隔离桩对地铁深基坑邻近建筑物保护机理研究

2014-06-21郑凤先

城市轨道交通研究 2014年3期

郑凤先

（1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，200433，上海∥工程师）

随着上海城市轨道交通的发展，大量的地铁深基坑工程出现在城市建筑物密集地区。软土地区基坑开挖引起的坑外地表沉降非常显著，过大的地表沉降导致邻近建筑物出现沉陷、倾斜乃至结构开裂，影响建筑物的使用安全。因此，对基坑邻近建筑物的保护已成为上海地区基坑工程的一个重要课题。隔离桩作为一种有效的基坑邻近建筑物保护措施，其应用日渐增多。但是对其机理和规律的研究相对较少。文献［1］提出隔离桩的长度和刚度对控制土体变形有影响作用；文献［2］介绍了成都地铁2号线某车站基坑邻近建筑物保护的实例。本文以上海某地铁基坑邻近建筑物保护的实际工程为背景，采用有限元软件较为全面地分析了隔离桩桩长、桩体刚度和隔离桩位置对保护建筑物沉降控制的影响，归纳出对工程具有参考意义的结论。

1 工程概况

1.1 水文地质

上海轨道交通11号线某车站位于浦东新区，拟建场地的地形平坦，属滨海平原地貌类型。场地位于古河道地层沉积区，其北侧存在少量暗浜，深度约为3m。场地土层分布自上而下依次为：①1填土，①2淤泥，②1褐黄～灰黄色黏土，③1灰色淤泥质粉质黏土，③2灰色黏质粉土，③3灰色淤泥质粉质黏土，④灰色淤泥质黏土，⑤11灰色黏土，⑤1A灰色砂质粉土，⑤12灰色粉质黏土夹粉砂，⑤2灰色砂质粉土，⑤3灰色粉质黏土，⑦2草黄～灰色粉砂，⑦2A草黄～灰色粉质黏土。拟建场地浅部地下水属潜水类型，地下水位埋深为0.60～2.00m。根据详细勘察资料，本场地⑤1A、⑤2层为微承压水层，⑦层为承压含水层。

1.2 基坑与邻近建筑物

拟建车站为双柱三跨（局部单柱双跨）混凝土箱形结构。其标准段基坑深度约为16.5m，坑底位于④层灰色淤泥质黏土中。围护采用地下连续墙加内支撑的形式。需保护的邻近建筑物位于基坑东北侧（见图1），系三层砖砌结构，目前为私立幼儿园，距离基坑约17m。此建筑物主要有以下几个特点：

1）保护建筑物为三层砖砌结构，筏板基础，持力层土质较差，建筑抗沉降和抗倾斜能力弱，在降水试验和先期导墙施工阶段，墙体已经出现大量裂缝。

2）保护建筑物距基坑较近，最近处为17m。根据经验，基坑开挖引起的地表沉降影响范围大约为两倍基坑深度，因此，建筑物处于开挖影响范围之内，地表沉降引起的建筑物变形无法避免。

3）保护建筑物具有特殊的商业用途，建筑的安全非常重要。若采用大规模地基注浆或斜桩加固的方式将会引起恐慌，影响正常经营，经济损失和社会负面效应较严重。

综合各因素，邻近建筑物保护方案采用基坑围护外设置隔离桩的方式。隔离桩采用φ800mm＠1 000mm的钻孔灌注桩。

图1 地铁基坑与邻近建筑物关系图

2 有限元计算

2.1 模型建立

地铁基坑长宽比很大，可以作为平面问题分析。虽然只有基坑一侧存在受保护建筑物，模型并不严格对称，但经过试算，采用全模型分析与半模型分析相比对计算结果差异性很小，且半模型分析可显著节省计算时间，因此本文采用半模型分析。为消除边界尺寸对计算的影响，模型长度取90m，高度80 m，基坑深度16.7m，地下连续墙深度35m。邻近建筑物距基坑边的距离为17m。计算模型中土体采用15节点三角形单元模拟，地下连续墙与隔离桩用Plate单元模拟，地下连续墙与土、隔离桩与土的接触采用界面单元模拟，隔离桩经等刚度代换得到等效Plate单元厚度，支撑采用弹簧单元（Anchor）模拟，支撑刚度根据实际支撑材料参数经计算得到。有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型图

土体模型采用Plaxis提供的Harding Soil Model。这种模型可以反应土体刚度依赖应力和应变水平的特性，可以很好地模拟在基坑开挖过程中土体加载－卸载导致的土体性状变化，能较准确地预测基坑变形的情况［4］。但是该土体模型也带来土体参数方面的问题，Plaxis HS模型主要的土体刚度参数有：参考压缩模量Erefoed，参考割线刚度Eref50，参考卸荷再加荷模量Erefur，泊松比μ，刚度应力水平幂指数m，剪胀角Ψ，反映土体与地下连续墙接触面的参数Rinter。这些土体参数并不会在地质勘察报告中给出。本文将土层①、②合并为新的①层，⑤11、⑤1a、⑤12、⑤2合并为新的⑤层，并根据文献及上海本地经验选取土体参数，详见表1。

