顏 超，孫廉威，程子聰

(上海建工集團股份有限公司工程研究總院，上海 201114)

0 引 言

隨著中國城市建設(shè)步伐的不斷加快，一些特大城市(北京、上海、深圳等)的土地資源日趨緊張，城市地下空間開發(fā)建設(shè)的周邊環(huán)境也逐漸變得復(fù)雜，在實際工程中也逐漸出現(xiàn)一些特殊的施工工況，如深基坑開挖與周邊既有建筑物改造同時施工。為了避免兩者之間的相互擾動影響，在實際施工的過程中通常將兩者進行先后施工，但是施工成本偏大。因此弄清兩者同步施工的相互影響，對提高實際工程的安全性和經(jīng)濟性具有重大的意義。

目前已有不少學(xué)者對基坑開挖及周邊擾動進行了大量研究。在基坑施工對周邊既有建(構(gòu))筑物影響方面，胡軍等[1-4]通過數(shù)值分析、數(shù)據(jù)監(jiān)測及模型試驗等方法研究了基坑開挖對近鄰樁基的影響，進一步揭示了在鄰近基坑開挖時既有建(構(gòu))筑物樁基的響應(yīng)機制；Shi等[5-8]通過解析法、試驗及數(shù)值分析的方法研究了基坑開挖與鄰近既有盾構(gòu)隧道的相互影響，提出了相應(yīng)的保護技術(shù)和控制措施；張陳蓉等[9-12]分析了基坑開挖對周邊既有管線的影響，提出了相應(yīng)的變形控制標準；郭亞磊等[13-17]通過數(shù)值分析等方法研究了基坑被動區(qū)土體加固對基坑變形的影響，提出了基坑被動區(qū)加固的合理范圍；譚永朝等[18-19]，分析了支護結(jié)構(gòu)對基坑變形及工程造價的影響，提出了不同情況下使用經(jīng)濟合理的支護結(jié)構(gòu)。上述學(xué)者的研究主要集中于基坑開挖對周邊既有建(構(gòu))筑物的單一擾動影響，而對深基坑施工與周邊既有建(構(gòu))筑物改造同步進行的工況研究相對較少。本文將綜合考慮深基坑開挖與周邊既有建筑物改造同步進行下的相互影響機制，分析安全影響因素，以便指導(dǎo)施工、優(yōu)化方案、保障安全。

本文基于上海體育館、上海游泳館改造及新建體育綜合體項目，通過數(shù)值分析法，探索新建體育綜合體基坑開挖與上海體育館在不同“卸載-加載”改造次序下的相互影響，并在此基礎(chǔ)上探討了基坑開挖與改造施工的有利方案，以降低風(fēng)險，更好地預(yù)防本工程以及未來類似工程中施工事故的發(fā)生。

1 工程概況

本項目位于上海市徐家匯區(qū)，基坑總面積約5.6×104m2，基坑開挖深度為-6.75～-12.8 m。其中，2區(qū)基坑平均開挖深度為-12.5 m，上海體育館位于基坑?xùn)|北側(cè)，距基坑邊線最近大約為3.4 m，如圖1所示。

圖1 工程平面示意Fig.1 Plan Schematic of Project

上海體育館采用樁筏基礎(chǔ)，基底埋深為室內(nèi)地坪以下3.7 m，鉆孔灌注樁直徑為600 mm，樁長16.1 m；本基坑采用順作法施工，普遍采用1.0 m厚地下連續(xù)墻+2道鋼筋混凝土支撐的支護形式，如圖2所示。

圖2 工程典型剖面(單位：m)Fig.2 Typical Profile of Project (Unit:m)

本基坑場地屬于古河道分布區(qū)，主要為流塑性黏體，含水量較大，壓縮性高，土體力學(xué)性質(zhì)較差，在基坑開挖范圍內(nèi)沿深度分布的土層依次為①填土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④1淤泥質(zhì)黏土、④2-1粉質(zhì)黏土、④2-2砂質(zhì)粉土、⑤1粉質(zhì)黏土和⑤3粉質(zhì)黏土。

2 有限元模型

2.1 模型簡介

為了研究深基坑開挖與周邊既有建筑物改造的相互影響，選取了圖1中A-A截面建立二維有限元模型，如圖3所示。模型坑外長度為140 m(約11倍開挖深度)，坑底以下長度為40 m(約3倍開挖深度)，基坑開挖深度為-12.5 m。模型中土體采用平面應(yīng)變15節(jié)點2-D等參單元，地下連續(xù)墻及周邊構(gòu)筑物采用板單元模擬，支撐采用錨定桿單元模擬，其中上海體育館上部結(jié)構(gòu)均轉(zhuǎn)換為實際荷載代替。

圖3 有限元模型(單位：mm)Fig.3 Finite Element Model (Unit:mm)

2.2 參數(shù)選取

土體硬化(HS)本構(gòu)模型是目前在基坑開挖數(shù)值分析中常用的模型之一，適用于在敏感環(huán)境下對基坑開挖進行分析[20-24]。HS本構(gòu)模型土體強度采用三軸試驗?zāi)Ａ縀50、三軸卸載/再加載模量Eur以及固結(jié)儀荷載模量Eoed來考慮土體在卸載/再加載條件下的性狀，各剛度計算公式為

