上海市建工設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200050

1 工程背景

1.1 基坑概況

建設(shè)中的上海國(guó)際舞蹈中心新址位于上海市虹橋歷史文化風(fēng)貌保護(hù)區(qū)內(nèi)，基坑開(kāi)挖分為2 層，1 層基坑總面積約26 609 m2，周長(zhǎng)約927 m；2 層基坑面積約14 428 m2，周長(zhǎng)約707 m；1 層區(qū)域挖深6.4 m，2 層區(qū)域挖深10.8 m。

1.2 周邊情況

本工程地理位置條件優(yōu)越，周邊歷史氛圍濃厚，更被6 幢市級(jí)優(yōu)秀歷史建筑所環(huán)繞，保護(hù)等級(jí)均較高，且距離基坑很近?；幽相徰影哺呒苈贰⒈本o貼軌道交通10號(hào)線，西側(cè)為水城南路，東側(cè)為延虹綠地。周邊保護(hù)建筑與本基坑工程關(guān)系見(jiàn)圖1，圖中編號(hào)為6#～11#的6 棟建筑物均為2 層磚混結(jié)構(gòu)，采用條形基礎(chǔ)和天然地基。其中10#樓距離基坑邊緣最近處僅有3.72 m。

1.3 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)概況

上海位于東海之濱、長(zhǎng)江入?？谔?，屬長(zhǎng)江三角洲沖積平原，擬建場(chǎng)地地貌單元屬濱海平原地貌類型，地形較為平坦。

圖1 周邊保護(hù)建筑平面位置

場(chǎng)地內(nèi)地下水類型為潛水，主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水及地表徑流，埋深一般為地表下0.3～1.5 m?？辈炱陂g實(shí)測(cè)地下水穩(wěn)定水位埋深在0.80～1.50 m之間。

2 基坑工程的特點(diǎn)和難點(diǎn)[1]

（a） 環(huán)境保護(hù)要求高。周邊建筑中分布有市級(jí)優(yōu)秀歷史建筑6 幢，離基坑邊線距離均在1 倍開(kāi)挖深度以內(nèi)，其中南側(cè)10#樓距離基坑邊線最近為4.027 m。

（b）基坑形狀極不規(guī)則。本工程是在拆除原有建筑物之后新建的項(xiàng)目，基坑的形狀極不規(guī)則，同時(shí)須考慮保護(hù)保留的6 棟市級(jí)優(yōu)秀歷史建筑，給基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中支撐的布置帶來(lái)困難。

（c）基坑開(kāi)挖面積大，存在2 個(gè)挖深。本工程1層基坑總面積約26 609 m2，2層基坑面積約14 428 m2。1層挖深6.4 m，2層挖深10.8 m，坑內(nèi)標(biāo)高各異，施工的流程與基坑支撐的傳力關(guān)系復(fù)雜。

（d）施工組織難度大。擬建場(chǎng)地被多幢優(yōu)秀歷史建筑環(huán)繞，三面鄰近交通道路，場(chǎng)地條件十分有限，給施工中的材料堆場(chǎng)、交通組織等帶來(lái)較大的困難。

3 基坑設(shè)計(jì)和施工方案比選[2-4]

3.1 基坑設(shè)計(jì)方案比選

根據(jù)基坑的挖深分別是6.4 m和10.8 m，基坑設(shè)計(jì)方案比選內(nèi)容為：一是選擇何種圍護(hù)形式；二是如何分坑；三是內(nèi)支撐和坑內(nèi)加固的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

為控制鄰近保護(hù)建筑不發(fā)生位移，首先應(yīng)控制基坑圍護(hù)體本身的變形，為此，基坑圍護(hù)選用鉆孔灌注樁擋土+三軸止水帷幕體系。鉆孔灌注樁樁徑宜適當(dāng)加大，樁長(zhǎng)宜適當(dāng)增長(zhǎng)，同時(shí)針對(duì)基坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行加固，以減小基坑開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)周邊建筑的影響。為控制地鐵保護(hù)區(qū)、延安高架路沿線范圍內(nèi)的基坑變形，同樣要對(duì)坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行加固。支撐體系則選用鋼筋混凝土支撐，特別在鄰近歷史建筑周邊，支撐布置宜適當(dāng)加密。對(duì)于分坑位置，結(jié)合6 棟要保護(hù)建筑的平面分布位置以及基坑開(kāi)挖深度，將基坑分為1、2、3區(qū)，施工3區(qū)時(shí)，基坑的變形主要影響6#、7#以及10#樓；施工1區(qū)時(shí)基坑的變形只影響到5#以及8#樓；最后施工2區(qū)時(shí)，基坑的變形只影響到11#樓，這樣對(duì)于周邊歷史保護(hù)建筑的風(fēng)險(xiǎn)就將大大的降低。

