邹宏伟

(中铁二局，四川成都610031)

在城市的基坑开挖和支护工程中，经常会遇到基坑紧邻建筑物、地下市政管线及周边交通干线和其他设施的情况，工程上经常关注岩土体的稳定性及围护结构的强度问题，但在特殊地段还可能存在对变形更敏感的构造物。这些情况给基坑工程的设计和施工都增加了很大的技术难度，稍有不慎，不仅危及基坑本身的安全，而且会引起临近的建筑变形、开裂及损坏，甚至造成巨大的损失，因此基坑开挖变形对临近建筑影响的问题不容忽视。本文以成灌快铁隧道基坑为例，通过现场实测、理论分析及有限元数值模拟计算，并将计算结果与实际监测结果对比分析，来探讨在基坑开挖过程中临近建筑的变形问题。

1 工程概况

本文的工程背景为成灌快铁离堆公园支线隧道，由都江堰市二环路沿迎宾大道和太平街行进，终点为水文化广场，全长3 241.1m。隧道全段采用明挖顺做法施工。沿线楼宇众多，人口稠密、交通繁忙，由于受汶川“5·12”地震影响，周围楼宇均出现开裂，另外还有加油加气站、古建筑、市政管线、危楼多且紧临基坑。工程环境对基坑围护结构及地面变形提出了很高的要求。

1.1 地质条件

沿线地貌为成都平原冰水－流水堆积地貌，海拔高度705～725m，地势平坦，地形起伏小。

(2)粉质黏土():灰黄色为主，硬塑状，质较纯，厚0～2m。

(5)粗圆砾土():中密 ～密实，卵石磨圆度较好，以亚圆形为主，少量圆形，分选差，卵石含量50%～85%，粒径以20～90mm为主，部分粒径大于120mm，夹零星漂石，填充物主要为中粗砂，含量约15%。层厚大于20m。

表1 各土层组成及主要物理力学参数

2.2 基坑支护方案

基坑开挖深度约14.5m，地面以下1～3m采用放坡开挖，坡率采用1∶0.5，下部支护采用排桩+内支撑结构，排桩直径为1.2m，桩间距为2.4m，内支撑采用609钢管支撑，支撑竖向分两道布置，竖向间距6.1m，水平间距4m，桩间采用锚网喷防护。某区段基坑支护结构剖面如图1所示。

图1 某区段基坑支护结构剖面

根据现行相关规范及工程实际，监测中采用的变形监测项目控制值和报警值[2］，如表2所示。

表2 部分监测项目控制值及报警值

2 实际观测情况及变形规律分析

为了实施对该隧道基坑动态的监测过程，掌握地层、围护结构与支撑体系的状态，及施工对既有建筑物的影响，工程对基坑施工现场进行了全程监控量测。

由于监测数据量大，本文根据施工组织顺序，按时间顺序取以下几个主要工况的监测结果进行分析:(1)支护桩施工后基坑开挖至地面下8m;(2)加第一道支撑后;(3)开挖至坑底;(4)加第二道支撑后;(5)开挖至底后暴露一周;(6)底板浇筑完成;(7)隧道结构施工完成;(8)回填后。以下为该区段内编号为2#监测围护桩桩身位移监测成果及该处临近建筑测点C56#的沉降监测成果。

2.1 围护桩桩身水平位移

图2 桩身水平位移

从图2中可以看出:围护桩桩身位移随着开挖深度的增大呈逐步增大的总体趋势。在架设第一道钢支撑之前，桩身水平位移近似呈前倾型，这主要是由于在架设第一道钢支撑之前，基坑已经开挖至一定深度，致使开挖面以上的桩体呈悬臂状态，故形成了桩顶位移大而桩身位移小的变形模式;在架设第二道钢支撑之前，桩身水平位移有中部大、两端小的发展趋势，这说明了桩体端部位移受到了明显的约束作用;在架设第一、二道钢支撑之后，桩身水平位移增量有明显减少的趋势;在基坑开挖到底暴露一周后，围护桩又出现最大值为1.2mm的位移，所以在基坑开挖结束后，要尽快开始结构施工。从图2中得到桩身位移最大值为8.25mm，未达到报警值。图2中规定桩身水平位移指向基坑内侧为正，指向基坑外侧为负。

