宋倩云， 徐國興， 王翠英

(1 湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068； 2 湖北楚程巖土工程有限公司， 湖北 武漢 430300)

上海大部分深基坑工程均處于地下30 m以內(nèi)的流塑及軟塑黏土層中。由于軟黏性土具有較大的流變性，則基坑工程中的支護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍地層的變形在很大程度上取決于施工工序和施工參數(shù)。因此，在基坑設(shè)計施工過程中，必須考慮時空效應(yīng)所帶來的影響并制定相應(yīng)的解決措施。已有許多學(xué)者在基坑的空間尺寸對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、周圍地層的位移及基坑穩(wěn)定性的影響做了較深入的研究。如方銀鋼[1]在時空效應(yīng)的影響下采用鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)、設(shè)置隔離樁等措施對土體分層分塊卸荷，以此控制基坑變形；賈堅[2]利用時空效應(yīng)法開挖技術(shù)，解決復(fù)雜地區(qū)基坑變形控制問題；高文華等[3]運用三維有限元分析模型對支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形時空效應(yīng)的影響規(guī)律進(jìn)行探索；史子庸[4]對深基坑內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律與優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行了研究；李成巍等[5]介紹了緊鄰地鐵隧道的復(fù)雜環(huán)境條件下，兩側(cè)超大深基坑同步開挖的總體設(shè)計思路，以及針對變形控制目標(biāo)采取的技術(shù)措施；包宸豪[6]基于數(shù)值模擬和層次分析法對雙側(cè)基坑最優(yōu)開挖方案進(jìn)行研究。

目前工程界在軟土地區(qū)深基坑工程中，為控制地層位移保護(hù)基坑周圍環(huán)境，在基坑開挖前用高壓旋噴注漿法，沿坑底2～4.5 m厚的土體，滿膛加固，有的在開挖過程中施加密集的大規(guī)模型鋼支撐等處理方法。如照此做法，在上海地區(qū)基坑施工時，需加固大量土體，不僅花費高額加固費用，而且還將延長施工周期。筆者以上海某深基坑工程為背景，探究考慮空間效應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計及“盆式挖土與限時對撐”的施工技術(shù)，有效地控制基坑變形，降低造價，為類似基坑設(shè)計與施工提供參考。

1 基坑開挖的空間尺寸與抗隆起安全系數(shù)的關(guān)系

深基坑開挖的空間效應(yīng)是指土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場與位移場不但與最終狀態(tài)有關(guān)，而且與達(dá)到最終狀態(tài)的路徑、結(jié)構(gòu)尺度等有關(guān)，即所謂空間效應(yīng)?；又熊涴ね灵_挖順序、分塊尺寸與基坑的穩(wěn)定性和墻后地面沉降都有一定的關(guān)系。

Eide等曾對長條形、方形和長寬比為2的矩形基坑的抗隆起進(jìn)行研究，提出了抗隆起安全系數(shù)Fs計算公式[7]為：

(1)

式中：Cu為不排水抗剪強(qiáng)度,kPa；γ為土體重度,kN/m3；H、B、L為基坑開挖深度、寬度、長度,m；q為地面超載,kPa；Nc為與尺寸相關(guān)的待定參數(shù)。

圖1為基坑尺寸長、寬、深與Nc關(guān)系曲線。對于H/B=1及B/L→0的條形基坑，圖1中查出Nc=6.4，F(xiàn)s0=Cu·6.4/γH；對于H/B=1及B/L=1為方形基坑，圖1中查出Nc=7.7，F(xiàn)s1=Cu·7.7/γH；Fs0、Fs1分別為條形、方形基坑抗隆起安全系數(shù)。

由式(1)可知：Fs0/Fs1= 7.7/6.4=1.21，H/B=1的方形基坑(B/L=1)的抗隆起安全系數(shù)比H/B=1的條形基坑(B/L→0)大21%。

2 考慮空間效應(yīng)的基坑設(shè)計與施工

根據(jù)基坑開挖深度、面積大小和周邊環(huán)境條件等因素優(yōu)化基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)型式，考慮空間效應(yīng)，采用盆式開挖，分層分段，留土護(hù)壁，限時對撐的基坑挖土方案，從而達(dá)到控制基坑變形的目的。

2.1 考慮空間效應(yīng)的深基坑支護(hù)設(shè)計

2.1.1 方案設(shè)計采用內(nèi)支撐“對撐+邊桁架+局部角撐”支護(hù)形式。

設(shè)計考慮的內(nèi)容如下：

1)根據(jù)設(shè)計要求，對設(shè)計提出的總的變形控制量進(jìn)行分解，根據(jù)施工流程和工況提出分階段的定量控制指標(biāo)，用以指導(dǎo)分階段的施工作業(yè)；

2)信息化施工的具體安排。首先進(jìn)行基坑系統(tǒng)的分析和先期預(yù)控設(shè)計，然后施工過程中實施動態(tài)監(jiān)測和過程控制。

