运用分坑施工法控制深基坑周边环境变形的数值分析研究*

上海市建工设计研究院有限公司 上海 200050

1 工程背景

1.1 基坑概况

建设中的上海国际舞蹈中心新址位于上海市虹桥历史文化风貌保护区内，基坑开挖分为2 层，1 层基坑总面积约26 609 m2，周长约927 m；2 层基坑面积约14 428 m2，周长约707 m；1 层区域挖深6.4 m，2 层区域挖深10.8 m。

1.2 周边情况

本工程地理位置条件优越，周边历史氛围浓厚，更被6 幢市级优秀历史建筑所环绕，保护等级均较高，且距离基坑很近。基坑南邻延安高架路、北紧贴轨道交通10号线，西侧为水城南路，东侧为延虹绿地。周边保护建筑与本基坑工程关系见图1，图中编号为6#～11#的6 栋建筑物均为2 层砖混结构，采用条形基础和天然地基。其中10#楼距离基坑边缘最近处仅有3.72 m。

1.3 工程地质与水文地质概况

上海位于东海之滨、长江入海口处，属长江三角洲冲积平原，拟建场地地貌单元属滨海平原地貌类型，地形较为平坦。

图1 周边保护建筑平面位置

场地内地下水类型为潜水，主要补给来源为大气降水及地表径流，埋深一般为地表下0.3～1.5 m。勘察期间实测地下水稳定水位埋深在0.80～1.50 m之间。

2 基坑工程的特点和难点[1]

（a） 环境保护要求高。周边建筑中分布有市级优秀历史建筑6 幢，离基坑边线距离均在1 倍开挖深度以内，其中南侧10#楼距离基坑边线最近为4.027 m。

（b）基坑形状极不规则。本工程是在拆除原有建筑物之后新建的项目，基坑的形状极不规则，同时须考虑保护保留的6 栋市级优秀历史建筑，给基坑支护设计中支撑的布置带来困难。

（c）基坑开挖面积大，存在2 个挖深。本工程1层基坑总面积约26 609 m2，2层基坑面积约14 428 m2。1层挖深6.4 m，2层挖深10.8 m，坑内标高各异，施工的流程与基坑支撑的传力关系复杂。

（d）施工组织难度大。拟建场地被多幢优秀历史建筑环绕，三面邻近交通道路，场地条件十分有限，给施工中的材料堆场、交通组织等带来较大的困难。

3 基坑设计和施工方案比选[2-4]

3.1 基坑设计方案比选

根据基坑的挖深分别是6.4 m和10.8 m，基坑设计方案比选内容为：一是选择何种围护形式；二是如何分坑；三是内支撑和坑内加固的优化设计。

为控制邻近保护建筑不发生位移，首先应控制基坑围护体本身的变形，为此，基坑围护选用钻孔灌注桩挡土+三轴止水帷幕体系。钻孔灌注桩桩径宜适当加大，桩长宜适当增长，同时针对基坑内被动区土体进行加固，以减小基坑开挖过程中对周边建筑的影响。为控制地铁保护区、延安高架路沿线范围内的基坑变形，同样要对坑内被动区土体进行加固。支撑体系则选用钢筋混凝土支撑，特别在邻近历史建筑周边，支撑布置宜适当加密。对于分坑位置，结合6 栋要保护建筑的平面分布位置以及基坑开挖深度，将基坑分为1、2、3区，施工3区时，基坑的变形主要影响6#、7#以及10#楼；施工1区时基坑的变形只影响到5#以及8#楼；最后施工2区时，基坑的变形只影响到11#楼，这样对于周边历史保护建筑的风险就将大大的降低。

止水帷幕采用Φ850 mm@600 mm三轴水泥土搅拌桩，水泥掺量20%。基坑开挖深度6.4 m处搅拌桩桩长为14 m，基坑开挖深度10.8 m处的搅拌桩桩长为17 m，地下室2层基坑范围止水帷幕长度分别为28 m和22 m。基坑内地下室2层区域落深4.4 m，落深区域设置钻孔灌注桩围护，Φ600 mm@800 mm，桩长10 m。