(1)

(2)

(3)

模型土體計算參數(shù)見表1。模型中上海體育館的“卸載-加載”改造通過荷載的實施來模擬，初始荷載為實際上部結(jié)構(gòu)的重力，取550 kN，結(jié)構(gòu)詳細計算參數(shù)見表2。

表1 土體計算參數(shù)Table 1 Calculation Parameters of Soils

表2 結(jié)構(gòu)計算參數(shù)Table 2 Calculation Parameters of Structures

2.3 計算工況

由于上海體育館在改造的過程中只是對上部結(jié)構(gòu)進行局部的拆除改造，因此在計算過程中對卸載荷載取約為上海體育館初始荷載的一半進行分析。模型共設(shè)置了17種“卸載-加載”工況，以全面體現(xiàn)上海體育館在不同改造時間點進行深基坑開挖之間的相互影響，計算工況見表3，其中模型1為基礎(chǔ)工況，即在深基坑開挖的過程中對上海體育館不進行任何改造。

表3 計算工況Table 3 Calculation Work Conditions

3 計算分析

3.1 模型參數(shù)驗證

為了確保有限元計算參數(shù)選取的合理性，根據(jù)工程實際進度，特選取表3中的模型1開展有限元計算，并將計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進行對比。

圖4、表4分別給出了圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移、地基梁沉降監(jiān)測點的計算值與監(jiān)測值的對比情況。從圖4和表4可以看出，有限元計算值與現(xiàn)場監(jiān)測值較為接近，采用該模型進行后續(xù)計算分析較為合理。

圖4 側(cè)向位移對比Fig.4 Comparison of Lateral Displacements

表4 地基梁沉降對比Table 4 Comparison of Foundation Beam Settlements

3.2 “卸載-加載”影響分析

本文主要討論在不考慮基坑被動區(qū)加固的條件下，上海體育館在基坑開挖過程中進行“卸載-加載”對圍護結(jié)構(gòu)和上海體育館基礎(chǔ)的影響。

圖5給出了各模型工況下的結(jié)構(gòu)變形曲線，從圖5中可以看出：

(1)在基坑開挖至第2道支撐而未施工第2道支撐時對建筑物進行加載，圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移超過了規(guī)范規(guī)定的值(模型4、模型8以及模型11)，因此這是最不利的施工工況，在施工時避免出現(xiàn)這一情況。

(2)結(jié)合圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移、建筑物樁基側(cè)向位移以及建筑物地基梁沉降可以看出，施工完成第2道支撐后開挖至坑底前(模型5、模型9、模型12以及模型14)，施工對圍護結(jié)構(gòu)和建筑物的影響最小，因此基坑開挖的同時宜在完成第2道支撐后、開挖至坑底前完成建筑物的改造。

(3)雖然土方開挖至坑底再對建筑物進行“卸載-加載”未超過規(guī)范規(guī)定值(模型6、模型11、模型13、模型15、模型16以及模型17)，但是在實際施工過程中是嚴禁在基坑開挖至坑底時再對周邊建筑物進行加載，因此本文只對這幾個模型進行對比，不作為有利模型進行考慮。

對于在不同的“卸載-加載”工況條件下，當基坑施工完成第2道支撐后、開挖至坑底前完成對周邊加載時，對基坑的安全更有利，因此模型5、模型9、模型12以及模型14為對基坑安全的有利模型。

從圖6給出了4個有利模型下的結(jié)構(gòu)位移?？梢钥闯觯?個模型在不同的工況條件下，對上海體育館的沉降影響不大，但是對圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移和上海體育館樁基影響明顯，模型12要優(yōu)于其他3個模型。

結(jié)合圖5和圖6可以看出，基坑周邊建筑物加載時間點的影響要遠大于卸載時間點的影響，因此基坑開挖過程對周邊建筑物進行改造時主要還是取決于建筑物的加載時間點。

圖5 各模型結(jié)構(gòu)變形Fig.5 Structural Deformation of Each Model

圖6 各有利模型下的結(jié)構(gòu)位移Fig.6 Structural Deformation of Each Favorable Model

綜上所述，在基坑開挖過程中，為了更好地控制周邊建筑“卸載-加載”時對圍護結(jié)構(gòu)和上海體育館的影響，要注意基坑周邊荷載的加載階段，建議施工過程中宜按照模型12的施工工況進行合理施工。

3.3 影響因素分析

3.3.1 基坑被動區(qū)加固的影響

本文采用最有利模型12討論基坑被動區(qū)加固對圍護結(jié)構(gòu)和上海體育館基礎(chǔ)的影響。

根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范《基坑工程技術(shù)標準》(DG/TJ 08-61—2018)[25]：被動區(qū)加固體的寬度不宜小于基坑開挖深度的0.4倍，并不宜小于4 m；加固體的深度不宜小于3 m。各模型基坑被動區(qū)加固工況見表5，各模型分析結(jié)果見圖7～9。