2.1.2 支撐軸力的計算采用等值梁法計算支撐軸力。首先計算出各土層的主動土壓力和被動土壓力，然后求出土壓力零點O位置。圖2為等值梁法計算簡圖。

等值梁AO，根據(jù)平衡方程計算支撐軸力

(2)

式中：Ea為庫倫主動土壓力,kN/m；h為基坑深度,m；u為坑底至壓力零點的距離,m；a為主動土壓力合力作用點至樁頂?shù)木嚯x,m；h0為支撐點距樁頂?shù)木嚯x,m。

2.1.3 橫撐水平距離的確定設(shè)橫撐水平間距為d，根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)平衡條件，則

即

(3)

式中：∑Ea為支護(hù)樁墻一側(cè)的主動土壓力合力標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m；∑Ep為支護(hù)樁墻另一側(cè)被動土壓力合力標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m。

2.1.4 支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性驗算穩(wěn)定安全系數(shù)

(4)

式中：Ni為第i個支撐對支護(hù)樁墻的水平作用力,kN/m。

2.2 考慮空間效應(yīng)的深基坑施工

1)盆式開挖 先開挖基坑中間部分的土，基坑周圍內(nèi)側(cè)留土坡，土坡最后挖出，稱盆式開挖。本基坑基坑開挖面積大、無法放坡；結(jié)合基坑的實際分布情況，在考慮周邊環(huán)境與實際施工條件之后，首先將基坑分為若干個區(qū)域，一一進(jìn)行數(shù)字編號，并嚴(yán)格按照分區(qū)編號大小順序從小到大依次施工，編號數(shù)字相同區(qū)域需要同時施工，圖3為盆式開挖施工圖。

圖 3 盆式開挖施工圖

2)分層開挖 本基坑土質(zhì)較軟弱、開挖深度較大，并且施工條件不適合分塊分段施工混凝土墊層。分層開挖是整體澆灌混凝土墊層的基礎(chǔ)，分層的厚度必須嚴(yán)格根據(jù)地下土質(zhì)情況進(jìn)行穩(wěn)定性計算之后確定。軟土地基的分層厚度一般控制在2 m以內(nèi)，而硬質(zhì)土可以控制在5 m以內(nèi)。

3)土方開挖與支護(hù)的配合 開挖進(jìn)程和支護(hù)結(jié)構(gòu)施工協(xié)調(diào)，可以形成循環(huán)作業(yè)，節(jié)省工期。所有支護(hù)樁、立柱樁、水泥土攪拌樁、降水井必須在基坑開挖前完成。

2.3 環(huán)境保護(hù)的信息化施工與監(jiān)測

圖4為基坑信息化施工流程圖。

圖 4 基坑信息化施工流程圖

3 工程實例

3.1 工程概況

上海某工程占地面積21 562 m2，總建筑面積87 650 m2。工程北毗臨宋氏住宅保護(hù)建筑，東側(cè)緊鄰M15規(guī)劃地鐵線，南為主干道，西靠申康賓館保護(hù)建筑，同時與擬建12號線對接。

該基坑工程近似于長方形，南北長約120～190 m，東西寬約110 m。地下部分開挖深度23 m，基坑開挖面積約16 572 m2，周邊延長米約600 m，地層情況詳見表1。

表1 地層計算參數(shù)

3.2 考慮空間效應(yīng)的深基坑設(shè)計與施工

3.2.1 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案綜合考慮本次基坑工程情況、周邊環(huán)境條件及基坑開挖施工順序，圍護(hù)設(shè)計采用地下連續(xù)墻(兩墻合一)+四道鋼筋砼水平內(nèi)支撐的圍護(hù)形式；內(nèi)支撐布置采用“對撐+邊桁架+局部角撐”，連續(xù)墻邊緣采用圍檁的形式進(jìn)行加固，支撐平面布置及施工分區(qū)圖見圖5。

圖 5 支撐平面布置及施工分區(qū)圖

3.2.2 支撐體系該工程地下四層，開挖深度23 m，圍護(hù)設(shè)計設(shè)置四道鋼筋砼支撐，支撐和圍檁參數(shù)詳見表2。

表2 內(nèi)支撐和圍檁參數(shù)

此外還有棧橋、支撐立柱、換撐、支撐拆撐(篇幅所限略)。

3.2.3 支撐力計算

1)計算工況 挖土標(biāo)準(zhǔn)工況與地下室施工順序：開挖至-1.55 m時，開槽施工第一道支撐、圍護(hù)樁壓頂梁；分層分塊開挖至-6.85 m時，開槽施工第二道圍檁及支撐；待強(qiáng)度達(dá)到后，分層分塊開挖至-11.85 m時，開槽施工第三道圍檁及支撐；待達(dá)到強(qiáng)度后，分層分塊開挖至-16.05 m時，開槽施工第四道圍檁及支撐；達(dá)到強(qiáng)度后，分層開挖至坑底處，并立即澆注墊層、施工底板及換撐帶等。