止水帷幕采用Φ850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁，水泥摻量20%?；娱_(kāi)挖深度6.4 m處攪拌樁樁長(zhǎng)為14 m，基坑開(kāi)挖深度10.8 m處的攪拌樁樁長(zhǎng)為17 m，地下室2層基坑范圍止水帷幕長(zhǎng)度分別為28 m和22 m?；觾?nèi)地下室2層區(qū)域落深4.4 m，落深區(qū)域設(shè)置鉆孔灌注樁圍護(hù)，Φ600 mm@800 mm，樁長(zhǎng)10 m。

我們選擇上述分坑施工的基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案相對(duì)于其他的圍護(hù)方案，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（a）減小基坑的時(shí)空效應(yīng)。本基坑的最長(zhǎng)邊約為600 m，采用分坑施工的方法，能夠很好地減小基坑的時(shí)間和空間效應(yīng)，最大程度上保證基坑工程的安全。

（b）針對(duì)不同挖深因地制宜。由于基坑面積大，挖深不一，且落差大，針對(duì)2 個(gè)挖深，按 “先深后淺”分坑原則，先施工中間深區(qū)3區(qū)，后施工兩側(cè)1區(qū)和2區(qū)。既解決了支撐布置難的問(wèn)題，有效地控制了基坑變形，減小基坑施工對(duì)周?chē)h(huán)境影響，還能解決施工場(chǎng)地緊張、施工組織困難的問(wèn)題。

（c）采用具有針對(duì)性的歷史性保護(hù)建筑保護(hù)措施。按照“先深后淺”分坑原則，先施工中間深區(qū)3區(qū)，后施工兩側(cè)1區(qū)和2區(qū)，這樣的施工方法可以相對(duì)減小基坑開(kāi)挖面積，基坑土方開(kāi)挖時(shí)只影響鄰近建筑物，這樣對(duì)于周邊歷史保護(hù)建筑的風(fēng)險(xiǎn)就將大大降低。

3.2 基坑施工方案比選

在施工方案確立之前，我們首先在基坑的分坑設(shè)計(jì)方案的原則基礎(chǔ)上，為了確定各個(gè)區(qū)域之間施工先后順序?qū)τ诨又苓叚h(huán)境的影響，特設(shè)置了下列3 個(gè)對(duì)比方案：

方案1：基坑整體開(kāi)挖。與基坑先施工3區(qū)，再同時(shí)施工1區(qū)和2區(qū)方式對(duì)比。

方案2：分坑施工。先施工3區(qū)，1區(qū)次之，最后施工2區(qū)；與分坑施工先施工3區(qū)，2區(qū)次之，最后施工1區(qū)方式對(duì)比。

方案3：分坑施工。先施工3區(qū)，再同時(shí)施工1區(qū)和2區(qū)；與分坑施工先施工3區(qū)，1區(qū)次之，最后施工2區(qū)方式對(duì)比。

其中方案1的對(duì)比是分析基坑整體施工和分坑施工對(duì)于周邊建筑物的影響；方案2是為了區(qū)分由于基坑形狀的不規(guī)則導(dǎo)致開(kāi)挖順序不一致，對(duì)于周邊建筑物的影響；方案3是為了區(qū)分不同施工方式對(duì)基坑的影響。

3.3 基坑施工工況對(duì)比

在數(shù)值模擬之前，還需結(jié)合基坑實(shí)際情況確定各對(duì)比方案的具體施工工況。各施工工況之間模擬結(jié)果的不同，實(shí)質(zhì)就是設(shè)計(jì)思路的不同，并由此導(dǎo)致一系列諸如分隔樁、換撐、回填以及分坑施工結(jié)束標(biāo)志的不同。分坑施工是指：各分坑區(qū)域開(kāi)挖、回筑地下室至±0.00 m、回填外墻與圍護(hù)樁之間的空隙的全過(guò)程。

