張 穎 ，范益群

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限責(zé)任公司，上海市 200092）

1 背景

1.1 工程背景

隨著城市建設(shè)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(fù)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(jié)大量基坑監(jiān)測及實踐資料的基礎(chǔ)上，業(yè)界提出了時空效應(yīng)理論和技術(shù)方法，取得了廣泛應(yīng)用。

上海虹橋商務(wù)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(cè)（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(fù)雜。

東側(cè)：基坑?xùn)|側(cè)緊靠虹橋樞紐西交通廣場，該廣場為地下2層結(jié)構(gòu)，邊界處為下沉式斜撐擋墻結(jié)構(gòu)，如圖3“B-B剖面示意圖”所示。

西側(cè)：基坑西側(cè)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(cè)：D17北側(cè)為已拍賣空地。

南側(cè)：基坑南側(cè)為申虹大廈辦公大樓。與D19間距約20 m。

1.2 問題（技術(shù)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(jié)構(gòu)變形需小于2 cm。

2 時空效應(yīng)原理

時空效應(yīng)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(yīng)，分為時間效應(yīng)和空間效應(yīng)。

時間效應(yīng)：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(jié)構(gòu)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(yīng)。

軟土具有流變性,這是深基坑工程考慮時空效應(yīng)的前提。試驗和研究證明在壓應(yīng)力a<0.025 MPa時,這類軟弱粘土就已發(fā)生蠕變;當(dāng)a>0.15 MPa(此應(yīng)力對應(yīng)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(yīng)：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(jié)構(gòu)、坑內(nèi)水平支撐(或坑外拉錨)、坑內(nèi)立柱與立柱樁等構(gòu)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(yīng)[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(yīng)的實踐

3.1 時空效應(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)。

而在實際的基坑工程中，完成結(jié)構(gòu)體系（包括自身強度達到標(biāo)準(zhǔn)），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(dāng)前，無論設(shè)計還是施工，時空效應(yīng)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(jié)構(gòu)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?fù)馏w變形速率。

3.2 基于時空效應(yīng)的設(shè)計及施工

時空效應(yīng)在上?；庸こ讨械膽?yīng)用已經(jīng)非常普遍，在設(shè)計、施工及監(jiān)管單位中均積累了相當(dāng)?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(cè)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(cè)的地墻，施工前需對地墻兩側(cè)土體預(yù)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(yīng)的遠(yuǎn)離及監(jiān)管單位對周邊環(huán)境保護的要求，基坑設(shè)計施工中應(yīng)有如下體現(xiàn)：

（1）分坑：靠近地鐵50 m側(cè)，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?？拷罔F50 m內(nèi)，基坑最大面積不應(yīng)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(shè)角撐，而靠近地鐵側(cè)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(cè)被動區(qū)，對坑底及必要的支撐下設(shè)置土體加固，提供被動抗力。靠近地鐵側(cè)小坑內(nèi)加固適當(dāng)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(cè)基坑分步開挖后，要求6 h內(nèi)完成鋼支撐的架設(shè)。

（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(jié)合時空效應(yīng)理論，綜合考慮地鐵保護要求及上部結(jié)構(gòu)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(shè)計及施工稍落后與D17地塊，但由于兩地塊的標(biāo)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(jié)果

上述設(shè)計及施工步驟，有效地利用了時空效應(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(shè)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(shè)計優(yōu)化，適當(dāng)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(shè)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(jié)構(gòu)變形，一般在基坑支撐下側(cè)土質(zhì)較差的地層，會在開挖前預(yù)先進行土體加固。

而在該項目中，圍護結(jié)構(gòu)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(jié)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(yù)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(dāng)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(dāng)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?，增加抽條加固，能有效地加強結(jié)構(gòu)支撐的效果。

抽條加固在當(dāng)前設(shè)計中，被認(rèn)為是一道有效的“支撐”。筆者認(rèn)為，抽條加固的支撐效果與單純的結(jié)構(gòu)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(cè)摩阻力。

根據(jù)土工試驗的結(jié)果，加固體的彈性模量與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系為E50=126 qu[3]，在設(shè)計要求達到qu=1.0 MPa的情況下，E50=1.25×108N/m2，C30混凝土結(jié)構(gòu)的彈性模量為3.0×1010N/m2。彈性變形模量相差240倍。可見抽條加固所起到的作用并非簡單的結(jié)構(gòu)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(cè)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(cè)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(dǎo)致的基坑變形持續(xù)發(fā)展

基坑在兩側(cè)土體平衡，支撐架設(shè)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(cè)本應(yīng)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(cè)土體卸載后，推測該區(qū)間兩側(cè)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(dǎo)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(dǎo)致基坑荷載不對稱示意圖

由于北側(cè)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(biāo)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(yīng)不明顯

在基坑設(shè)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(shè)置為不動點。

按此假定計算，圍護結(jié)構(gòu)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(yīng)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(gòu)件，在開挖過程中，兩側(cè)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(yīng)無法體現(xiàn)。

上述兩點應(yīng)系基坑交點約束效應(yīng)小的主要原因，在基坑設(shè)計中應(yīng)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(yīng)，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(shè)計及施工中，應(yīng)注意基坑兩側(cè)的荷載平衡?？赏ㄟ^部分小構(gòu)造，保證中隔墻施工過程中對外側(cè)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(yīng)，在成本允許的情況下，可考慮地墻剛性接頭。

（4）當(dāng)前地下結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件技術(shù)發(fā)展較快，通過預(yù)制構(gòu)件的方式，加快邊桁架、圍檁體系的形成。

5 總結(jié)

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，城市內(nèi)大深度，大面積，復(fù)雜邊界的基坑工程將越來越多。通過重新理解時空效應(yīng)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(cè)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(cè)的荷載平衡是基坑穩(wěn)定的前提，在復(fù)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(cè)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(jié)構(gòu)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(yù)制構(gòu)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(shè)計施工過程中，也有很多不足與遺憾。由于前期認(rèn)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(yīng)力監(jiān)測），一些結(jié)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(shè)計理論及工程應(yīng)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(yīng)的空間計算分析[J].地下工程與隧道,1999，(2):2-8.