復雜邊界深基坑考慮時空效應的設計優(yōu)化及反思

張 穎 ，范益群

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限責任公司，上海市 200092）

1 背景

1.1 工程背景

隨著城市建設的發(fā)展，城市內(nèi)的建筑密度逐漸增大；高度增加，大深度，大面積，復雜邊界條件的基坑項目大量出現(xiàn)。深基坑開挖的變形控制已成為一個非常迫切而重要的課題。在總結大量基坑監(jiān)測及實踐資料的基礎上，業(yè)界提出了時空效應理論和技術方法，取得了廣泛應用。

上海虹橋商務區(qū)核心區(qū)一期06地塊即屬于該類型基坑，該項目位于申長路和申虹路之間，由D17、D19兩個街坊組成，分別位于虹橋綜合交通樞紐中心軸線D18地塊南北兩側（見圖1）。

D17、D19基坑間為地鐵2號線、10號線虹橋樞紐西延伸段，D18地塊，距離基坑外邊線僅6 m；如圖2“A-A剖面示意圖”所示。

D17、D19基坑面積相仿，均為 30 000 m2，其中東西向邊長約200 m，南北向長約150 m?；由疃染鶠?6～16.8 m。

該工程基坑周邊環(huán)境條件復雜。

東側：基坑東側緊靠虹橋樞紐西交通廣場，該廣場為地下2層結構，邊界處為下沉式斜撐擋墻結構，如圖3“B-B剖面示意圖”所示。

西側：基坑西側申長路，下方有多條已排管線，基坑距該道路紅線約3 m。

北側：D17北側為已拍賣空地。

南側：基坑南側為申虹大廈辦公大樓。與D19間距約20 m。

1.2 問題（技術難點）

（1）面積大：D17、D19基坑面積相仿，均為30 000 m2，其中東西向邊長約200 m，南北向長約150 m。

（2）基坑深度大：基坑深度16～16.8 m，局部落坑深度超過17 m

（3）周邊邊界條件：如圖1所示，基坑周邊緊貼虹橋火車站地下車庫、高層建筑等，周邊管線密集。

（4）臨近運營中地鐵，保護要求等級高：兩地塊間的D18虹橋火車站站屬于2號線、10號線運營中地鐵，按照地鐵運營公司要求，地鐵運營區(qū)結構變形需小于2 cm。

2 時空效應原理

時空效應理論是一種通過改變施工工藝和方案，進而控制周邊土體位移的理論。其基本思想是通過充分考慮土體時間和空間作用，利用土體自身的潛力，有效地控制變形。

圖2 A-A剖面示意圖

圖3 B-B面示意圖

深基坑的時空效應，分為時間效應和空間效應。

時間效應：處于軟土地區(qū)的深基坑工程，地基土往往具有明顯的流變特性，基坑支護結構和周圍地層的變形會隨時間延長而持續(xù)增加，即表現(xiàn)為深基坑工程的時間效應。

軟土具有流變性,這是深基坑工程考慮時空效應的前提。試驗和研究證明在壓應力a<0.025 MPa時,這類軟弱粘土就已發(fā)生蠕變;當a>0.15 MPa(此應力對應于流變性粘土中14～15 m深基坑擋墻被動區(qū)的土壓力)時,不排水蠕變速率急劇增大,最后發(fā)生破壞。上海地區(qū)地下30 m深度以內(nèi)的地層多屬流塑和軟塑粘土,大多數(shù)深基坑處在此深度范圍內(nèi)。這種地層的土體具有高含水量、高靈敏度、高壓縮性、低密度、低強度、低滲透性等特性。其流變性尤其顯著[1]。

空間效應：深基坑本身是一個具有一定平面形狀和深度的三維開挖空間，由支護結構、坑內(nèi)水平支撐(或坑外拉錨)、坑內(nèi)立柱與立柱樁等構成，基坑的平面尺寸與形狀、開挖步驟、開挖深度等因素均會對其變形及穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響，即表現(xiàn)為深基坑工程的空間效應[2]。

根據(jù)上海地區(qū)的工程經(jīng)驗[1]對于長條形深基坑，若分段進行開挖，墻體最大水平位移、地面沉降范圍及最大沉降量都會有所減小。由此可以得出：將基坑分坑、按較短的段分段開挖，能有效地減小墻體位移、底層水平位移與地面沉降。

3 考慮時空效應的實踐

3.1 時空效應的本質(zhì)

從本質(zhì)上看，基坑工程的施工實際上是以一種穩(wěn)定的結構平衡狀態(tài)，來代替原始的不穩(wěn)定的土體平衡狀態(tài)的過程。如果上述替換過程能夠達到零時差，也就無所謂的時空效應。