基坑整體開(kāi)挖的工況為：先施工圍護(hù)樁并在坑內(nèi)降水，再分批開(kāi)挖土層并施工支撐體系，直至底板澆筑完成，再依次拆除支撐、回筑地下室至±0.00 m，最后對(duì)外墻與圍護(hù)樁之間進(jìn)行回填，即完成整個(gè)基坑工程的施工。

其他各方案相較整體開(kāi)挖方案而言，從設(shè)計(jì)上講，分坑施工方案必須設(shè)置分隔樁；從施工上講，每個(gè)分坑區(qū)域開(kāi)挖、回筑地下室至±0.00 m的過(guò)程同整體開(kāi)挖施工工序大致相同，只是分坑施工應(yīng)按照設(shè)計(jì)的分坑施工工序先后開(kāi)挖，在分隔樁兩側(cè)必須要換撐，待到各分坑區(qū)域施工至±0.00 m時(shí)，立即對(duì)分坑區(qū)域外墻和圍護(hù)樁之間進(jìn)行回填，然后再開(kāi)挖下一分坑區(qū)域，等到所有分坑區(qū)域均施工至±0.00 m后，還需拆除換撐和分隔樁，澆筑因拆除分隔樁所留底板和各結(jié)構(gòu)板的后澆帶，從而完成整個(gè)基坑工程的施工。

4 數(shù)值模擬[5-8]

4.1 建立模型

MIDAS-GTS是Midas公司開(kāi)發(fā)專門(mén)求解巖土力學(xué)問(wèn)題的大型三維有限元程序，其基本原理與離散法相似，運(yùn)用節(jié)點(diǎn)位移連續(xù)條件，可對(duì)連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行大變形分析。本文考慮基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)馏w的影響范圍，三維計(jì)算模型選取600 m×600 m×60 m。

基坑三維模型主要包括土體、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)以及周邊建筑物，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)主要包括鉆孔灌注樁、立柱以及混凝土支撐。模擬時(shí)，鉆孔灌注樁、支撐、立柱采用梁?jiǎn)卧M，土體采用實(shí)體單元模擬。模擬的本構(gòu)模型選擇修正的摩爾庫(kù)侖模型，該模型適用于基坑開(kāi)挖以及隧道工程，其土體參數(shù)如表1所示，圍護(hù)樁以及支撐體系的取值參照混凝土的各項(xiàng)參數(shù)。

表1 模擬計(jì)算土體參數(shù)取值表

4.2 對(duì)比分析

通過(guò)建立的三維計(jì)算模型，分別對(duì)之前確定的各個(gè)施工方案進(jìn)行模擬。在基坑周邊建筑物上選擇4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)周邊建筑物的變形模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)；在模擬過(guò)程中記錄圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平向最大應(yīng)變結(jié)果，以評(píng)價(jià)圍護(hù)結(jié)構(gòu)是否滿足基坑工程的安全需要，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

經(jīng)過(guò)模擬，計(jì)算出各施工方案的變形結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2 不同施工方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

按照之前確定的施工工況，針對(duì)方案2的不同工況下，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平變形計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 方案2之不同工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形計(jì)算結(jié)果

有限元模擬結(jié)果對(duì)比如圖3～圖8。

圖3 不同施工方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2變形 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、3變形計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、4變形 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、4、5變形計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖8 不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn) 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

選擇圖2中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)2在方案2的施工方法下，對(duì)比分析不同樁長(zhǎng)、樁徑、有無(wú)加固區(qū)時(shí)對(duì)于周邊環(huán)境的影響。監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取距離基坑開(kāi)挖邊線5 m處，計(jì)算對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

通過(guò)模擬的計(jì)算結(jié)果，可以看到：

（a）針對(duì)不同施工方案的對(duì)比結(jié)果，可以得出分坑施工相對(duì)于整體施工，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形值都有大幅度的減小，并且各個(gè)分坑施工方案之間變形趨勢(shì)基本相同，變形結(jié)果相差不大，因此建議采取方案2：即先開(kāi)挖施工3區(qū)，再同時(shí)開(kāi)挖施工1區(qū)和2區(qū)的方案作為基坑開(kāi)挖的施工形式。

