張祖林

（上海坤茂置業(yè)有限公司，上海市 200080）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及城市快速化，近年來(lái)，城市的空間資源緊張問(wèn)題、環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)越來(lái)越明顯，因此急需大力加強(qiáng)對(duì)城市地下空間的利用。然而，在地下空間開發(fā)相對(duì)較為密集的中心城區(qū)，深基坑工程的設(shè)計(jì)和施工常常面臨著周邊道路市政管線密布，臨近建筑物眾多，緊鄰地鐵車站或隧道等嚴(yán)苛的環(huán)境因素[1-3]。另外，在軟土地區(qū)，尤其是沿海陸地相沉積區(qū)域，地層中多賦存靈敏度較高的淤泥質(zhì)軟土，易引起基坑支護(hù)系統(tǒng)變形、內(nèi)力增大，基坑開挖施工期間的時(shí)間效應(yīng)尤為顯著[4-5]，事故發(fā)生的概率較大。

軟土的土體應(yīng)力應(yīng)變和時(shí)間的關(guān)系主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是土的固結(jié)，另一方面是土的流變性，即軟土地區(qū)深基坑的變形和穩(wěn)定性均為時(shí)間的函數(shù)[6]。傳統(tǒng)基坑設(shè)計(jì)通常是基于瞬時(shí)設(shè)計(jì)概念，但對(duì)于規(guī)模較大、暴露時(shí)間較長(zhǎng)的深大基坑，為了減小基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響，應(yīng)考慮土體固結(jié)、流變特性等因素對(duì)方案模型進(jìn)行全面的科學(xué)分析討論，以指導(dǎo)深大基坑的設(shè)計(jì)施工規(guī)劃部署工作。本文結(jié)合軟土地區(qū)某深大基坑工程案例，通過(guò)數(shù)值模型綜合分析討論時(shí)間效應(yīng)下基坑的變形規(guī)律，并結(jié)合施工工期、工程量、開挖對(duì)環(huán)境的影響等因素，對(duì)基坑設(shè)計(jì)方案進(jìn)行合理地調(diào)整優(yōu)化分析，為相似軟土地區(qū)深大基坑工程實(shí)踐提供參考。

1 工程概況

1.1 環(huán)境與水文地質(zhì)概況

上海軟土地區(qū)某深基坑工程，普遍開挖深度25.0 m，整體設(shè)置五層地下室，開挖面積1.99萬(wàn)m2。本項(xiàng)目周邊環(huán)境見(jiàn)圖1，基坑四周均為市政主干道，道路下管線較多，臨近既有建筑及地下隧道，環(huán)境保護(hù)要求非常高。

圖1 基坑周邊環(huán)境示意圖

本工程位于長(zhǎng)江三角洲入?？跂|南前緣，屬三角洲沖積平原，場(chǎng)地處于古河道地層沉積區(qū)。場(chǎng)地內(nèi)第③、④層均屬于高壓縮性土，具有含水量高、孔隙比大、壓縮模量小等特性的軟弱土層。呈飽和、流塑狀態(tài)，這兩層土抗剪強(qiáng)度低，靈敏度中～高，具有觸變性和流變性特點(diǎn)，是上海地區(qū)最為軟弱的土層。另外需注意，場(chǎng)地內(nèi)局部分布③t黏質(zhì)粉土夾層，根據(jù)已有研究，在滲透性較小的粘性土層夾透水性較好的砂粉層時(shí)，軟土固結(jié)對(duì)基坑變形的影響明顯。本項(xiàng)目場(chǎng)地中第③、④層軟土厚達(dá)9.3～16.2 m，應(yīng)特別注意淤泥質(zhì)黏土對(duì)基坑開挖的影響，盡量避免對(duì)主動(dòng)區(qū)土體的擾動(dòng)。典型地層剖面見(jiàn)圖2。

圖2 典型地層剖面圖

1.2 初步方案要點(diǎn)