而在實際的基坑工程中，完成結構體系（包括自身強度達到標準），需要一定的時間，所以土體的流變得以持續(xù)發(fā)展，進而帶來基坑及周邊環(huán)境的變形。

所以當前，無論設計還是施工，時空效應的利用主要圍繞著以下三點進行：

（1）分步，分小塊進行，減小單次施工中體系內(nèi)的不平衡力。

（2）盡快形成結構體系平衡，終止土體流蠕變的發(fā)展。

（3）改良土體性能，改變土體蠕變曲線，減緩土體變形速率。

3.2 基于時空效應的設計及施工

時空效應在上海基坑工程中的應用已經(jīng)非常普遍，在設計、施工及監(jiān)管單位中均積累了相當?shù)慕?jīng)驗。

根據(jù)申通地鐵保護的要求及經(jīng)驗做法，大基坑靠近地鐵側50 m范圍內(nèi)宜分成小坑并分階段施工，以便將對地鐵的影響降低到最小程度?？拷罔F側的地墻，施工前需對地墻兩側土體預加固，俗稱“夾心餅干”，以保證地墻成墻質(zhì)量。

根據(jù)時空效應的遠離及監(jiān)管單位對周邊環(huán)境保護的要求，基坑設計施工中應有如下體現(xiàn)：

（1）分坑：靠近地鐵50 m側，劃分為小坑施工。在1期、2期基坑未出地面以前，不允許開挖3期、4期小坑。靠近地鐵50 m內(nèi)，基坑最大面積不應超過10 000m2。

（2）支撐布置：對于1期、2期基坑，面積較大，且跨度較長，采用3道混凝土支撐。增設角撐，而靠近地鐵側小基坑，寬度最大為30 m左右，采用鋼支撐加軸力自動補償系統(tǒng)。

（3）基坑加固：基坑內(nèi)側被動區(qū)，對坑底及必要的支撐下設置土體加固，提供被動抗力。靠近地鐵側小坑內(nèi)加固適當增加。

（4）分層、分塊：施工中注意開挖的分層分塊。盆式開挖的引用也是重要一環(huán)。

（5）限時：靠地鐵側基坑分步開挖后，要求6 h內(nèi)完成鋼支撐的架設。

（6）對稱、平衡：基坑開挖過程中兩邊卸載需平衡，如D17基坑，1區(qū)基坑開挖過程中，支撐兩端的坑內(nèi)被動土卸載需平衡，同時在2區(qū)基坑施工中，2-1區(qū)、2-2區(qū)主動區(qū)卸載也得平衡。

結合時空效應理論，綜合考慮地鐵保護要求及上部結構的劃分，對D17及D19基坑分坑及支撐布置如圖4～圖8所示，施工順序如圖中編號所示。

圖4 D17基坑平面布置圖（含開挖步序及監(jiān)測點布置）

圖5 D17基坑加固平面布置圖

圖6 D19基坑平面布置圖（含開挖步序及監(jiān)測點布置）

圖7 D19基坑加固平面布置圖

圖8 D17、D19基坑橫剖面示意圖

D19設計及施工稍落后與D17地塊，但由于兩地塊的標志性建筑-星舟位于D19地塊以內(nèi)，為加快施工進度，減少影響時間考慮，D19地塊的分坑形式調(diào)整為圖6、圖7所示。

4 工程反思

4.1 監(jiān)測結果

上述設計及施工步驟，有效地利用了時空效應理論，取得了較好的變形控制。但局部區(qū)域仍然變形過大，且大大超過計算值。將部分變形較大的區(qū)域監(jiān)測資料整理如下。

4.1.1 D17監(jiān)測數(shù)據(jù)(見圖9、表1)

圖9 D17測點各深度位置變形圖

表1 D17測點各深度位置變形數(shù)值表

施工時間：（ACX1、2、3、4）對應區(qū)域于 2012年6月 16日 ～11月 24日。（ACX5、6）于 2012年 3月26日～6月15日。

4.1.2 D19監(jiān)測數(shù)據(jù)（見圖10、表2和表3）

施工時間：（BCX3、4、5、6）于 2012年 4月 4日 ～7月1日。（BCX9）于2012年12月3日～1月31日。（BCX11）于2012年11月19日～1月31日。

