速不大于2 cm/s。

施工期間加強監(jiān)測，預(yù)留注漿管，必要時進行跟蹤注漿加固。跟蹤補償注漿施工方法及注意事項為：①基坑開挖會引起周邊建筑物不均勻沉降，當(dāng)不均勻沉降值達(dá)到報警值時，需在建筑物沉降大的一側(cè)進行跟蹤注漿。②跟蹤注漿采用在房屋沉降大的一側(cè)布置Φ60袖閥管，袖閥管水平間距1～2 m，通過袖閥管對房屋基礎(chǔ)壓注水泥漿，通過做注漿試驗，如漿液采用普通水泥可注性差，可考慮采用超細(xì)水泥。③袖閥管注漿采用鉆機成孔，預(yù)埋管徑Φ60 mm的袖閥管，注漿時分段進行，對需要注漿的部位進行針對性的注漿。④注漿前需進行注漿試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果確定最終注漿參數(shù)。⑤跟蹤補償注漿的注漿參數(shù)，注漿壓力為0.2～0.3 MPa，漿液擴散直徑為1.5 m。通過做注漿試驗，如漿液采用普通水泥可注性差，可考慮采用超細(xì)水泥。注漿孔施工順序以及注漿順序應(yīng)跳段跳孔施作，注漿加固后的地層的孔隙填充率不小于80%。⑥注漿過程必需加強對房屋變形的監(jiān)測，防止注漿次生災(zāi)害的產(chǎn)生。

加強基坑支護剛度，控制基坑施做時的自身變形。從上文中可知，適當(dāng)增加圍護結(jié)構(gòu)尺寸、圍護結(jié)構(gòu)嵌固深度可對控制臨近建筑物樁基沉降產(chǎn)生一定的效果，可考慮采用混凝土桁架支撐體系。

5 結(jié)語

本文以某地鐵明挖區(qū)間及出入口基坑為實例，按照工程實際施工方案，運用Midas GTS有限元軟件進行模擬分析，探討了基坑工程中保護臨近建筑物的措施與影響效果，得出以下結(jié)論：①對本工程按原設(shè)計施工進行模擬計算，根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》及其他工程作為參照，臨近建筑物的樁基沉降量在可控范圍內(nèi)。由此可以看出本基坑開挖項目的支護圍護體系滿足要求，且對基坑周邊建筑物的保護起著關(guān)鍵性的作用。②樁基沉降隨圍護結(jié)構(gòu)尺寸的增加而減小。對本工程而言，當(dāng)樁徑大于1 200 mm時，圍護結(jié)構(gòu)尺寸對樁基沉降的影響不明顯。③樁基沉降隨圍護結(jié)構(gòu)嵌固深度的增加而減小。對本工程而言，當(dāng)嵌固深度大于2 m時，其對樁基的沉降影響很小。過度增加圍護結(jié)構(gòu)嵌固深度并不能起到有效控制基坑近鄰建筑物樁基變形的作用。④可采取臨近建筑范圍內(nèi)微風(fēng)化巖巖層采用數(shù)碼雷管爆破開挖或機械開挖、施工期間加強監(jiān)測、預(yù)留注漿管進行跟蹤注漿加固等措施保護臨近開挖基坑建筑物。