我们选择上述分坑施工的基坑围护设计方案相对于其他的围护方案，具有以下优点：

（a）减小基坑的时空效应。本基坑的最长边约为600 m，采用分坑施工的方法，能够很好地减小基坑的时间和空间效应，最大程度上保证基坑工程的安全。

（b）针对不同挖深因地制宜。由于基坑面积大，挖深不一，且落差大，针对2 个挖深，按 “先深后浅”分坑原则，先施工中间深区3区，后施工两侧1区和2区。既解决了支撑布置难的问题，有效地控制了基坑变形，减小基坑施工对周围环境影响，还能解决施工场地紧张、施工组织困难的问题。

（c）采用具有针对性的历史性保护建筑保护措施。按照“先深后浅”分坑原则，先施工中间深区3区，后施工两侧1区和2区，这样的施工方法可以相对减小基坑开挖面积，基坑土方开挖时只影响邻近建筑物，这样对于周边历史保护建筑的风险就将大大降低。

3.2 基坑施工方案比选

在施工方案确立之前，我们首先在基坑的分坑设计方案的原则基础上，为了确定各个区域之间施工先后顺序对于基坑周边环境的影响，特设置了下列3 个对比方案：

方案1：基坑整体开挖。与基坑先施工3区，再同时施工1区和2区方式对比。

方案2：分坑施工。先施工3区，1区次之，最后施工2区；与分坑施工先施工3区，2区次之，最后施工1区方式对比。

方案3：分坑施工。先施工3区，再同时施工1区和2区；与分坑施工先施工3区，1区次之，最后施工2区方式对比。

其中方案1的对比是分析基坑整体施工和分坑施工对于周边建筑物的影响；方案2是为了区分由于基坑形状的不规则导致开挖顺序不一致，对于周边建筑物的影响；方案3是为了区分不同施工方式对基坑的影响。

3.3 基坑施工工况对比

在数值模拟之前，还需结合基坑实际情况确定各对比方案的具体施工工况。各施工工况之间模拟结果的不同，实质就是设计思路的不同，并由此导致一系列诸如分隔桩、换撑、回填以及分坑施工结束标志的不同。分坑施工是指：各分坑区域开挖、回筑地下室至±0.00 m、回填外墙与围护桩之间的空隙的全过程。

基坑整体开挖的工况为：先施工围护桩并在坑内降水，再分批开挖土层并施工支撑体系，直至底板浇筑完成，再依次拆除支撑、回筑地下室至±0.00 m，最后对外墙与围护桩之间进行回填，即完成整个基坑工程的施工。

其他各方案相较整体开挖方案而言，从设计上讲，分坑施工方案必须设置分隔桩；从施工上讲，每个分坑区域开挖、回筑地下室至±0.00 m的过程同整体开挖施工工序大致相同，只是分坑施工应按照设计的分坑施工工序先后开挖，在分隔桩两侧必须要换撑，待到各分坑区域施工至±0.00 m时，立即对分坑区域外墙和围护桩之间进行回填，然后再开挖下一分坑区域，等到所有分坑区域均施工至±0.00 m后，还需拆除换撑和分隔桩，浇筑因拆除分隔桩所留底板和各结构板的后浇带，从而完成整个基坑工程的施工。

4 数值模拟[5-8]

4.1 建立模型

MIDAS-GTS是Midas公司开发专门求解岩土力学问题的大型三维有限元程序，其基本原理与离散法相似，运用节点位移连续条件，可对连续介质进行大变形分析。本文考虑基坑开挖对周围土体的影响范围，三维计算模型选取600 m×600 m×60 m。

基坑三维模型主要包括土体、基坑支护结构以及周边建筑物，基坑支护结构主要包括钻孔灌注桩、立柱以及混凝土支撑。模拟时，钻孔灌注桩、支撑、立柱采用梁单元模拟，土体采用实体单元模拟。模拟的本构模型选择修正的摩尔库仑模型，该模型适用于基坑开挖以及隧道工程，其土体参数如表1所示，围护桩以及支撑体系的取值参照混凝土的各项参数。

表1 模拟计算土体参数取值表

4.2 对比分析

通过建立的三维计算模型，分别对之前确定的各个施工方案进行模拟。在基坑周边建筑物上选择4 个监测点，对周边建筑物的变形模拟结果进行评价；在模拟过程中记录围护结构的水平向最大应变结果，以评价围护结构是否满足基坑工程的安全需要，监测点布置见图2。