表1 土层参数

2.2 计算工况

有限元模拟分为11个计算工况，首工况为幼儿园三层建筑物建成后，进行5年的固结计算，将计算所得建筑沉降清零，避免工后固结沉降对隔离桩分析结果造成影响。其余计算工况完全按照基坑分层开挖的实际情况设置，先开挖变形后加支撑。初始水位为地面下1m，并在计算中修正水位线，以反映基坑降水引起的地下水位变化。基坑周边超载取20kPa。

3 对有限元计算结果分析

3.1 基坑邻近建筑物保护机理分析

基坑开挖对邻近建筑物造成的影响，主要是由基坑开挖引起的坑外地表沉降，由此引起建筑物的变形。变形导致的附加应力使建筑物出现大量裂缝而威胁正常的使用。引起地表沉降的主要原因有：

1）基坑围护结构的水平变位导致坑外土体往基坑方向移动；

2）基坑开挖卸荷导致坑底部土体发生回弹隆起，从而引起坑外侧土体沉降补充。

从地表沉降产生的因素分析，保护基坑邻近建筑物的方法实质是控制基坑开挖引起的水平变位和坑底隆起。这可通过增加支撑道数，加强支撑刚度，坑底加固，遵循时空效应原理快挖快撑等方式加以控制。这些措施对一般的邻近建筑物是可以满足保护要求的，但由于本工程中基坑邻近建筑物的特殊性，对其保护要求非常严格。经综合考虑，本工程用隔离桩作为保护措施。隔离桩的机理实质是控制建筑物基底的土体位移。通过设置隔离桩穿过土体变形可能的滑移面，提供抗滑移的力，隔离建筑物与基坑引起的土体位移场，从而减少建筑物侧的土体变形，达到保护建筑物的目的（见图3）。

图3 隔离桩作用机理图

3.2 隔离桩处理效果影响因素分析

通过上述对隔离桩工作机理的分析可知，隔离桩必须穿过土体滑移面才会发挥较好的沉降控制效果，因此，这里有三个因素需要分析：隔离桩桩长，隔离桩设置位置，隔离桩的刚度。这三个因素综合影响隔离桩的作用效果，为了防止三个影响因素相互影响，在分析一个影响因素时，保持其他两个因素条件不变。

3.2.1 隔离桩桩长对沉降控制的影响

首先分析桩长对隔离桩处理效果的影响。隔离桩采用φ800mm＠1 000mm钻孔灌注桩，距离保护建筑物5m，距基坑12m；按隔离桩桩长0m、10m、15m、20m、25m、30m、35m、40m变化，分析桩长变化对建筑物沉降、地下连续墙最大弯矩产生的影响。本文所提到的建物沉降，均指差异沉降，即幼儿园建筑物距离基坑最近点（记为A点）与最远点（记为B点）的沉降差值。图4给出了桩长与差异沉降的关系曲线。由图4可以看出，桩长对建筑物差异沉降的影响非常显著，随着桩长的增加，差异沉降明显减小。桩长也存在一个最优长度，隔离桩桩长从0到15m增加时，差异沉降减小有限，曲线斜率很小；桩长增加到15～25m时，曲线斜率明显增大，桩长对差异沉降的影响显著；当桩长大于25m时，差异沉降曲线再次变得平缓。图5反映了桩长与地下连续墙最大弯矩的关系，其与桩长对差异沉降的影响规律非常接近。随着桩长的增加，地下连续墙的最大弯矩减小，当桩长在15～25m区间变化时，地下连续墙最大弯矩减小明显；而桩长超过25m时，地下连续墙的最大弯矩基本保持不变。可以从中得到结论：隔离桩的长度对邻近建筑物差异沉降的影响比较明显，桩长过短，不能很好地发挥挡土效应，对差异沉降的控制有限；桩长过长，则不够经济。因此，确定合理的桩长非常重要。