本項(xiàng)目土方開挖量大，施工周期長(zhǎng)，且周邊環(huán)境復(fù)雜，主要特點(diǎn)及難點(diǎn)有：（1）深大基坑穩(wěn)定性問(wèn)題嚴(yán)峻；（2）普遍區(qū)域坑底抗⑤2層微承壓水、塔樓區(qū)域坑底抗⑦層承壓水穩(wěn)定性不滿足要求，地下水控制難度大；（3）場(chǎng)地內(nèi)厚填土、地下障礙物、軟弱土層、易產(chǎn)生管涌流砂土層等不良地質(zhì)問(wèn)題多；（4）周邊環(huán)境復(fù)雜，尤其是西側(cè)道路下隧道，距離基坑圍護(hù)內(nèi)邊線最近約18.5 m，根據(jù)相關(guān)部門及規(guī)范[7-8]規(guī)定，基坑施工期間隧道變形累計(jì)值不超過(guò)15 mm，對(duì)設(shè)計(jì)施工又是一大挑戰(zhàn)。

經(jīng)與各方討論協(xié)商，本項(xiàng)目基坑初步設(shè)計(jì)采用地下連續(xù)墻+五道鋼筋混凝土內(nèi)支撐的的支護(hù)形式，分區(qū)順作開挖。地下連續(xù)墻厚度為1 200 mm，考慮⑤2層微承壓水的控制，地墻普遍長(zhǎng)度為55.5 m。為加強(qiáng)被動(dòng)區(qū)土體抗力同時(shí)減少基坑施工產(chǎn)生的變形，在基坑臨近地下隧道區(qū)域設(shè)置寬8.8 m的三軸水泥土攪拌樁裙邊加固，其余三側(cè)設(shè)置寬6.8 m的裙邊加固。典型基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面見(jiàn)圖3。

圖3 基坑支護(hù)典型剖面圖（單位：mm）

2 數(shù)值模型分析

基坑工程嚴(yán)格來(lái)講是一個(gè)三維空間問(wèn)題，但本文中的重點(diǎn)考慮基坑開挖的時(shí)間效應(yīng)，空間效應(yīng)可忽略，且二維計(jì)算結(jié)果通常偏大，對(duì)方案分析留有一定的冗余度，具有較高的參考價(jià)值，故本文建模采用PLAXIS 2D有限元軟件進(jìn)行模擬。在眾多土體本構(gòu)模型中，硬化類彈塑性模型能考慮軟黏土硬化特征、能區(qū)分加荷和卸荷的區(qū)別且其剛度依賴于應(yīng)力歷史和應(yīng)力路徑，試驗(yàn)和分析研究表明HS-Small模型能較好的模擬基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響[9]。為探討流變對(duì)基坑工程的影響，對(duì)軟土層選取軟土蠕變模型，結(jié)合Biot固結(jié)理論有限元方程討論時(shí)間效應(yīng)下土體的內(nèi)力變形特性。

2.1 計(jì)算模型

限于篇幅，本文重點(diǎn)介紹西側(cè)靠近地下隧道一側(cè)基坑開挖對(duì)環(huán)境影響的數(shù)值模擬。分析模型的水平方向?yàn)閄向，豎直方向?yàn)閅方向?？紤]一定的開挖影響范圍，模型水平方向總長(zhǎng)取120 m，豎直方向則取地表以下80 m。模型兩側(cè)施加水平向約束，底邊界施加固定約束，考慮基坑的對(duì)稱性，坑內(nèi)去半寬開挖寬度。同時(shí)考慮20 kPa的坑邊超載。本次分析模型中，土體采用三角形15節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行模擬，模型以及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3。本計(jì)算模型共有11 561個(gè)節(jié)點(diǎn)，劃分為1 422個(gè)單元。

