基坑开挖对临近建筑物桩基影响因素分析及控制措施＊

曹纯博

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300142）

1 引言

随着中国城市轨道交通的高速发展及地下空间的不断开发利用，在城市建（构）筑物较密集区域的大型基坑工程不断增多，所以，因基坑开挖导致周边建（构）筑物破坏的案例不断增多。基坑的开挖一般会引发场地附近范围应力场的重新分布及周围土体的位移，对临近桩基础产生负摩阻力，引起桩下沉，尤其是桩基的不均匀下沉使上部结构产生不均匀沉降会导致建筑物的质量下降或破坏。因此，探讨合理的基坑支护方案，采取一定的措施控制桩基沉降与变形有着重大的安全意义。

本文依托某地铁明挖区间及出入口基坑工程，以Midas GTS有限元软件作为工具进行分析，模拟基坑开挖过程，验证该工程安全性，研究基坑开挖对邻近建筑物桩基础的影响，探讨影响因素与保护措施。

2 工程概况

2.1 场地概况

该场地原始地貌为台地，因城市化建设，场地已经过人工改造，现状地形较为平坦。

临近基坑建筑物一为地上三层，地下一层框架结构建筑。基础采用直径0.8～1.5 m的桩基础，距离区间最近剖面的桩基间距为10.7 m。与明挖区间围护结构最小水平净距约14.5 m。与出入口标准段围护结构最小平面距离9.7 m，与敞口段围护结构最小水平距离4.8 m。

临近基坑建筑物二为地上三十一层剪力墙结构建筑，基础型式为桩基础。与明挖区间围护结构最小平面距离为14.8 m，桩基础边缘与明挖区间围护结构距离为17.0 m。

2.2 基坑工程概况

临近建筑物部分区间基坑长度约69 m，基坑深度为12.6～29.5 m，基坑宽度为17.3～41.3 m，基坑底部大部分位于微风化灰岩中。围护结构采用Φ1 200 mm@900荤素咬合桩，嵌固深度2 m，设置四道支撑（局部设置三道支撑）。第一道至第三道为混凝土支撑，尺寸分别为1 000 mm×1 000 mm、1 000 mm×1 200 mm、1 000 mm×1 200 mm；第四道为钢支撑，直径800 mm，壁厚20 mm。

出入口为地下一层明挖基坑，长40.1 m，基坑深13 m。该基坑采用明挖法施工，围护结构采用Φ800@600荤素咬合桩+内支撑体系。第一道为混凝土支撑，尺寸为1 000 mm×1 000 mm；第二道为钢支撑，直径609 mm，壁厚16 mm。

2.3 水文地质概况

场地地层由上至下依次为：上覆第四系全新统人工素填土，第四系全新统冲洪积粉质黏土，第四系残积层粉质黏土；下伏石炭系砂岩，全风化-微风化。岩石较完整，区域构造稳定。

场地地下水主要有三种类型：一是松散岩类孔隙水，主要赋存于第四系松散地层中；另一类为基岩裂隙（构造裂隙）水，主要赋存于块状强风化、中等风化带及断裂构造裂隙中，略具承压性；第三类是岩溶水，主要赋存于碳酸盐溶洞及溶（裂）隙中，具有承压性，水量丰富。

3 有限元计算与分析

3.1 模型简介

利用MIDAS GTS有限元软件进行数值模拟分析，分别建立两个模型依次分析基坑开挖对临近两幢建筑物的影响。

将咬合桩等效为板墙围护体系，有利于有限元软件中模型的建立和网格的划分。咬合桩虽然由单个桩体并成，但其受力形式与地下板墙结构类似，按照两者刚度相等的原则进行计算。

为消除边界效应，模型一X方向长度取150 m，Y方向长度取60 m；模型二X方向长度取200 m，Y方向长度取60 m。土体采用修正摩尔-库伦本构模型，修正摩尔库伦模型改善了莫尔库伦本构关系，是由Schanz（1998）开发的适用于模拟软土和硬土的最新材料本构关系，岩土强度采用三轴试验刚度、三轴卸载刚度和固结仪荷载强度描述，可以比莫尔库伦本构更准确地模拟地基。结构采用弹性本构模型。将上部结构简化为均布作用在承台上的单元面压力荷载。以远离基坑的方向依次给建筑物一桩基标号1～5号；给建筑物二桩基标号1～9号。

根据实际施工安排，进行施工步骤设计，施工步骤为：①平衡初始应力，清零位移；②明挖区间基坑围护结构施工；③明挖区间基坑第一道支撑施工（挖土、支撑布置）；④明挖区间基坑第二道支撑施工（挖土、支撑布置）；⑤明挖区间基坑第三道支撑施工（挖土、支撑布置）；⑥明挖区间基坑第四道支撑施工（挖土、支撑布置）；⑦明挖区间基坑开挖至坑底；⑧明挖区间施作结构底板；⑨明挖区间施作结构中板（拆除三、四支撑，施作侧墙、中柱、中板）；⑩明挖区间施作结构顶板（拆除二支撑、顶柱、顶板）；⑪明挖区间结构施工完毕，回填至地表平面（拆除一支撑、回填土体）；⑫出入口围护结构施工；⑬出入口一支撑施工（挖土、支撑布置）；⑭出入口二支撑施工（挖土、支撑布置）；⑮出入口开挖至坑底；⑯出入口结构施作，拆除一、二支撑，覆土回填。

