考虑外部荷载及紧邻建筑物影响的深基坑变形研究

贾志勇 （山西诚正建设监理咨询有限公司，山西 阳泉 045000）

城市化进程的快速推进使得城区的单位土地资源承载了更多的人口和财富，各种基础设施密集修建使得新建工程不可避免地对其产生影响[1]。在城市地下空间扩展以提高城区土地资源利用率的同时，也面邻着基坑开挖影响紧邻环境的挑战[2-3]。这种挑战不仅仅需要保证基坑自身结构的受力安全和持续稳定，而且还需要保证基坑开挖或降水引起的土体扰动和周边建筑物的变形应控制在限制范围内，深基坑工程的施工理念也从内力控制进入了变形控制的阶段[3]。

由于深基坑工程开挖过程中面邻最多的问题是紧邻既有高层建筑物，以及施工组织时对基坑开挖土体的堆放安排[4-6]，因此，结合实际工程案例，研究分析基坑动态开挖过程中对复杂周边环境的变形影响，运用现场监测手段分析存在堆载和不存在堆载时基坑的变化规律以及周边建筑物的沉降特征，研究成果可为复杂周边环境下基坑的变形控制和施工组织计划提供参考。

1 工程概况

某安置房小区总用地面积为104633.76m2，其中市政设施用地为5239.59m2，建筑用地为99340.17m2，建筑限高为100m，总建筑面积为328181.88m2，计容建筑面积为248350.43m2。项目共分为2 期，其中一期建设用地为51119.66m2，总建筑面积为194456.76m2，计容建筑面积为150296.12m2，地下建筑面积为39482.78m2。地下停车场采用基坑工程施工，开挖深度为8.8m，基坑平面大致呈长方形，长度约300m，宽度约170m，如图1所示，基坑北侧为既有城市快速路，道路宽度为30m，西侧为规划道路，道路规划宽度为12m，南侧为二期项目，现状为基坑土体堆载区，东侧为既有高层居民住宅楼，共32层，既有建筑距离基坑边线最小距离为8.2m。

场区现状为拆迁地，大部分已堆填整平，局部地段地势稍有起伏，基坑影响范围内土层主要以淤泥、粉质黏土、细砂、中砂、卵石为主，基岩以全强风化花岗岩为主，场区各层土的工程地质参数如表1所示。

表1 建筑基坑地基土工程地质参数

2 基坑支护方式及施工方案分析

结合基坑工程的周边环境和地质条件，研究确定基坑采用钢筋混凝土灌注桩（单排）+预应力锚杆的支护形式，圆形钢筋混凝土灌注桩的直径为600mm，桩间距为800mm，桩长度为10.6m，桩内均匀布设主钢筋10根，钢筋直径为22mm，钢筋等级为HRB400，钢筋混凝土桩顶设置冠梁，冠梁高度为1000mm，宽度为800mm，在冠梁顶部以上0.5m，采用1:1 放坡挂钢丝网支护，钢丝网采用直径16mm的钢筋钉固定，并在钢筋网表面喷射35mm 的水泥砂浆，水泥砂浆比例为1:3。在东侧邻近建筑物基坑支护结构设置3道预应力锚杆，设置位置分别为地表以下3m（锚杆长度15m）、5.5m（锚杆长度为12m）和7.5m（锚杆长度11m），基坑北侧、西侧和南侧（堆土侧）基坑支护结构设置2道预应力锚杆，设置位置分别为地表以下3m（锚杆长度18m）、5.5m（锚杆长度14m），所有锚杆的入射角均为15°，锚杆的弹性模量为20GPa，泊松比为0.3，如图2所示。

图2 不同基坑支护段支护体系方案/m

结合基坑内的支护体系，基坑采用分层开挖的方式进行施工[7]。以东侧邻近建筑物处基坑开挖为例，第一步放坡开挖，挖至冠梁底部（地表下2.5m），施作冠梁的模板并浇筑混凝土；第二步开挖，挖至第1 道预应力锚杆设计位置以下0.5m（地表以下3.5m），施作预应力锚杆，并施加预应力；第三步开挖，挖至第2道预应力锚杆设计位置以下0.5m（地表以下5.5m），施作预应力锚杆，并施加预应力；第四步开挖，挖至第3道预应力锚杆设计位置以下0.5m（地表以下8.0m），施作预应力锚杆，并施加预应力；第五步开挖，挖至基坑底部（地表以下8.8m），施作基坑封闭垫层，并施作底板。在基坑北侧、西侧和南侧（堆土侧）的开挖过程类似，在施作预应力锚杆时均应预留0.5m 的施作空间，具体开挖过程不再赘述。