2.2 桩上两道支撑点及其中点的水平位移与工序的关系

图3中，桩头下1m的测点刚好为第一道钢支撑支撑点。从图中可以看到加第一道支撑施加轴力后该测点的位移值有明显的减小，由于支撑的约束作用，位移的增量速度减缓。图4中，分析开挖支护工序间位移增加的情况，在加第一道支撑后△S＜0，这是因为支撑预应力的施加，约束了围护桩向坑内的位移，甚至使围护桩向基坑外方向产生一定位移。另可见对支护桩水平位移贡献大小依次是工况1(悬臂开挖)、工况2～工况3(悬臂开挖一定深度后至架设第一道支撑)、工况4～工况5(架设第二道支撑后至底板浇筑封闭)、工况3～工况4(开挖到底至第二道支撑架设)等。这变形大的工序提示施工中特别注意工序间的紧凑安排对抑制围护结构及地面变形的重要性。

图3 桩头下1 m测点位移

图4 桩头下1 m测点位移变量

图5 桩头下3.5 m测点位移

图6 桩头下6.5 m测点位移

图5为桩头下3.5m测点(约为两道支撑中间的位置)的位移，从图中可以看出加支撑力后该测点位移增值速度减缓。在结构底板浇筑完成后，位移值无明显增量，且随隧道结构施工的进展有微量的减小。

图6中所示的桩头下6.5m测点为第二道钢支撑架设位置。如图中所示，在加第二道支撑力后，该测点的位移增量速度有明显的减缓，在开挖结束暴露的一周时间里，又出现一定的增值。在隧道结构施工过程中位移值不再有明显增值，甚至随施工进度有微小的减小。

2.3 坑侧建筑的沉降

图7 从开挖至基底施工结束阶段的测点C56#的沉降值曲线

从图7中可以看出，测点C56#(基坑附近建筑物)沉降量有随基坑开挖的深度(图上0～15d为基坑开挖施工阶段)不断增大的趋势;当基坑底板浇筑结束后建筑的沉降量又有适量的回弹，这是因为结构底板形成了有效的支撑约束作用，约束了围护桩的位移，使主动区与被动区土压力发生了变化。但是随着基坑暴露时间的增加，沉降量又开始有少量的增大。从图7中可以知道建筑沉降最大值为5.6mm。根据表1可知，在报警值范围内。图7中规定建筑沉降为负值，抬升为正值。

2.4 坑侧建筑裂缝发展情况

在实际监测过程中，存在周边建筑出现裂缝的情况。大多为既有裂缝，因为都江堰市区为“5·12”特大地震重灾区，隧道基坑沿线许多为震后加固建筑。通过监测结果发现在基坑开挖施工阶段，部分裂缝有加宽的发展趋势。

裂缝观测点LF01初始宽度平均为4.27mm，观测点LF02初始宽度平均为3.5mm。观测点LF01的增量最大值为0.75mm，观测点LF02最大增量值为0.89mm。裂缝宽度并没有较大的增量，现场表明对建筑结构没有明显的强度或变形影响。其他观测结果也有类似结论。另在基坑外围地面上只发现少量纵向裂纹。综合建筑及地面情况可得出基坑施工对建筑裂缝的发展影响不大，本工程采用的支护结构设计及施工是安全的。

3 有限元模拟计算

3.1 计算模型

针对区间隧道基坑支护变形问题，本文采用ANSYS有限元程序建立基坑的二维模型，土体均采用各向同性体单元，围护桩采用梁单元，围护桩与土体之间的相互作用采用线弹性理想塑性接触面单元进行模拟[3～5］。各土层和支护结构力学参数采用地勘报告及室内试验所提供的值。各土层主要物理力学参数如表1。