2)1-1剖面支撐力 本算例選取1-1剖面，采用等值梁法計算支撐軸力?；又苓叺孛婧奢d取20 kPa，連續(xù)墻深度41.8 m。

第一道支撐力N1計算。開挖至-6.85 m，第二道支撐還未施工、強(qiáng)度未達(dá)到期間，第一道支撐處于最不利狀態(tài)。采用朗肯土壓力理論、水土合算計算土壓力，計算得各土層主動、被動土壓力強(qiáng)度見圖6，等值梁法計算簡圖見圖7。

土壓力零點位置

圖 6 主、被動土壓力分布情況

圖 7 1-1剖面等值梁法計算簡圖

采用逐層開挖支撐力不變法Ea1=70.52 kN/m，b1=4.55 m，Ea2=206.90 kN/m，b2=1.52 m，Ea3=309.63 kN/m，b3=1.02 m。對等值梁AO的O點取矩，由(2)式得

243.2 kN/m

b1、b2、b3分別為土壓力Ea1、Ea2、Ea3合力作用點距開挖面的距離；同理求得：N2=856.3 kN/m，N3=1125.7 kN/m，N4=1160.5 kN/m

橫撐水平距離的確定。

由式(3)得，

穩(wěn)定性驗算由式(4)得

內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)滿足穩(wěn)定性要求。

3.3 考慮空間效應(yīng)的深基坑施工

3.3.1 平面分區(qū)本基坑長約120～190 m，寬約110 m，根據(jù)基坑施工要求，土方開挖與支撐施工過程中擬將該基坑場地由北至南劃分為A、B、C、D四個施工區(qū)(圖5)。N軸線以北為A區(qū)，N～J軸線范圍為B區(qū)，J～E軸線范圍為C區(qū)，E軸線以南為D區(qū)。為了提高施工進(jìn)度，每個施工區(qū)域又以5號軸為界劃分為東、西兩個平行施工段Ⅰ、Ⅱ，平面分區(qū)具體劃分示意圖見圖4。

3.3.2 豎向分層估算主體基坑最長120 m，寬約110 m，B/L=0.92，H/B=0.21，插入法查圖1得Nc=6.2，最大分塊長、寬分別為55 m、30 m，取Fs為1.2，開挖深度范圍內(nèi)土層黏聚力Cu厚度加權(quán)平均值為18.0 kPa，根據(jù)式(1)，分塊每層開挖深度H=4.89 m。

基坑土體開挖共分為五層，每層開挖深度4.6 m(4.6 m<4.89 m)，第一層與第五層開挖一次到底；第二層～第四層，每層再分二小層分層開挖。

3.3.3 留土護(hù)壁，盆式開挖盆式開挖中間土體并施工對應(yīng)的支撐，四周留5 m寬左右的土堤，并且沿開挖面放1:1.5的坡，以減少基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形；基坑嚴(yán)禁超挖，最后150 mm厚土層采用人工清挖，以控制標(biāo)高。由于上海地區(qū)黏性土的流變性，應(yīng)用時空效應(yīng)，隨挖隨撐，盆邊支撐48 h內(nèi)形成，限時支撐。

3.4 監(jiān)測結(jié)果

設(shè)計提出的總的變形控制量，分解至施工流程和各工況分階段的定量控制指標(biāo)中；圖4基坑場地劃分的A、B、C、D四個施工區(qū)分成階段1、階段2、階段3、階段4進(jìn)行監(jiān)測，第5 d、第10 d、第15 d和第20 d天圍護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測結(jié)果分別見圖8、圖9、圖10和圖11；監(jiān)測結(jié)果表明，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測值與設(shè)計預(yù)測值相吻合，均在規(guī)范允許范圍。

工程實施情況和監(jiān)測結(jié)果表明，考慮了空間效應(yīng)內(nèi)支撐布置形式以及施工方法，可減小、控制深基坑變形，合理地解決了土方開挖及施工過程對周圍建筑物和交通所造成的影響，降低了造價。

圖 8 第5 d基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測值與預(yù)測值對比

圖 9 第10 d基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測值與預(yù)測值對比

圖10 第15 d基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測值與預(yù)測值對比

圖11 第20 d基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測值與預(yù)測值對比

4 結(jié)論

1)闡述基坑開挖的空間尺寸與抗隆起安全系數(shù)的關(guān)系，分析得出方形基坑的抗隆起安全系數(shù)比條形基坑大21%；用該方法估算了開挖平面分區(qū)尺寸；

2)深基坑方案設(shè)計中考慮空間效應(yīng)，采用內(nèi)支撐“對撐+邊桁架+局部角撐”的支護(hù)形式；并對支撐軸力、橫撐水平距離及支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了驗算；

3)考慮空間效應(yīng)采用“盆式開挖”的施工原則，做到“平面分區(qū)，豎向分層，留土護(hù)臂，限時對撐”，控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及周圍地表沉降；

4)設(shè)計提出的總變形控制量，分解至施工流程和各工況分階段的定量控制指標(biāo)中。第5 d、第10 d、第15 d和第20 d圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形實測值結(jié)果表明，與設(shè)計預(yù)測值相吻合，并在規(guī)范允許范圍。