高层建筑复杂环境条件下基坑变形与施工控制研究

【关键词】基坑；变形；施工控制 

　　当前，随着我国城市建设规模的扩大，高层建筑越来越多，基坑工程面临挖深加大、土方开挖周期长、基坑周边环境复杂等诸多问题。由于这些深大基坑一次性卸荷量大，施工工期长、施工条件复杂困难，使得深基坑开挖对环境的影响十分显著，主要表现为周边建筑、道路、地下管道和管线因地基不均匀沉降开裂或断裂破坏等。因此，了解深大基坑的卸荷变形性状和产生的影响的基础上，采取针对措施控制基坑变形，以控制深大基坑的卸荷影响和保护周边环境是目前基坑工程中面临的一个迫切而重要的课题。 

　　1 基坑开挖变形机理 

　　1.1 坑底土体隆起 

　　坑底土体隆起是坑底土体原有应力状态因垂直卸荷而改变的结果。在开挖深度不大时，坑底土体卸荷后发生垂直向的弹性隆起，坑底弹性隆起在开挖停止后很快停止，这种坑底隆起基本上不会引起围护墙外的土体向坑内移动，随着开挖深度的增加，基坑内外的土面高度差和地面各种超载作用下，就会使围护墙外侧的土体向基坑内移动，引起围护墙的变形，同时在基坑周围产生较大的塑性区，引起坑内土体的塑性隆起和坑周地面沉降。尤其当支护结构插入深度不足时，更易在基坑开挖深度较小时即发生基周围土体的塑性流动，引起坑底的塑性隆起，当塑性变形发展到极限状态时，基坑外的土体向坑内产生破坏性的滑动，使基坑失稳，基坑周围地层发生大量沉陷。 

　　1.2 围护墙变形和位移 

　　基坑开挖时，荷载不平衡导致围护墙体产生水平向变形和位移，从而改变基坑外围土体的原始应力状态而引起地层移动。基坑开挖时，围护墙内侧卸去原有土压力，而基坑外侧受到主动土压力，坑底墙体内侧受到全部或部分被动土压力，不平衡土压力使墙体产生变形和位移。围护墙的变形和位移又使墙体主动土压力区和被动土压力区的土体发生位移，墙外侧主动土压力区的土体向坑内移动，使背后土体水平应力减小，剪力增大，出现塑性区；而在开挖面以下的被动区土体向坑内移动，使坑底土体水平向应力加大，导致坑底土体剪应力增大而发生水平向挤压和向上隆起的位移。墙体变形不仅使墙外侧发生地层损失而引起地表沉降，而且使墙外侧塑性区扩大，因而增加了墙外土体向坑内的移动和相应的坑内隆起，墙体的变形和坑外土体向坑内的移动是引起周围地层移动的重要原因。 

　　1.3 墙后地表沉降 

　　基坑开挖的过程就是基坑内卸荷的过程，由于卸荷引起坑底土体隆起以外，还会引起坑外土层向坑内移动，从而引起坑外地表沉降。可以认为，基坑开挖引起周围地层移动的主要原因是坑底的土体隆起和围护墙的侧向位移。当然，地下水的渗流、软土的流变性以及其他施工因素等也会对坑外地表沉降造成影响。 

　　2 基坑变形对建筑施工的影响因素 

　　对此问题，笔者以实践参与的某工程为例进行说明。该基坑工程设计总建筑面积为20000m2，其中地下部分3层，开挖面积约9000m2，平均开挖深度13.40m。基坑施工分4层进行挖土。基坑围护结构采用地下连续墙及3层钢筋混凝土平面框架支撑体系。地下连续墙厚0.8m，深26m，按6m标准分幅。3道钢筋混凝土支撑断面分别为0.8mxO.8m、1.2mx1.0m、1.2mx1.0m。3道支撑中心标高为：第1道-2.8m，第2道-7.15m，第3道-l1.3m。为保证基坑稳定、控制基坑变形，连续墙内侧被动区土体采用水泥搅拌加固。基坑变形的施工影响因素主要为： 

　　2.1 开挖深度的影响 

　　随着开挖深度的增加，支护墙的水平位移和正弯矩逐渐增加。其中支护墙的顶端位移在未加支撑时最大，当第l道支撑施加之后有所减小并保持稳定。当土体开挖到6m时，支护墙出现了最大的负弯矩；当第2道、第3道支撑加上之后，第1道支撑轴力有所减小，负弯矩也随之减小。 

