敏感环境下大型基坑变形控制及分析*

黄  沛1,2，陈  华3，张  倩3

 （1．同济大学土木工程学院，上海  200092；2．长安大学建筑工程学院，陕西  西安  710061：3．中国建筑第八工程局总承包公司，上海200135）

[摘要]上海某大型基坑紧邻运营的地铁线路和大型厂房，为有效减小基坑开挖对邻近建（构）筑物的影响，现场除采取常规的地基加固变形控制措施外，还采用分区开挖法，即利用多幅中隔墙将大型基坑分隔为若干小面积基坑的方法。现场监测数据表明，地下连续墙水平位移、地表沉降、邻近地铁和建筑物的变形均远小于对应的变形控制指标，这说明在敏感环境下大型基坑开挖过程中，分区开挖与地基加固相结合的方法为有效的变形控制方法。

[关键词]基坑；软土；地铁；分区开挖；变形控制

[中图分类号]TU753  [文章编号]1002-8498(2016)05-OO92-04

1工程概况

 工程位于上海某地区，场地地貌类型单一。对工程影响较大的地层由上至下按成因类型、土层结构和性状依次可分为9层。表层为1. 8m厚的杂填土，其下为1. 2m厚的②1层褐黄色黏土。第3层和第4层分别为5. 7m厚的③层和7.5m厚的④1层灰色淤泥质黏土，③层和④1层土强度低，具有较高的压缩性和灵敏度。第5层为4. 4m厚④2层灰色粉质黏土，具有中~高压缩性。第6层为5. 6m厚⑤1层灰色粉质黏土，其下为13m厚⑤2层粉细砂，该层强度较高。第8层和第9层分别为6. 5m厚⑦1层草黄~灰色粉细砂和16m厚⑦2层灰色细砂。场地年平均地下水水位埋深为0. 57~1.10m。

 工程平面如图1所示，基坑北侧为一地下2层的地铁车站。车站长、宽和高分别为200，22.5，18. 5m。车站底板顶面标高为- 17. 800m。车站采用1m厚、33m深地下连续墙做围护结构。基坑南侧为一大面积厂房，厂房基础采用深30m、直径0.6m钻孔灌注桩。基坑东侧为一地下2层、地上6层的建筑，基础采用长35m、直径0.6m钻孔灌注桩。

 工程由主体基坑和附属基坑2部分组成，主体基坑和附属基坑开挖深度分别为14.9，11. 8m。在基坑开挖前，分别在主体基坑和附属基坑内部增设若干中隔墙，将基坑划分为A，B，C，D，E，F6个小型基坑，以减小基坑开挖对邻近地铁、厂房和建筑物的影响。为了减小基坑外部地下水对工程的影响，在主体基坑地下连续墙外侧设置49m深的ɸ850SMW止水帷幕。

 主体基坑采用3道钢筋混凝土支撑，附属基坑第1道采用钢筋混凝土支撑，第2道和第3道采用外径和壁厚分别为609mm和16mm的钢支撑。各道支撑的标高如图2所示，几何尺寸和平均水平间距如表1所示。

2  变形控制措施

 由于基坑周边既有运营的地铁，又有厂房，基坑开挖期间如果变形控制措施采取不当，极有可能对地铁的正常运营和厂房的正常使用造成影响，甚至影响地铁和厂房安全。在基坑开挖前，经过计算分析，如果只采取常规的地基加固措施，将很难确保邻近地铁的正常运行，因此现场采取了分区开挖和大面积土体加固相结合的方法控制基坑开挖所产生的变形，以确保邻近地铁正常运营。

2.1分区开挖

 通过在基坑内部适当位置增加若干中隔墙，将主体基坑划分为图1所示A，B，C，D4个基坑，附属基坑划分为E和F2个基坑。中隔墙的厚度、深度以及施工工艺均与基坑外围地下连续墙相同。与基坑内部支撑相比，中隔墙具有较大的截面面积和刚度，因此中隔墙可以抵抗更大的土压力，且在相同的土压力下所产生的变形也远小于混凝土支撑。另外，由于中隔墙在基坑开挖前便浇筑成型且中隔墙具有较大的插入深度，因此与基坑内部的支撑相比，中隔墙还可以有效减小基坑开挖后无支撑阶段所产生的变形以及基坑开挖面以下部位土体变形。

 此外，分区以后还可以通过调整不同分区的开挖次序，充分利用时空效应对基坑变形的影响，进一步减小基坑开挖所引起的变形。分区后首先同步开挖B和D基坑，之后同步开挖A和C基坑。各基坑的开挖工况如表2所示。

2.2土体加固

 在基坑开挖前对A，B，C，D4个基坑坑底两侧10m裙边、坑底以下2~3.5m、坑底以上8m进行旋喷加固，对E和F基坑坑底以下5m、坑底以上3m进行旋喷加固，加固范围如图2所示。加固后的土体28d单轴抗压强度>1.0MPa，黏聚力>0.2MPa。