图4 隔离桩桩长与建筑物差异沉降关系图

图5 隔离桩桩长与地下连续墙最大弯矩关系图

3.2.2 隔离桩设置位置对沉降控制的影响

隔离桩设置的位置（设桩长为20m）对控制沉降也有很大的影响。图6显示的是隔离桩距被保护建筑物2m、5m、8m、11m、14m、16m变化时，建筑物差异沉降的变化规律。从图6可以看出：隔离桩距离建筑物越远，保护建筑物的差异沉降越大，并在距离为14m时差异沉降达到最大，此时隔离桩距离基坑围护地下连续墙为3m；当隔离桩与建筑物的距离继续增加时，即距离基坑更近时，图6中曲线发生转折，差异沉开始有一定程度的减小。隔离桩距离保护建筑物近时，差异沉降小是因为隔离桩将基坑开挖导致的坑外土体变位在一定程度上作了隔离；而隔离桩靠近基坑时之所以再次出现差异沉降变小的趋势，是因为隔离桩与地下连续墙的距离很小时，桩与地下连续墙以及两者之间的土体构成一种类似排架的“复合”围护结构，相当于大幅增加了围护结构的刚度，因此基坑变位较小，坑外土体的不均匀沉降也随之变小。从图7中可以看出，隔离桩的位置与地下连续墙最大弯矩两者接近单向线性关系，随着隔离桩靠近基坑，地下连续墙的最大弯矩持续减小。这是由于隔离桩离基坑越近，桩与地下连续墙的协同作用越强，隔离桩对土压力的分担越多，因此地下连续墙的弯矩减小。

综合隔离桩的位置对邻近建筑物差异沉降的影响可以看出，隔离桩靠近被保护建筑物和靠近基坑围护结构虽然都可以减小基坑开挖引起的地表不均匀沉降，但是隔离桩设置在距保护建筑物较近位置上的效果更好。在图6中，隔离桩距建筑物为2m时的建筑物差异沉降小于隔离桩距建筑物为16m时的建筑物差异沉降。隔离桩距保护建筑物也不能过近，必须考虑隔离桩施工对保护建筑物可能产生的影响。

图6 隔离桩位置与建筑物差异沉降关系图

3.2.3 隔离桩刚度对沉降控制的影响

图7 隔离桩位置与地下连续墙最大弯矩关系图

在φ800mm＠1 000mm钻孔灌注桩刚度的基础上进行增减，以研究刚度变化对建筑物差异沉降的影响（设隔离桩距幼儿园5m，距基坑12m，桩长为20m）。图8中给出的是隔离桩桩体刚度对沉降控制的影响。为了表示方便，特做如下定义：图8横坐标中1代表φ800mm＠1 000mm钻孔灌注桩换算得到的板单元刚度，0.1代表将此刚度折减为十分之一，横坐标中2代表刚度增大1倍，以此类推。分析图8中曲线可以发现，隔离桩的刚度与差异沉降控制有明显的相关性：隔离桩的刚度太小，差异沉降较大，保护效果有限；随着刚度的增大，当达到1时，曲线趋于平缓；若刚度继续增加，其对差异沉降的控制贡献不明显。隔离桩刚度与地下连续墙最大弯矩的相互规律与上述中刚度－差异沉降的规律非常接近（见图9）：隔离桩刚度增大时地下连续墙的最大弯矩减小；相对刚度达到1左右时，曲线斜率已很小，地下连续墙的最大弯矩趋于稳定；再继续增加刚度，差异沉降几乎不受影响。

图8 隔离桩刚度与建筑物差异沉降关系图

4 有限元计算值与实测值的对比

图9 隔离桩刚度与地下连续墙最大弯矩关系图

实际采取的建筑物保护方案为：隔离桩选择φ800mm＠1 000mm钻孔灌注桩，桩长20m，隔离桩距离幼儿园约为5m。基坑施工之前，为加强对幼儿园的监测和保护，在其周围共设置16个测点。这里选取比较有代表性的2个测点F21与F22（见图10）。其中F21距离基坑最近为17m，F22距离基坑约38m。实际监测表明，在基坑的施工过程当中，F21产生的沉降最大值约为20.2mm，F22则比较小，约为11.8mm。现以差异沉降为参照，对比基坑施工各工况下实际监测沉降值和有限元计算所得沉降值。为方便表达，图11中曲线的横坐标数字表示基坑开挖到相应支撑时的工况。比如：1代表基坑开挖第一层土并架设第一道支撑；2代表基坑开挖第二层土并架设第二道支撑；其余依此类推；5代表开挖到基坑底。从图11中可以看出：监测值在第四道支撑架设之前，实际建筑物的差异沉降比计算值要小，其原因可能是由于二维的有限元分析，未能反映基坑变形的空间效应，造成计算结果偏大；而到开挖后期，监测的建筑物差异沉降明显增加，这是由于后期局部施工段底板浇注因大雨在一定程度上延误了工期，底板刚度没有及时形成。总体上，计算值与实测值的2条曲线趋势基本相同。基坑施工过程中，监测到的建筑物最大差异沉降达到8.4mm，这个差异沉降值与建筑物安全容许差异沉降相比还很小。因此，隔离桩对基坑临近建筑物的保护效果是显著的。