4.2 工程不足之處及分析

軟土地區(qū)基坑工程是以控制變形為主要目的和導向的。在上海地區(qū)基坑規(guī)范中，也規(guī)定了一級基坑0.14%H（該工程中為23 mm）、二級基坑0.3%H（該工程中為50 mm）的變形控制要求。而在D17、D19基坑實施過程中，出現(xiàn)了部分區(qū)域變形過大的情況，最大值達到110 mm。需要引起深思。

圖10 D19測點各深度位置變形圖

表2 D19測點各深度位置變形數(shù)值表（一）

表3 現(xiàn)D19測點各深度位置變形數(shù)值表（二）

D17、D19基坑深度16～16.8 m，原設計方案為1 m地下墻+3道支撐方案。后經(jīng)業(yè)主建議，對原方案進行設計優(yōu)化，適當加大裙邊加固，減小地墻厚至800 mm。但實際實施過程中，部分區(qū)域變形仍出現(xiàn)了變形過大的情況，部分最大值達到了110 mm。

4.2.1 裙邊加固效果并不明顯

由于支撐在澆筑完成后達到設計強度需要一定的養(yǎng)護時間，因此在采用混凝土支撐的大基坑中，為控制這段時間內(nèi)的圍護結構變形，一般在基坑支撐下側土質(zhì)較差的地層，會在開挖前預先進行土體加固。

而在該項目中，圍護結構變形，特別是2道支撐、3道支撐的變形仍然在開挖面暴露的十來天內(nèi)快速發(fā)展。這一監(jiān)測結果在D17、D19基坑中均有體現(xiàn)。似乎支撐下的裙邊加固并未起到預想的作用。該現(xiàn)象需要從加固體抗圍護變形的機理上研究。

基坑加固當前采用的主要方式有：滿堂加固、裙邊加固、裙邊+抽條加固、墩式加固等。由于成本巨大，坑內(nèi)滿堂加固當前已極少采用。

4.2.1.1 裙邊加固

這種擴散通過橫向和縱向去體現(xiàn)，如圖11所示。

圖11 裙邊加固抗變形機理示意圖

A部分抗力與原狀土相同，如不考慮加固體自身的壓縮變形，實際增加的抗力僅為B+C部分。

4.2.1.2 裙邊+抽條加固（見圖12）

圖12 裙邊+抽條加固抗變形機理示意圖

相對于單純?nèi)惯吋庸蹋黾映闂l加固，能有效地加強結構支撐的效果。

抽條加固在當前設計中，被認為是一道有效的“支撐”。筆者認為，抽條加固的支撐效果與單純的結構支撐并不完全相同。

基坑支護中的鋼筋混凝土支撐剛度較大，荷載通過支撐體傳遞至對面圍護，并達到平衡。而抽條加固的支撐體現(xiàn)，實際上是將荷載分散，轉(zhuǎn)化為加固體與土體間的側摩阻力。

根據(jù)土工試驗的結果，加固體的彈性模量與無側限抗壓強度的關系為E50=126 qu[3]，在設計要求達到qu=1.0 MPa的情況下，E50=1.25×108N/m2，C30混凝土結構的彈性模量為3.0×1010N/m2。彈性變形模量相差240倍?？梢姵闂l加固所起到的作用并非簡單的結構支撐。抽條加固所起的“支撐效果”在一定長度范圍內(nèi)，就已經(jīng)將荷載擴散到周邊土體中，不會傳遞到對面圍護上。因此如基坑長度較大，抽條加固的優(yōu)勢也較小。

在圖12中，D部分的抗力最終通過抽條加固體傳遞至側面土體上。

4.2.1.3 節(jié)點式加固

墩式加固屬于節(jié)點加固的一種，某種意義上，墩式加固較裙邊+抽條加固更為合理。加固墩體利用后側較大表面積提供摩阻力，同時墩底埋深加大，利用了開挖面以下經(jīng)過深度修正的土體承載力。

4.2.2 荷載不平衡導致的基坑變形持續(xù)發(fā)展

基坑在兩側土體平衡，支撐架設完畢并達到強度后，理論上支撐及以上位置的變形即不再發(fā)展。D17基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)也體現(xiàn)出上述特點，在每次開挖完成并澆筑完混凝土支撐后，基坑的變形基本上能保持穩(wěn)定，如圖13所示。

圖13 平衡狀態(tài)下的基坑示意圖

而在D19基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)中，變形是持續(xù)發(fā)展的，經(jīng)現(xiàn)場巡視，發(fā)現(xiàn)施工方為方便施工，將D19中隔墻兩側本應分兩次施工的棧橋板一次施工完畢，如圖14所示。D19中隔墻北側土體卸載后，推測該區(qū)間兩側土體發(fā)生了整體的不平衡。可惜的是，由于前期監(jiān)測點布置中未在中隔墻布置位移監(jiān)測管，導致上述推測未能采集數(shù)據(jù)予以證實。