3现场监测

 为了确保基坑施工安全，及时掌握基坑开挖对邻近建筑物和地铁线路的影响，基坑开挖前现场埋设了一系列位移测点。其中，地下水水位监测孔5个，地表沉降监测点55个，地下连续墙测斜和沉降测点共49个，土体测斜3个，建筑物沉降测点30个，地铁车站及车站两端盾构隧道沉降测点和水平位移测点分别为65个和36个。测点的埋设方法及监测均按照上海市《基坑工程施工监测规程》DG/TJ08-2001-2006进行。

4监测结果分析

 受现场施工环境狭小的影响，在附属基坑（E和F基坑）开挖时，地下连续墙水平位移、地表沉降、建筑物沉降、地铁车站的沉降和水平位移未进行监测，因此在此主要分析主体基坑（A，B，C，D基坑）开挖所引起的变形以及基坑开挖对邻近地铁车站和厂房变形的影响。

4.1  地下连续墙水平位移

 基坑开挖期间地下连续墙最大水平位移6。。与基坑开挖深度H之间的关系如图3所示，图中加入了徐中华等、Clough等和Hashash等关于基坑变形的统计数据。本工程地下连续墙最大水平位移为0.11%H(H为基坑开挖深度)，此值小于地铁车站基坑的0.14%H，与受力性能较好的圆形基坑较为相近。此外，本工程地下连续墙的最大水平位移远小于Clough等关于软土地区基坑变形统计值的下限，而接近Hashash等对中等硬度地区基坑围护结构变形统计的下限值。这说明本工程采用的分区开挖与地基加固相结合的变形控制方法起到了较好作用。

4.2地表沉降

 基坑开挖期间最大地表沉降6。。与基坑开挖深度H之间的关系如图4所示，图中加入了徐中华等、Clough等和Hashash等关于基坑开挖引起地表沉降的统计数据。本工程最大地表沉降为0.12%H，此值接近于上海地区地铁车站基坑地表沉降的下限值0.09%H，而处于受力性能较好的圆形基坑变形范围之中。此外，本工程地表沉降最大值也小于Clough等关于软土地区基坑地表沉降的下限值0.15%H，而处于Hashash等关于中等硬度地区基坑地表沉降统计范围之中。这进一步说明本工程采用的分区开挖与地基加固相结合的变形控制方法大大减小了基坑开挖所引起的变形。

4.3地铁车站变形

 基坑开挖所引起的地铁车站最大竖向沉降沿车站长度方向的变化如图5所示，图中正值表示隆起。由图可知，由于基坑开挖卸荷，邻近地铁车站发生明显上抬变形，上行线由于距离基坑较近，因此上行线的上抬变形比下行线的上抬变形大；车站两端受地下连续墙影响，上抬变形较小；车站中部偏右部位上抬量相对较大。上行线和下行线最大竖向变形分别为9.6mm和6.9mm，车站的竖向变形远小于地铁线路20mm的竖向变形容许值。

 基坑开挖所引起的地铁车站最大水平位移沿车站长度方向的变化如图6所示，图中正值表示车站朝向基坑方向移动。由图可知，基坑开挖使地铁车站向基坑的方向移动，上行线和下行线的水平位移基本相近；车站的水平位移沿车站长度方向变化不大，各点的水平位移比较接近。上行线和下行线最大水平位移分别为5.1mm和4.4mm，车站的水平位移也远小于地铁线路20mm水平变形的容许值。

 基坑开挖期间地铁车站的竖向变形和水平变形均远小于相对应的变形控制值，这也说明本工程采取的变形控制措施起到了很好的作用。

4.4建筑物变形

 基坑开挖期间邻近厂房代表性部位沉降随时间的变化如图7所示，图中负值表示沉降。由图可知，基坑开挖引起邻近的厂房发生沉降，围护结构施工期间厂房便开始沉降，围护结构施工期间的沉降值占各点总沉降值的33%~60%；这一现象与相关文献的研究结果相吻合，说明围护结构施工期间对邻近建筑物产生的影响也较大。受地质条件等因素影响，厂房靠近基坑左侧的沉降值较基坑右侧的变形稍大，各测点的最大沉降值分布在- 11.7~- 15.7mm，各测点的最大沉降值也远小于现场的变形控制指标。

 由此可见，基坑开挖期间地下连续墙水平位移、地表沉降、邻近地铁车站的竖向位移和水平位移，以及邻近建筑物的沉降均远小于对应的变形控制指标，这充分说明本工程所采取的分区开挖和地基加固相结合的变形控制方法有效减小了基坑开挖所产生的变形，以及基坑开挖对邻近地铁车站和厂房的影响。

5  结语

 1)在基坑内部增设中隔墙的分区开挖法为一种有效的变形控制方法。分区后可以充分利用中隔墙截面面积大、刚度大、插入深度大、发挥作用时间早以及时空效应对基坑变形的影响，从而大幅减小基坑开挖所引起的变形以及基坑开挖对周边建（构）筑物的影响。

 2)在基坑周边环境复杂、变形控制要求严格的情况下，分区开挖和大面积地基加固相结合的方法可以有效减小基坑开挖所引起的变形。本工程中，基坑开挖所引起的围护结构最大水平位移和最大地表沉降分别为0.11%H和0.12%H，均小于相关学者统计所得的基坑变形值；邻近地铁车站的竖向沉降和水平位移以及厂房的沉降也均远小于相应的变形控制指标。