超大深基坑施工对不同基础类型建筑物影响的控制与分析

陈耀敏

上海市静安区建筑建材业管理中心 上海 200070

1 工程及地质概况

1.1 工程概况

上海某基坑工程西邻浅基础公寓，南邻城市支路及高层住宅，北邻大型公共建筑（图1）。基坑开挖占地面积约43 294 m2。本项目地下共4层，局部2层，开挖深度23.1～23.8 m（局部开挖深度约13.4 m）。

图1 背景工程概况

基坑西侧及南侧有大量的多层居民楼，大多建造年代较久，采用浅基础砖混结构，楼板多采用预制多孔板，结构构造薄弱，整体性差；房屋多存在一定程度的老化损伤现象，部分房屋有一定的地基不均匀沉降，建筑材料老化和房屋维护不足。部分居民楼距离基坑相对较近（约10 m），易受到基坑施工影响，应作为基坑施工过程中的重点。

基坑西北侧紧邻上海马戏城中剧场（约10.3 m），采用膜结构，对变形较敏感，基坑开挖过程中需对其加强保护。

基坑北侧为5层框架结构，平行基坑方向纵向长度约150 m，垂直基坑方向横向宽度约20 m。该建筑物纵横向刚度差异较大，且距离本项目基坑较近（约10.9 m），易受到基坑施工影响。

本项目基坑开挖总面积超过40 000 m2，基地大部分区域设4层地下室，大体量的土体开挖卸载将对邻近的地铁、居民楼等周边环境造成较大影响；同时由于开挖较深，可能需要按需分级降低承压水水头，大体量的抽取承压水也会对周边环境造成较大影响。

1.2 工程地质条件

场地属滨海平原型正常沉积区，受沉积环境影响，地表下30.0 m深度段地基土层分布基本稳定，30.0～75.0 m深度段地基土层变化较大。按地基土层的成因类型、空间分布及土性特征，本次勘探深度范围内的土层自上而下分为11个主要层次：厚度1.00～5.10 m的杂填土；第②层褐黄-灰黄色粉质黏土；第③层灰色淤泥质粉质黏土；第④层灰色淤泥质黏土；第⑤层灰色黏性土，埋深17.0～18.5 m；第⑥层暗绿-草黄色粉质黏土，层顶埋深25.0～33.5 m（场地中部该层埋深较大）；第⑦层草黄-灰色砂质粉土及第⑧1层灰色黏土；第⑧2-1层灰色粉质黏土与砂质粉土互层、第⑧2-1t层灰色粉砂、第⑧2-2层灰色粉砂层；第⑨层灰色中砂；第⑩层灰色粉质黏土夹砂及第⑪层灰色粉砂。

2 邻近建筑物结构特点分析

1）多层1、2：房屋为6层住宅楼，标高－1.7～16.8 m。房屋主体结构采用砖混结构，承重墙体采用多孔砖和混合砂浆砌筑，纵横墙交接处设钢筋混凝土构造柱，各层墙顶设钢筋混凝土圈梁，架空层楼板采用钢筋混凝土预制多孔板，各层楼屋面板采用钢筋混凝土预制多孔板和钢筋混凝土现浇板。承重砖墙下采用钢筋混凝土条形基础（扩大基础），基底标高为－1.7 m，基础厚度350 mm，墙两侧扩出850～1 400 mm，基础垫层厚100 mm。

2）多层3、4、5：房屋为6层住宅楼，标高－3.0～20.9 m。房屋主体结构采用砖混结构，中部一半面积大小为底层框架结构，承重墙体采用多孔砖和混合砂浆砌筑，纵横墙交接处设钢筋混凝土构造柱，各层墙顶设钢筋混凝土圈梁，各层楼板采用钢筋混凝土预制多孔板和钢筋混凝土现浇板，中部底层框架对应2层楼板和屋面板采用钢筋混凝土现浇板。中部底框区域框架柱下和两端砖混区域承重砖墙下均采用钢筋混凝土筏板基础，筏板厚350 mm，基底标高－3.0 m，其他区域采用扩大基础，基础厚度40 mm，墙两侧扩出1 100～1 500 mm，基础垫层厚100 mm。