圖3 基坑有限元計(jì)算模型圖

表1 土體計(jì)算參數(shù)表

對(duì)于軟土層（第③、④、⑤1層）采用軟土蠕變模型進(jìn)行分析，其他土層采用HS-Small模型進(jìn)行分析；地下連續(xù)墻、地下隧道、管線均采用梁?jiǎn)卧M，采用線彈性模型進(jìn)行分析；各道支撐采用線彈性錨桿單元模擬。土體參數(shù)見(jiàn)表1，表中HS-Small模型參數(shù)可根據(jù)王衛(wèi)東等[8-10]的研究經(jīng)驗(yàn)確定。而λ、μ、κ分別為軟土蠕變模型中修正的壓縮指數(shù)，回彈指數(shù)和蠕變指數(shù)，可通過(guò)三軸實(shí)驗(yàn)得到：

其中，Ce、Cr、Ca分別為固結(jié)實(shí)驗(yàn)得到的壓縮指數(shù)，回彈指數(shù)和蠕變指數(shù)。無(wú)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可根據(jù)下列經(jīng)驗(yàn)公式得到：

結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

2.2 模型計(jì)算過(guò)程

本次分析計(jì)算步驟按照實(shí)際施工工況進(jìn)行模擬，見(jiàn)表3。由于施工方案尚未確定，表中所示時(shí)間目前為根據(jù)相似規(guī)模的基坑經(jīng)驗(yàn)估算的時(shí)間。注意每道支撐添加考慮實(shí)際工況分為兩個(gè)工況，即支撐添加持續(xù)5 d，其后設(shè)置間隔工況（約10 d）則考慮支撐達(dá)到設(shè)計(jì)一定強(qiáng)度及其他原因造成的誤工而延續(xù)的時(shí)間。從開挖（不含圍護(hù)墻及立柱樁施工時(shí)間）到基礎(chǔ)底板澆筑完成并達(dá)到一定強(qiáng)度共需145 d?？紤]時(shí)間效應(yīng)，基坑開挖過(guò)程中計(jì)算采用固結(jié)分析計(jì)算。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，考慮時(shí)間效應(yīng)時(shí)基坑開挖引起地連墻后土體發(fā)生較大的水平向位移，位移最大值為76.60 mm，最大位移發(fā)生在較軟弱的土層，在地面下18 m左右，距離坑底開挖面有一定距離，這可能是由于18 m以下開挖面進(jìn)入較硬的土層，開挖更深時(shí)變形較小。模型計(jì)算得到地連墻水平向位移見(jiàn)圖4，第一步開挖由于未設(shè)置支撐，地下連續(xù)墻墻頂位移最大，呈典型的懸臂式位移。隨著支撐的增設(shè)地墻側(cè)向位移呈鼓肚形，且隨著開挖深度的增加側(cè)向位移逐漸增大，最大值所在位置逐漸下移。本項(xiàng)目因考慮承壓水控制，39 m以下地墻段為構(gòu)造配筋，加之35 m以下土層壓縮模量較高，故35 m以下部分嵌固段地墻整體變形較小。

表3 計(jì)算工況

圖4 地連墻側(cè)向位移隨深度變化曲線

表4中列出了每個(gè)間隔工況計(jì)算前后的地墻最大水平位移量及其所在位置。結(jié)合圖4分析可得，在各個(gè)開挖間隔工況中，地墻變形繼續(xù)發(fā)展，表現(xiàn)出軟土明顯的時(shí)間效應(yīng)。間隔工況期間地墻側(cè)向位移增量、增速在淺層軟土區(qū)域較大，隨著開挖深度的增加，下部暴露的土層相對(duì)較硬，后期側(cè)向位移增速逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定，與已有的一些研究成果一致[12]。傳統(tǒng)的彈性理論計(jì)算中系統(tǒng)的應(yīng)力和位移都是一次性釋放的，而考慮到土的流變和固結(jié)的分析中，整個(gè)基坑體系的應(yīng)力和變形是隨著時(shí)間逐步釋放的，并最終趨于穩(wěn)定，更接近工程實(shí)際。在開挖到底板后位移增速出現(xiàn)負(fù)值推測(cè)是由于土體固結(jié)影響孔壓消散，固結(jié)產(chǎn)生的墻體水平位移回縮大于該階段土體卸荷產(chǎn)生的位移。