图2 监测点布置示意

经过模拟，计算出各施工方案的变形结果，见表2。

表2 不同施工方案计算结果对比表

按照之前确定的施工工况，针对方案2的不同工况下，各监测点的水平变形计算结果如表3所示。

表3 方案2之不同工况下监测点的变形计算结果

有限元模拟结果对比如图3～图8。

图3 不同施工方案计算结果对比

图4 监测点1、2变形 计算结果对比

图5 监测点2、3变形计算结果对比

图6 监测点3、4变形 计算结果对比

图7 监测点2、4、5变形计算结果对比

图8 不同围护结构监测点 计算结果对比

选择图2中的监测点2在方案2的施工方法下，对比分析不同桩长、桩径、有无加固区时对于周边环境的影响。监测点选取距离基坑开挖边线5 m处，计算对比结果如图8所示。

通过模拟的计算结果，可以看到：

（a）针对不同施工方案的对比结果，可以得出分坑施工相对于整体施工，各个监测点的变形值都有大幅度的减小，并且各个分坑施工方案之间变形趋势基本相同，变形结果相差不大，因此建议采取方案2：即先开挖施工3区，再同时开挖施工1区和2区的方案作为基坑开挖的施工形式。

（b）针对于监测点1和监测点2的对比结果，可以看到两个监测点的变形趋势一致，结果也相差不大，因此可以证明平行于基坑开挖边线的所有点的变形结果是保持一致的。

（c）针对于监测点2和监测点3的对比结果，可以看到两点的变形趋势一致，但是变形结果相差较大，监测点2的变形结果大于监测点3，这证明距离基坑远近不同的点的变形是不一致的，距基坑越近变形越大。

（d）针对于监测点3和监测点4的对比结果，可以看到两点变形趋势不一致，且变形结果相差较大，监测点4的变形结果大于监测点3，这证明不同开挖深度对于周边环境的影响是不一样的，开挖深度越大对于基坑周边环境的影响越大。

（e）针对于监测点2、监测点4以及监测点5的对比结果，可以看到三点变形趋势一致，只是变形结果不同，这表明基坑开挖对于周边建筑物的影响与建筑物自身的结构、基础形式、荷载等因素相关。

（f）针对于图8的对比结果，可以看到对比点的变形趋势一致，但变形结果差别较大，证明我们采用增加大桩径、增长桩身长度并采用坑底加固的方式，能够减小基坑开挖对于周边环境的影响。

4.3 模拟计算结果对设计和施工的指导

由于本工程对于环境保护要求高、基坑开挖面积大、形状不规则以及施工组织难度大，尤其是对于基坑四周存在的6 栋历史保护建筑，在基坑开挖对周边建筑影响的数值模拟计算后，我们采取了如下的措施，在保证基坑安全的前提下，着重考虑减小基坑工程施工对于周边环境的影响。

（a）设计方面。根据基坑周边建筑物的具体情况，采取增大桩径、加深桩长结合坑底加固以及增加止水帷幕的深度的方式，来减小由于建筑物自身因素以及基坑自身因素带来的影响。

（b）施工方面。基坑采用分坑施工，先3区然后1、2区同时施工的方法，减小了基坑每次开挖的面积以及影响范围，从而减小对周边建筑物的影响。采用这样的方法，来控制由于基坑开挖施工以及建筑物的相对位置不同的因素所带来的影响。

5 结论

本文基于上海国际舞蹈中心基坑项目设计，结合工程的自身特点，适用数值模拟计算，研究了基坑分坑施工对于周边环境的影响，得出以下结论：

（a）在周边存在历史性保护建筑或对环境控制要求较高的场地条件下，基坑工程设计、施工必须从源头上保证基坑的安全性，实践证明，分坑施工是保证安全的有效措施。

（b） 通过三维有限元模拟，对比了不同施工方案对于基坑周边建筑物的影响，得出了分坑施工法具有对基坑周边环境影响小、基坑安全性高的优点，证明了分坑施工对于同类基坑工程的可行性。

（c）本文还总结了基坑工程施工对于周边建筑物的影响因素，并有针对性的通过设计方案和施工方案减小基坑工程对于周边建筑物的影响，从而达到保护周边环境的目的。