3）高层1：地上9层，房屋主体结构采用钢筋混凝土异形柱框架结构，估计各层楼屋面采用钢筋混凝土现浇梁板结构，采用桩基础。

4）高层2：地上5层、地下1层，钢筋混凝土框架结构，桩基础。

3 围护方案选择

根据本工程特点及周边环境情况，本着合理、可靠、经济的原则，因地制宜确定本基坑安全等级及周边环境保护等级均为一级，局部邻多层浅基础居民楼侧保护等级大于一级。

研究筹划将本工程基坑分为多个区独立交叉、先后施工，以满足工程需要，控制基坑开挖对周边环境的影响。邻近研究对象一侧的基坑施工顺序如下：本工程基坑工程总体分12个区顺作施工，邻近建筑物一侧共5个基坑，分别为1区、2区、3区、4区、5区（见图1），均为地下4层结构。地下4层外围采用厚1 200 mm地下连续墙作为地下室永久结构的一部分，深度49.6～54.6 m；地下4层各分区交界处临时隔断采用厚1 000 mm地下连续墙，深度46.6～49.6 m。1区、2区基坑共有5 道钢筋混凝土支撑；3区、4区、5区基坑共有6道支撑，其中第2～4道以φ609 mm×16 mm钢管支撑为主，局部为混凝土支撑，第5、第6道支撑为钢筋混凝土支撑（各有1道钢支撑换撑）。靠近房屋小基坑采用裙边结合抽条加固方式进行坑底加固，要求加固体强度达到0.8 MPa。

三轴搅拌桩槽壁加固采用φ850 mm@600 mm，搭接250 mm，桩长27 m。为保护居民楼结构安全，本基坑在基坑西侧及南侧围护结构外基地红线范围内设置双排φ350 mm拱形树根桩结合单排φ400 mm树根桩作为隔离保护结构，桩长28 m。

4 基坑开挖方案与实施

由于基坑周边环境复杂，对围护结构变形和周围环境要求严格，同时因邻近房屋的原因，基坑及地下室施工工期要求非常紧，因此，须采取一种既能更好地保证基坑及周边环境安全，又能将工期尽可能缩短的开挖方案[1-6]。结合实际，各子坑的施工顺序如下：首先开挖施工1区；待1区底板完成浇筑并达到强度后，回筑时开始开挖2区；待1区出±0.00 m，且2区底板完成浇筑并达到强度后，回筑时开始开挖3区；待2区出±0.00 m，且3区底板完成浇筑并达到强度后，回筑时开始开挖4区；待4区底板完成浇筑并达到强度后，回筑时开始开挖5区。

再根据各子基坑规模、几何尺寸、围护墙体及支撑结构体系的布置、基坑地基加固和施工条件，按照“分层、分块、对称、平衡、限时”的原则确定各子坑的分块方案（图2）。限时要求如下：

图2 各子坑施工分块

1）1区、2区每区基坑内编号相同的坑边分块，从边坡土方开挖到支撑浇筑并与已形成的支撑对接完毕须控制在24～32 h内。最后一层坑边土方从分块开挖到垫层浇筑完毕须控制在12～24 h内，随挖随浇垫层，各分块垫层面积应控制在200 m2内。

2）3区、4区、5区每区基坑内同编号分块，从土方开挖到内支撑架设或制作需控制在18 h内。最后一层土方从分块开挖到垫层浇筑完毕须控制在12 h内，随挖随浇垫层，各分块垫层面积应控制在150 m2内。

5 周围环境监测分析

5.1 房屋变形有限元预测分析

5.1.1  模型建立

采用二维弹塑性有限元分析方法，模拟基坑体系非线性变形下的坑周地层应力场和位移场。建模范围为基坑及周围约80 m空间范围内的土体，围护和支撑结构均采用弹塑性BEAM单元模式来模拟。BEAM单元为三节点平面单元，弹塑性模式可以较好地模拟结构非线性力学特性。土体采用十五节点平面单元及硬化土（HS）材料模式来模拟。部分计算参数由以往同类工程实测数据反分析求得。计算中考虑了地面建筑物超载的影响。通过分荷载步求解来模拟施工工况，通过单元的“激活和冻结”手段来模拟土体开挖和结构浇筑（图3）。

图3 总位移等值线

5.1.2  计算结果

经有限元计算分析，基坑开挖对周边设施产生的附加变形影响的计算结果为：周边多层居民楼的水平位移为6.7 mm，竖向位移为13.2 mm。

5.2 房屋变形规范经验预测分析

根据相关的技术规范，基坑环境保护等级为一级时，围护结构变形最大侧移控制在0.18%H（H为基坑开挖深度）。对于板式支护体系，可采用经验方法预估基坑开挖引起的围护墙后的地表沉降为围护结构最大侧移的0.8倍，最大沉降点位于距离基坑0.5H位置。在2H位置，最大沉降量为最大值的1/10。由此可预估坑外地表（建筑物的基础）最大沉降值为：0.18%×23.1×0.8=33.3 mm。