3.2 计算结果

根据有限元计算结果，明挖区间基坑开挖至坑底时，建筑物一的相邻桩基最大差值为1号和2号柱基的竖向位移差值5.5 mm；建筑物二的相邻桩基最大差值为1号和2号柱基的竖向位移差值2.5 mm。出入口基坑开挖至坑底时，建筑物一的相邻桩基最大竖向位移差为1号和2号柱基的差值5.8 mm；建筑物二的相邻桩基最大竖向位移差为1号和2号柱基的差值2.6 mm。

根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》中5.3.4规定，民用建筑相邻柱基的沉降差不应超过0.002L，L为相邻柱基的中心距离（mm）。因无精确的建筑物一、二的具体基础数据、建造时间及既有变形等资料，参照其他工程，将变形控制指标指定为：相邻柱基沉降差小于等于0.001L，数值分别为10.7 mm、6 mm。根据计算结果，该风险在可控范围内。

3.3 影响因素分析

3.3.1 围护结构尺寸对桩基沉降影响分析

为分析围护结构尺寸对桩基沉降的影响，分别取Φ800 mm@600、Φ1 000 mm@750、Φ1 200 mm@850、Φ1 200 mm@900、Φ1 300 mm@900五种咬合桩方案进行计算分析。计算结果表明，桩基沉降随围护结构尺寸的增加而减小，当桩径小于1 200 mm时，围护结构尺寸对桩基沉降的影响较大；当桩径大于1 200 mm时，围护结构尺寸对桩基沉降的影响不明显。这表明对于本工程而言，1 200 mm的桩径已较为合适，过度增加围护桩桩径并不能进一步明显控制基坑临近建筑物桩基变形的作用。

3.3.2 围护结构嵌固深度对桩基沉降影响分析

为分析围护结构嵌固深度对桩基沉降的影响，分别取1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m五种嵌固深度进行计算分析。计算结果表明，桩基沉降随嵌固深度的增加而减小。当嵌固深度小于2 m时，其对桩基沉降的影响较大；当嵌固深度大于2 m时,其对桩基的沉降基本没有影响。这表明过度增加围护结构嵌固深度并不能起到有效控制基坑近邻建筑物桩基变形的作用。

4 保护措施

基坑临近建筑20 m范围内微风化岩岩层采用数码雷管爆破开挖或机械开挖，同时控制振速不大于2 cm/s。

施工期间加强监测，预留注浆管，必要时进行跟踪注浆加固。跟踪补偿注浆施工方法及注意事项为：①基坑开挖会引起周边建筑物不均匀沉降，当不均匀沉降值达到报警值时，需在建筑物沉降大的一侧进行跟踪注浆。②跟踪注浆采用在房屋沉降大的一侧布置Φ60袖阀管，袖阀管水平间距1～2 m，通过袖阀管对房屋基础压注水泥浆，通过做注浆试验，如浆液采用普通水泥可注性差，可考虑采用超细水泥。③袖阀管注浆采用钻机成孔，预埋管径Φ60 mm的袖阀管，注浆时分段进行，对需要注浆的部位进行针对性的注浆。④注浆前需进行注浆试验，并根据试验结果确定最终注浆参数。⑤跟踪补偿注浆的注浆参数，注浆压力为0.2～0.3 MPa，浆液扩散直径为1.5 m。通过做注浆试验，如浆液采用普通水泥可注性差，可考虑采用超细水泥。注浆孔施工顺序以及注浆顺序应跳段跳孔施作，注浆加固后的地层的孔隙填充率不小于80%。⑥注浆过程必需加强对房屋变形的监测，防止注浆次生灾害的产生。

加强基坑支护刚度，控制基坑施做时的自身变形。从上文中可知，适当增加围护结构尺寸、围护结构嵌固深度可对控制临近建筑物桩基沉降产生一定的效果，可考虑采用混凝土桁架支撑体系。

5 结语

本文以某地铁明挖区间及出入口基坑为实例，按照工程实际施工方案，运用Midas GTS有限元软件进行模拟分析，探讨了基坑工程中保护临近建筑物的措施与影响效果，得出以下结论：①对本工程按原设计施工进行模拟计算，根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》及其他工程作为参照，临近建筑物的桩基沉降量在可控范围内。由此可以看出本基坑开挖项目的支护围护体系满足要求，且对基坑周边建筑物的保护起着关键性的作用。②桩基沉降随围护结构尺寸的增加而减小。对本工程而言，当桩径大于1 200 mm时，围护结构尺寸对桩基沉降的影响不明显。③桩基沉降随围护结构嵌固深度的增加而减小。对本工程而言，当嵌固深度大于2 m时，其对桩基的沉降影响很小。过度增加围护结构嵌固深度并不能起到有效控制基坑近邻建筑物桩基变形的作用。④可采取临近建筑范围内微风化岩岩层采用数码雷管爆破开挖或机械开挖、施工期间加强监测、预留注浆管进行跟踪注浆加固等措施保护临近开挖基坑建筑物。