3.2 模拟过程

该二维模型开挖模拟分成12个步进行模拟计算。每1步为基坑向下开挖1m，其中第8步后加第一道支撑轴力(即实际工况为基坑向下挖至8m后架设第一道钢支撑)，第12步为基坑开挖至基底后并加第二道支撑轴力。计算结果为建筑临近基坑侧基底边缘的沉降量。

4 计算成果分析

模拟计算得到建筑基底沉降值随基坑开挖深度的增加而逐渐增大，在加第二道钢支撑后沉降量有微量的反弹，这是支撑轴力对围护桩及周边土体位移的起了一定的约束作用。从计算结果可知沉降最大值远未达报警值，在安全范围内。

比较实际观测结果(图7)与模拟计算结果，临近建筑沉降计算值要大于实际观测值，这是因为本文计算模型采用二维模型，未考虑基坑三维的约束效应[5］。而在实际的施工过程中，前一区段的结构已基本施工完毕，后一区段还未进行开挖。这样对开挖段的基坑有约束作用，围护桩及基坑外侧土体位移实际值要较计算值小。本文计算是以建筑物为刚体的假设进行讨论的，故未涉及建筑物裂缝的计算。

5 减小或控制变形的措施

在基坑地质条件、长度、宽度、深度均相同的条件下，许多因素会使周围地层移动产生很大差别。根据工程监测及计算分析，并结合大量基坑工程实践，本文认为可以从以下方面来减小周围地层的移动，从而降低基坑施工对临近建筑变形的影响。

(1)选取合理的支护结构。主要考虑围护墙体的刚度、支撑水平与垂直向的间距、墙体厚度及插入坑底深度、支撑预应力的大小和施加的及时程度，以及安装支撑的施工方法和质量;

(2)注意基坑开挖的分段、土坡坡度及开挖程序的实施。在每个开挖程序中，如分层、分小段开挖、随挖随撑，就可在分步开挖中充分利用土体结构的空间作用，减少围护墙被动压力区的压力和变形，还有利于尽速施加支撑预应力，及时使墙体压紧土体而增加土体抗剪强度。这不仅减少各道支撑安装时的墙体先期变形，而且可提高基坑抗隆起的安全系数，否则将明显增大土体位移;

(3)尽量减少开挖施工周期和基坑暴露时间。特别要注意的是每道支撑挖出槽以后，如延搁支撑安装时间，就必然明显地增加墙体变形和相应的地面沉降。在开挖到设计坑底标高后，如不及时浇筑好底板，使基坑长时间暴露，亦将增大围护墙外侧土体向坑内的位移，因而增加地表沉降，雨天尤甚;

(4)注意水的影响。在降雨或地下水丰富的地域，基坑施工必然要充分考虑降水。水会使基坑周边及坑底土体软化，增大土重，增大墙体位移和周围地层位移，甚至导致土体发生滑移;

(5)尽量避免地面超载和振动荷载。地面超载和振动荷载会减少基坑抗隆起安全度，增加周围地层位移。

[1]刘建航．地下墙深基坑周围地层移动的预测和治理之一[J］．地下工程与隧道，1991(2)

[2]GB50497－2009建筑基坑工程监测技术规范[S］

[3]孙凯，许振刚，刘庭金，等．深基坑的施工监测及其数值模拟分析[J］．岩石力学与工程学报，2004，23(2):293－298

[4]何世秀，吴刚刚，朱志政，等．深基坑支护设计影响因素的有限元分析[J］．岩石力学与工程学报，2005，24(增2):5478－5484

[5]李斯海，张玉军．深基坑开挖与支护过程的平面有限元模拟[J］．岩石力学与工程学报，1999，18(3):342－345