3 深基坑变形监测数据分析

为了研究基坑外部堆载和紧邻建筑物与基坑开挖耦合过程造成的基坑变形规律，在基坑后边布置了12个沉降观测点，如图1 所示。其中，监测点JC01、JC02布置在距离基坑边线2m 处，每个监测点仅1 个位移沉降传感器；监测点JC03、JC05布置在邻近既有建筑物的中部，监测点JC04 布置在基坑中部，距离基坑边线为2m，每个监测点仅1个位移沉降传感器；监测点JC06～JC12 中每个监测点出均布置了一列监测传感器，传感器距离基坑边线的距离为1m、2m、3m、4m、5m、8m、12m[8-9]。

图3 为不同监测点紧邻既有高层建筑物最终沉降与基坑开挖深度的关系曲线。从图3中可以看出，在基坑开挖第一步和第二步开挖时，由于基坑开挖深度较小，邻近建筑物的沉降变形较小，而在第三部开挖时，基坑的开挖深度达到设计深度的一半左右，邻近建筑沉降变形陡增，并在随后的开挖过程中，邻近建筑的沉降仍保持增加的趋势，监测点JC03 处的建筑物最终沉降为23mm，而监测点JC05 处的建筑物最终沉降为26mm。整体而言，邻近建筑物的沉降与开挖深度具有良好的幂函数相关关系，拟合两个参数的关系如图3中曲线所示，拟合决定系数R2=0.9278，拟合关系如公式（1）所示。

图3 紧邻既有高层建筑物最终沉降与基坑开挖深度的关系曲线

式中s1为邻近既有建筑物的沉降值，cm；h为基坑的开挖深度，m。

图4 为不同监测点位置处紧邻既有高层建筑物的沉降与基坑开挖过程的关系曲线；图5为不同监测点位置处紧邻既有高层建筑物的沉降增速与基坑开挖过程的关系曲线。从图4 中可以看出，监测点JC03 和JC05的建筑物沉降曲线随开挖时间的变化关系相近，均呈现“捏拢S”形；基坑开挖50d内，建筑物的沉降值较小，从图5 中可以看出，其增速也较小；在基坑开挖50d～100d内，建筑物的沉降值开始不断增加，其沉降量仍较小，但其增速最大，如图5所示；在基坑开挖100d～300d内，建筑物的沉降值已进入“S”形的爬坡段，其沉降量较大，但相对于前一阶段，其沉降增速有所放缓，并开始进入收敛阶段；在基坑开挖300d后，建筑物沉降已进入收敛，位移达到收敛值，位移增速基本为零。

图5 紧邻既有高层建筑物最终沉降增速随时间的变化

图6 为基坑监测点JC12 和JC02 处的对比，在基坑开挖至5m深度前，JC02点处的邻时堆土区土体堆放高度为1.5m，而在开挖至5m时，J02点出的邻时堆土高度增加至3.2m，在开挖至7m后，清运了一部分土体，堆土高度减小至2m。从图中可以看出，在任意开挖深度处，存在堆土的基坑外土体地表沉降均比不存在堆土的地表沉降大，且在堆土增加时，基坑地表沉降显著增加，而在清除部分渣土后，基坑地表沉降放缓。由此表明，基坑周边邻时荷载对深基坑的变形影响显著，在基坑施工过程中，应合理控制基坑周边的邻时荷载和施工荷载，减小机械设备对基坑支护结构的影响，以减小基坑的变形。

图6 存在与不存在堆土荷载的地表沉降与基坑开挖深度的关系曲线

4 结语

（1）基坑支护结构体系为“钢筋混凝土灌注桩+预应力锚杆”，桩直径600mm，桩间距800mm，桩长为10.6m，在紧邻建筑物的基坑边线设置3道预应力锚杆，在邻时堆土区和其他基坑边线设置2道预应力锚杆。

（2）邻近建筑物的沉降与开挖深度具有良好的幂函数相关关系，拟合两个参数的拟合决定系数为0.9278，建筑物沉降曲线随开挖时间的变化呈现“捏拢S”形，并分为4个明显的增速阶段。

（3）在任意开挖深度处，存在堆土的基坑外土体地表沉降均比不存在堆土的地表沉降大，且在堆土增加时，基坑的地表沉降呈现显著的增加，而在清除部分渣土后，基坑地表沉降放缓，在基坑实际施工过程中，应合理控制基坑周边的邻时荷载和施工荷载，以减小基坑的变形。