（b）針對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的對(duì)比結(jié)果，可以看到兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形趨勢(shì)一致，結(jié)果也相差不大，因此可以證明平行于基坑開(kāi)挖邊線的所有點(diǎn)的變形結(jié)果是保持一致的。

（c）針對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)2和監(jiān)測(cè)點(diǎn)3的對(duì)比結(jié)果，可以看到兩點(diǎn)的變形趨勢(shì)一致，但是變形結(jié)果相差較大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的變形結(jié)果大于監(jiān)測(cè)點(diǎn)3，這證明距離基坑遠(yuǎn)近不同的點(diǎn)的變形是不一致的，距基坑越近變形越大。

（d）針對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)3和監(jiān)測(cè)點(diǎn)4的對(duì)比結(jié)果，可以看到兩點(diǎn)變形趨勢(shì)不一致，且變形結(jié)果相差較大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)4的變形結(jié)果大于監(jiān)測(cè)點(diǎn)3，這證明不同開(kāi)挖深度對(duì)于周邊環(huán)境的影響是不一樣的，開(kāi)挖深度越大對(duì)于基坑周邊環(huán)境的影響越大。

（e）針對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、監(jiān)測(cè)點(diǎn)4以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)5的對(duì)比結(jié)果，可以看到三點(diǎn)變形趨勢(shì)一致，只是變形結(jié)果不同，這表明基坑開(kāi)挖對(duì)于周邊建筑物的影響與建筑物自身的結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)形式、荷載等因素相關(guān)。

（f）針對(duì)于圖8的對(duì)比結(jié)果，可以看到對(duì)比點(diǎn)的變形趨勢(shì)一致，但變形結(jié)果差別較大，證明我們采用增加大樁徑、增長(zhǎng)樁身長(zhǎng)度并采用坑底加固的方式，能夠減小基坑開(kāi)挖對(duì)于周邊環(huán)境的影響。

4.3 模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)和施工的指導(dǎo)

由于本工程對(duì)于環(huán)境保護(hù)要求高、基坑開(kāi)挖面積大、形狀不規(guī)則以及施工組織難度大，尤其是對(duì)于基坑四周存在的6 棟歷史保護(hù)建筑，在基坑開(kāi)挖對(duì)周邊建筑影響的數(shù)值模擬計(jì)算后，我們采取了如下的措施，在保證基坑安全的前提下，著重考慮減小基坑工程施工對(duì)于周邊環(huán)境的影響。

（a）設(shè)計(jì)方面。根據(jù)基坑周邊建筑物的具體情況，采取增大樁徑、加深樁長(zhǎng)結(jié)合坑底加固以及增加止水帷幕的深度的方式，來(lái)減小由于建筑物自身因素以及基坑自身因素帶來(lái)的影響。

（b）施工方面?；硬捎梅挚邮┕?，先3區(qū)然后1、2區(qū)同時(shí)施工的方法，減小了基坑每次開(kāi)挖的面積以及影響范圍，從而減小對(duì)周邊建筑物的影響。采用這樣的方法，來(lái)控制由于基坑開(kāi)挖施工以及建筑物的相對(duì)位置不同的因素所帶來(lái)的影響。

5 結(jié)論

本文基于上海國(guó)際舞蹈中心基坑項(xiàng)目設(shè)計(jì)，結(jié)合工程的自身特點(diǎn)，適用數(shù)值模擬計(jì)算，研究了基坑分坑施工對(duì)于周邊環(huán)境的影響，得出以下結(jié)論：

（a）在周邊存在歷史性保護(hù)建筑或?qū)Νh(huán)境控制要求較高的場(chǎng)地條件下，基坑工程設(shè)計(jì)、施工必須從源頭上保證基坑的安全性，實(shí)踐證明，分坑施工是保證安全的有效措施。

（b） 通過(guò)三維有限元模擬，對(duì)比了不同施工方案對(duì)于基坑周邊建筑物的影響，得出了分坑施工法具有對(duì)基坑周邊環(huán)境影響小、基坑安全性高的優(yōu)點(diǎn)，證明了分坑施工對(duì)于同類基坑工程的可行性。

（c）本文還總結(jié)了基坑工程施工對(duì)于周邊建筑物的影響因素，并有針對(duì)性的通過(guò)設(shè)計(jì)方案和施工方案減小基坑工程對(duì)于周邊建筑物的影響，從而達(dá)到保護(hù)周邊環(huán)境的目的。