　　2.2 开挖宽度的影响 

　　为分析基坑宽度对墙体位移的影响，将基坑开挖宽度分别取为原值的0.5倍、1.0倍和2.0倍计算，其他参数保持不变。由计算结果得，当基坑开挖宽度增大时，墙体水平位移也增大，同时墙体的弯矩也有比较明显的增大。因此，在实际工程中，为了保证墙体的安全，不应使基坑开挖宽度过大。 

　　2.3 支撑与开挖顺序的影响 

　　基坑开挖有“先撑后挖”及“先挖后撑”两种方式，前者墙后土体在约束状态下卸载，后者是先卸载再加约束。试验结果表明，采用后者进行开挖时，支护墙的最大水平位移明显增加，而墙体的正弯矩有所减小，负弯矩明显增大。 

　　2.4 基坑空间效应的影响 

　　在基坑深度方向上，围护结构的最大水平位移发生在基坑底面附近。而在沿基坑边的方向，位移为拐角处小，中间大；主动土压力的分布与水平位移呈现出相反的规律，而被动土压力的规律则又反之。随着基坑长宽比的增大，围护结构长边的最大水平位移不断增大，空间效应减弱。当长宽比超过一定值之后，其最大水平位移已接近于按二维平面应变问题分析的结果。 

　　3 基坑变形的施工控制措施 

　　3.1 基坑支护方案选择 

　　3.1.1 钻(冲、挖)孔桩、沉管灌注桩或钢筋混凝土预制桩。对于5m～10m深软土基坑常用此法作为支护结构，基坑内必要时再加内支撑，如需防渗止水，则可辅之以深层搅拌桩作为止水帷幕，有时也用钢板桩或H型。 

　　3.1.2 土钉墙技术。该技术是一种原位土加筋和强化的技术，对场地土层适应性强，但该不适合在松砂土、软土或地下水丰富的情况下使用。 

　　3.1.3 锚杆技术。该技术能为基坑开挖提供较广阔的空间，应用广泛。 

　　3.1.4 泥土搅拌桩技术。该技术是目前5m以内基坑的首选支护形式，适用于多种地质条件，较经济。 

　　3.1.5 地下连续墙。基坑大于10m时或紧邻其周围有非常重要的建筑物或其他重要设施需要严格控制基坑变形时，常选地下连续墙。地下连续墙既是挡土墙又兼作地下室的外墙，采用逆作法施工可缩短基坑开挖和支护结构大面积暴露的时间，改善支护结构受力性能，使其刚度大为增强，使支护结构的变形及对相邻设施的影响大为减少，从而使总造价降低。 

　　3.1.6 SMW法连续墙。该法从日本引进，以多轴型钻掘搅拌机在现场向一定深度进行钻掘，同时在钻头处喷出水泥系强化剂与地基土反复混合搅拌，在各施工单元之间采取重叠搭接施工，等水泥土未结硬前插入H型钢或钢板作为补强材料至水泥结硬，便形成一道具有一定强度和刚度、连续完整、无接缝的地下墙体。该法近年来使用较多。 

　　3.2 注意应用时空效应原理 

　　时空效应理论是在土体流变性的基础上提出的，其施工原则是分层、分块、限时、对称、平衡。即在基坑开挖施工同支护结构及坑周土体位移之间，存在着一定的相关性，故科学地安排土方开挖施工顺序和控制施工进度，将有助于控制挡墙和坑周土体的位移。据基坑工程规模、几何尺寸、支撑形式、开挖深度和地基加固条件，提出详细的、可操作的土方开挖分层、分块方案，限时开挖时间与无支撑暴露时间，并保证每次开挖时支撑体系的力学平衡。 

　　3.3 适当的土体加固 

　　对一些基坑变形不能满足要求的可适当对相应的土体进行加固，例如可对基坑周围的土体注浆加固，以减少周围建筑物、管道的侧移，同样也可以对坑底土采用压力灌浆、水泥搅拌桩、石灰桩等方法进行基坑底土体加固，以提高基底土的强度，改善其变形特征。 

　　3.4 利用信息化施工 

　　一是支护结构的监测，包括支护结构桩墙顶位移监测、支护结构倾斜监测、支护结构应力监测、支撑结构应力监测、锚杆锚固力监测、土压力监测、土体孔隙水压力监测等。二是周围环境监测，包括邻近建筑物的沉降观测、边坡土体的位移和沉降观测、邻近道路和地下管线的沉降观测、裂缝观察、地下水位测试、边坡土体的位移和沉降观测。基坑监测可以捕捉到开挖各工况下的信息。 

　　参考文献： 

　　[1]吴瑞波.基坑中局部挖深对围护结构的安全及位移影响分析[D]. 同济大学硕士学位论文，2008. 

　　[2]刘艳军，孙敦本.深基坑变形控制研究进展[J].四川建筑科学研究，2011，（1）：119-123.