圖14 D19因施工棧橋后導致基坑荷載不對稱示意圖

由于北側棧橋已施工完畢，如重新在棧橋板上覆土，覆土荷載將直接通過棧橋下樁基向下傳遞，失去了回填壓重的意義。在澆筑完二道支撐發(fā)現(xiàn)上述問題后，經(jīng)多方商議后，決定加快施工進度，提高混凝土標號，向下開挖并澆筑第三道支撐及底板。最終得以安全地完成基坑底板澆筑。

4.2.3 基坑角點約束變形的效應不明顯

在基坑設計中，支撐及圍護體系采用最終成型的整體進行計算，其中部分陽角點設置為不動點。

按此假定計算，圍護結構角點處的變形極小，基坑邊長跨中逐步增大。而實際施工中該效應并不明顯，從 D17基坑中 ACX1、2、3點可看出，1、3點最大變形值并不比2點小太多。分析原因如下：

（1）由于地墻采用柔性鎖口接頭，地墻間存在接縫，水平向為非連續(xù)構件，在開挖過程中，兩側地墻對開挖面處地墻并無明顯約束作用。

（2）實際施工中圍檁、支撐等是隨著基坑開挖分段進行。在開挖過程中本層邊桁架的效應無法體現(xiàn)。

上述兩點應系基坑交點約束效應小的主要原因，在基坑設計中應予以注意。

4.3 進一步優(yōu)化的方向

（1）針對加固體的作用機理，優(yōu)化加固方式及布置。

如前述三種加固形式的對比分析，理清加固控制基坑變形所起作用的機理，對加固體的優(yōu)化從以下三點入手：

a.減薄加固體的寬度，節(jié)省加固費用；

b.加深加固體深度，加大節(jié)點加固體與土體間的接觸面積，并利用加固體底部土體承載力；

c.提高加固體自身強度，便于加固體內(nèi)荷載的傳遞。

圖15為優(yōu)化后加固體的布置，該加固形式有效地利用加固體與土體間的摩擦力效應，同時減少了抽條加固中的加固體浪費。

圖15 節(jié)點+裙邊式加固抗變形機理示意圖

（2）對于存在分坑的大基坑，在過程設計及施工中，應注意基坑兩側的荷載平衡。可通過部分小構造，保證中隔墻施工過程中對外側土體的影響，如圖16所示。

圖16 中隔墻節(jié)點處理示意圖

（3）為充分發(fā)揮基坑角點效應，在成本允許的情況下，可考慮地墻剛性接頭。

（4）當前地下結構預制構件技術發(fā)展較快，通過預制構件的方式，加快邊桁架、圍檁體系的形成。

5 總結

隨著城市建設的發(fā)展，城市內(nèi)大深度，大面積，復雜邊界的基坑工程將越來越多。通過重新理解時空效應原理，為人們的基坑優(yōu)化提供了一些新的思路：

（1）通過監(jiān)測推測，基坑加固控制基坑變形，更多的是通過加固體底部承載力及側面摩阻力提供后靠來實現(xiàn)。通過提高加固體強度，加大節(jié)點處土體接觸面等措施，能提高控制變形效果，節(jié)省造價。

（2）基坑兩側的荷載平衡是基坑穩(wěn)定的前提，在復雜邊界大基坑中，常需采取分坑的措施。在其實施過程中，需注意基坑兩側的土體平衡，以避免變形持續(xù)發(fā)展。

（3）基坑工程，本質(zhì)上是以一種穩(wěn)定的結構平衡狀態(tài)，來代替土層原始的不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)的動態(tài)過程。合理安排施工順序，加大預制構件的采用，能有效地加快施工速度，提高變形控制效果，優(yōu)化基坑造價。

在該項目的整個設計施工過程中，也有很多不足與遺憾。由于前期認識不足，有些必要的監(jiān)測點布置較少，部分監(jiān)測項目甚至缺失（如土體、墻體應力監(jiān)測），一些結論與推測數(shù)據(jù)支持不足。在后續(xù)項目中將予以改進。

[1]劉國彬,王衛(wèi)東.基坑工程手冊(第二版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[2]鄭剛,焦瑩.深基坑工程設計理論及工程應用 [M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[3]范益群,孫巍,劉國彬,劉建航.軟土深基坑考慮時空效應的空間計算分析[J].地下工程與隧道,1999，(2):2-8.