表5 加固工況Table 5 Reinforcement Work Conditions

從圖7，8可以看出，在基坑開挖至底時，被動區(qū)坑底加固深度對圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移、地基梁沉降和樁基側(cè)向位移的影響要大于加固寬度產(chǎn)生的影響。隨著加固深度的增加，圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移和上海體育館樁基側(cè)向位移逐漸減小，當坑底加固深度達到0.4H時，被動區(qū)加固對圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移和上海體育館樁基側(cè)向位移影響趨于平穩(wěn)；被動區(qū)加固深度對地基梁沉降有一定的影響，但規(guī)律性不明顯。

圖7 被動區(qū)不同加固寬度的影響Fig.7 Influence of Different Passive Zone Reinforcement Widths

圖8 被動區(qū)不同加固深度的影響Fig.8 Influence of Different Passive Zone Reinforcement Depths

從圖9可以看出，在不同工況下對基坑被動區(qū)進行加固，對圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移和上海體育館樁基側(cè)向位移影響不大，但對上海體育館地基梁沉降影響較明顯，加固從第1道支撐底開始比從第2道支撐底和基坑底開始更能有效地控制上海體育館地基梁沉降。

圖9 被動區(qū)不同加固工況的影響Fig.9 Influence of Different Passive Zone Reinforcement Working Conditions

綜上所述，適當進行基坑被動區(qū)加固能夠有效控制圍護結(jié)構(gòu)變形及周邊建筑的沉降。

3.3.2 不同圍護結(jié)構(gòu)強度的影響

本文采用最有利模型12討論不同圍護結(jié)構(gòu)強度對圍護結(jié)構(gòu)和上海體育館基礎(chǔ)的影響。各模型不同圍護結(jié)構(gòu)強度工況見表6。

表6 圍護結(jié)構(gòu)強度工況Table 6 Work Condition of Retaining Structure Strength

圖10為不同圍護結(jié)構(gòu)強度的影響?？梢钥闯?，在基坑開挖至底時，采用高強度混凝土圍護結(jié)構(gòu)能減小上海體育館地基梁沉降和樁基側(cè)向位移，雖然這種減小量相對較小，但能減小圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移，有利于控制基坑圍護結(jié)構(gòu)變形。

圖10 不同圍護結(jié)構(gòu)強度的影響Fig.10 Influence of Different Retaining Structure Strengths

3.3.3 被動區(qū)加固與圍護結(jié)構(gòu)強度疊加的影響

討論在基坑被動區(qū)加固與圍護結(jié)構(gòu)強度疊加條件下對圍護結(jié)構(gòu)和上海體育館基礎(chǔ)的影響。各模型不同疊加工況見表7。

表7 被動區(qū)加固與圍護結(jié)構(gòu)強度疊加工況Table 7 Work Condition of Passive Zone Reinforcement and Retaining Structure Strength

圖11為基坑被動區(qū)加固與圍護結(jié)構(gòu)強度疊加的影響。可以看出：在基坑開挖至底時，采用高強度混凝土圍護結(jié)構(gòu)能減小圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移、上海體育館地基梁沉降和樁基側(cè)向位移，但這種減小量相對較??；基坑被動區(qū)加固能夠有效地減小圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移以及上海體育館地基梁沉降和樁基側(cè)向位移。

圖11 基坑被動區(qū)加固與圍護結(jié)構(gòu)強度疊加的影響Fig.11 Influences of Passive Zone Reinforcement and Retaining Structure Strength

通過上述分析可知，在相同的圍護結(jié)構(gòu)情況下，對基坑被動區(qū)進行合理加固能有效控制基坑圍護結(jié)構(gòu)變形和對周邊環(huán)境的影響。

4 結(jié) 語

(1)基坑圍護結(jié)構(gòu)、上海體育館基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變形隨卸載-加載不同時間點變化而變化，分析表明基坑受周邊建筑物改造加載時間點影響要比受周邊建筑物改造卸載時間點影響更大。

(2)在實際施工過程中，應(yīng)控制好周邊建筑物改造加載時間點，并避免在基坑開挖至第2道支撐時對周邊建筑物進行加載改造，也不宜在基坑開挖至第1道支撐時對周邊建筑物進行卸載改造，會導(dǎo)致基坑圍護結(jié)構(gòu)頂部產(chǎn)生較大的側(cè)向位移。

(3)綜合基坑圍護結(jié)構(gòu)變形、上海體育館基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變形等安全影響因素，上海體育館進行“卸載-加載”改造的最優(yōu)工況為：在深基坑工程完成第1道支撐施工并達到設(shè)計強度后再進行卸載改造工序，在深基坑工程完成第2道支撐施工并達到設(shè)計強度后再進行加載改造工序。

(4)對于基坑被動區(qū)加固而言，在基坑其他條件一致的情況下，增加坑底加固的深度要比增加加固的寬度效果更好，更能夠有效地控制圍護結(jié)構(gòu)的變形和對周邊環(huán)境的影響。