表4 開挖間隔工況地連墻最大水平位移增量

根據(jù)計(jì)算，本項(xiàng)目地下五層基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境影響較大，西側(cè)地下隧道位移達(dá)19.43 mm，超過(guò)相關(guān)部門規(guī)定[7-8]，有必要對(duì)原方案做進(jìn)一步的調(diào)整。

3 支護(hù)設(shè)計(jì)調(diào)整優(yōu)化分析

為保證基坑開挖后的穩(wěn)定和減少基坑及周邊建筑物、隧道的變形，綜合考慮質(zhì)量、安全、施工進(jìn)度、總體投資、風(fēng)險(xiǎn)控制等多項(xiàng)因素，將原地下五層方案改為地下四層，挖深調(diào)整為18.6 m，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案相應(yīng)地調(diào)整為地下連續(xù)墻+四道鋼筋混凝土水平支撐的圍護(hù)形式，分區(qū)順作開挖，臨近隧道側(cè)地墻厚度仍為1 200 mm以保護(hù)地下隧道，其余側(cè)地墻厚度優(yōu)化至1 000 mm，典型基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面見(jiàn)圖5。

經(jīng)復(fù)核驗(yàn)算，調(diào)整后的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案安全可靠，且考慮軟土?xí)r間效應(yīng)通過(guò)平面彈性地基桿系有限元法模擬計(jì)算，土體水平向位移云圖見(jiàn)圖6。改為地下四層方案后，墻后土體最大水平向位移為57.77 mm，基坑開挖引起西側(cè)隧道變形減小為11.29 mm，滿足相關(guān)部門和相關(guān)規(guī)范[7-8]要求。

本項(xiàng)目深基坑支護(hù)方案經(jīng)調(diào)整優(yōu)化后，減少了一道支撐（含圈梁），同時(shí)由于支撐荷載降低，立柱、立柱樁長(zhǎng)度均得到了優(yōu)化。經(jīng)計(jì)算，調(diào)整后支撐工程量較原方案減少了23.6%，立柱樁工程量較原方案減少了20.1%，調(diào)整后整個(gè)基坑支護(hù)方案總的造價(jià)較原方案減少了逾四千萬(wàn)元（僅參考市場(chǎng)價(jià)，未包括支撐拆除費(fèi)用等）。同時(shí)，調(diào)整后的方案可節(jié)約工期約22～25 d，對(duì)處于環(huán)境敏感復(fù)雜的軟土地區(qū)深大基坑，縮短工期意義重大，可大大降低基坑開挖期間的安全風(fēng)險(xiǎn)和對(duì)周邊環(huán)境的影響。

圖5 調(diào)整后的基坑支護(hù)典型剖面圖（單位：mm）

圖6 方案調(diào)整后土體側(cè)向位移云圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合上海某基坑工程案例，通過(guò)數(shù)值分析對(duì)基坑設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了評(píng)估并做了優(yōu)化調(diào)整分析，結(jié)論如下：

（1）當(dāng)周邊環(huán)境復(fù)雜敏感、環(huán)境保護(hù)要求較高時(shí)，軟土地區(qū)深大基坑設(shè)計(jì)應(yīng)考慮土體固結(jié)、流變特性等因素進(jìn)行全面的科學(xué)分析討論，以指導(dǎo)深大基坑的設(shè)計(jì)施工規(guī)劃部署工作。

（2）考慮時(shí)間效應(yīng)的基坑分析顯示，基坑變形會(huì)隨著基坑開挖深度、暴露時(shí)間的增長(zhǎng)而變大，比不考慮時(shí)間效應(yīng)的基坑開挖變形特性更接近工程實(shí)際。

（3）本項(xiàng)目從保護(hù)周邊環(huán)境出發(fā)，根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案，調(diào)整優(yōu)化后減小了基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響，合理降低了工程造價(jià)，縮短了施工工期，可以為相似基坑工程實(shí)踐提供參考。