5.3 房屋沉降实测分析

针对基坑南侧、西侧、北侧房屋，每单元设置4个监测点（角部），每栋房屋4～10个监测点，基坑开挖阶段监测1次/d，数据报警则2次/d。各基坑开挖阶段（开挖至底板完成）各房屋最大沉降数据及最大倾斜值如表1、表2所示。

研究对象基坑围护施工、开挖及支撑施工期间，严格按照图纸施工，开挖前各方对开挖条件进行了验收，均满足要求。施工过程中，严格按照分块及限时的要求实施。

1）根据实测数据分析，多层1、多层2在邻近2区基坑（0.85H距离）开挖的影响下，最大变形量与经验公式计算值基本接近，房屋沉降量是围护变形量的0.45～0.60倍，小于经验公式的0.63倍（0.85H距离处，根据规范经验数据插值计算得出，下同），主要的原因可能是，在开挖基坑2区期间，房屋与2区之间有小坑4区相隔，起到了变形控制的作用；在邻近4区基坑（0.45H距离）开挖的影响下，房屋沉降量是围护变形量的0.28～0.43倍，小于经验公式的0.8倍，主要的原因可能是，4区基坑为窄坑，且采用了自动应力补偿装置，每一分块的施工时间大大缩短。但多层1、多层2总的变形量为38.8～56.3 mm，是基坑开挖深度的0.168%～0.244%，同时是规范经验要求的围护变形量的0.93～1.36倍，比经验公式计算结果33.3 mm有一定的超出（1.2～1.7倍），而比有限元分析结果13.2 mm要超出数倍（2.9～4.3倍）。

表1 各房屋最大沉降数据及最大倾斜（1区、2区开挖阶段）

表2 各房屋最大沉降数据及最大倾斜（3、4、5区开挖阶段）

2）根据实测数据分析，多层4、多层5在邻近1区基坑（0.85H距离）开挖的影响下，最大变形量与经验公式计算值相比已经超出较多，房屋沉降量是围护变形量的0.76倍左右，略超出经验公式的0.63倍；在邻近3区基坑（0.45H距离）开挖的影响下，房屋沉降量是围护变形量的1.4倍左右，同样超出经验公式的0.8倍，虽然3区也为窄坑，且也采用了自动应力补偿装置。多层4、多层5总的变形量为104.9～110.4 mm，比经验公式计算结果33.3 mm要高出较多（约3.2倍），与有限元分析结果13.2 mm相比要超出数倍（约8倍）。

3）根据实测数据分析，高层1在邻近2区基坑（1.4H距离）开挖的影响下，房屋沉降量是围护变形量的0.45倍左右，远高出经验公式的0.1倍；在邻近5区基坑（1H距离）开挖的影响下，房屋沉降量是围护变形量的0.13倍左右，远低于经验公式的0.66倍。高层1总的变形量为31.5 mm，与经验公式计算结果33.3 mm较为接近，比有限元分析结果13.2 mm有一定量的超出。

4）根据实测数据分析，高层2在邻近1区基坑（0.5H距离）开挖的影响下，房屋沉降量是围护变形量的1.3倍左右，高出经验公式值的0.8倍。高层2总的变形量为83.6 mm，比经验公式计算结果、有限元分析结果均超出较多。

6 结语

对上海某地下4层深基坑工程围护变形、周边房屋变形进行了分析研究，根据数据分析我们发现：

1）设计有限元计算得出的坑外沉降数据是极为理想的结果，实际中，因为支撑系统形成不可避免地需要一定时间（挖土、钢筋、模板、混凝土施工及混凝土养护），变形必然会更大，特别是体量大的基坑工程，又有大量土方挖去之后的坑底隆起变形而导致坑外土体的“流动”，施工前需引起足够重视。

2）对于超大深基坑，利用分坑技术处理后，坑外浅基础房屋最大沉降量与围护变形量的关系实测值均基本接近规范经验数据；无分坑保护的建筑物，即使为有桩基的房屋，其沉降变形与围护变形的比例值也远大于规范经验值，这既说明分坑技术在基本变形控制中的作用，同时又说明：规范经验数据对于超大超深坑外建筑物的变形预测已经很不准确，背景工程的沉降量与围护变形量比例值已经超出规范经验数据62.5%。

3）对于超大深基坑，利用分坑技术处理后，对有桩基的房屋沉降变形控制非常有效，其沉降变形与围护变形的比例值也远小于规范经验值（背景工程为1/3），累计绝对值也达到规范经验数据的较优值。

4）同为浅基础的房屋，基础形式接近的情况下，其单位面积的自重即高度（背景工程中多层1、多层2总高度18.5 m，多层4、多层5总高度23.9 m）对其沉降影响巨大（背景工程差值约1倍），而不均匀沉降差别不大（均在0.15%～0.20%范围）。