复杂边界深基坑考虑时空效应的设计优化及反思

2015-01-09范益群

城市道桥与防洪 2015年6期

张颖，范益群

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限责任公司，上海市 200092）

1 背景

1.1 工程背景

随着城市建设的发展，城市内的建筑密度逐渐增大；高度增加，大深度，大面积，复杂边界条件的基坑项目大量出现。深基坑开挖的变形控制已成为一个非常迫切而重要的课题。在总结大量基坑监测及实践资料的基础上，业界提出了时空效应理论和技术方法，取得了广泛应用。

上海虹桥商务区核心区一期06地块即属于该类型基坑，该项目位于申长路和申虹路之间，由D17、D19两个街坊组成，分别位于虹桥综合交通枢纽中心轴线D18地块南北两侧（见图1）。

D17、D19基坑间为地铁2号线、10号线虹桥枢纽西延伸段，D18地块，距离基坑外边线仅6 m；如图2“A-A剖面示意图”所示。

D17、D19基坑面积相仿，均为 30 000 m2，其中东西向边长约200 m，南北向长约150 m。基坑深度均为16～16.8 m。

该工程基坑周边环境条件复杂。

东侧：基坑东侧紧靠虹桥枢纽西交通广场，该广场为地下2层结构，边界处为下沉式斜撑挡墙结构，如图3“B-B剖面示意图”所示。

西侧：基坑西侧申长路，下方有多条已排管线，基坑距该道路红线约3 m。

北侧：D17北侧为已拍卖空地。

南侧：基坑南侧为申虹大厦办公大楼。与D19间距约20 m。

1.2 问题（技术难点）

（1）面积大：D17、D19基坑面积相仿，均为30 000 m2，其中东西向边长约200 m，南北向长约150 m。

（2）基坑深度大：基坑深度16～16.8 m，局部落坑深度超过17 m

（3）周边边界条件：如图1所示，基坑周边紧贴虹桥火车站地下车库、高层建筑等，周边管线密集。

（4）临近运营中地铁，保护要求等级高：两地块间的D18虹桥火车站站属于2号线、10号线运营中地铁，按照地铁运营公司要求，地铁运营区结构变形需小于2 cm。

2 时空效应原理

时空效应理论是一种通过改变施工工艺和方案，进而控制周边土体位移的理论。其基本思想是通过充分考虑土体时间和空间作用，利用土体自身的潜力，有效地控制变形。

图2 A-A剖面示意图

图3 B-B面示意图

深基坑的时空效应，分为时间效应和空间效应。

时间效应：处于软土地区的深基坑工程，地基土往往具有明显的流变特性，基坑支护结构和周围地层的变形会随时间延长而持续增加，即表现为深基坑工程的时间效应。

软土具有流变性,这是深基坑工程考虑时空效应的前提。试验和研究证明在压应力a<0.025 MPa时,这类软弱粘土就已发生蠕变;当a>0.15 MPa(此应力对应于流变性粘土中14～15 m深基坑挡墙被动区的土压力)时,不排水蠕变速率急剧增大,最后发生破坏。上海地区地下30 m深度以内的地层多属流塑和软塑粘土,大多数深基坑处在此深度范围内。这种地层的土体具有高含水量、高灵敏度、高压缩性、低密度、低强度、低渗透性等特性。其流变性尤其显著[1]。

空间效应：深基坑本身是一个具有一定平面形状和深度的三维开挖空间，由支护结构、坑内水平支撑(或坑外拉锚)、坑内立柱与立柱桩等构成，基坑的平面尺寸与形状、开挖步骤、开挖深度等因素均会对其变形及稳定产生较大影响，即表现为深基坑工程的空间效应[2]。

根据上海地区的工程经验[1]对于长条形深基坑，若分段进行开挖，墙体最大水平位移、地面沉降范围及最大沉降量都会有所减小。由此可以得出：将基坑分坑、按较短的段分段开挖，能有效地减小墙体位移、底层水平位移与地面沉降。

3 考虑时空效应的实践

3.1 时空效应的本质

从本质上看，基坑工程的施工实际上是以一种稳定的结构平衡状态，来代替原始的不稳定的土体平衡状态的过程。如果上述替换过程能够达到零时差，也就无所谓的时空效应。

而在实际的基坑工程中，完成结构体系（包括自身强度达到标准），需要一定的时间，所以土体的流变得以持续发展，进而带来基坑及周边环境的变形。

所以当前，无论设计还是施工，时空效应的利用主要围绕着以下三点进行：

（1）分步，分小块进行，减小单次施工中体系内的不平衡力。

（2）尽快形成结构体系平衡，终止土体流蠕变的发展。

（3）改良土体性能，改变土体蠕变曲线，减缓土体变形速率。

3.2 基于时空效应的设计及施工

时空效应在上海基坑工程中的应用已经非常普遍，在设计、施工及监管单位中均积累了相当的经验。

根据申通地铁保护的要求及经验做法，大基坑靠近地铁侧50 m范围内宜分成小坑并分阶段施工，以便将对地铁的影响降低到最小程度。靠近地铁侧的地墙，施工前需对地墙两侧土体预加固，俗称“夹心饼干”，以保证地墙成墙质量。

根据时空效应的远离及监管单位对周边环境保护的要求，基坑设计施工中应有如下体现：

（1）分坑：靠近地铁50 m侧，划分为小坑施工。在1期、2期基坑未出地面以前，不允许开挖3期、4期小坑。靠近地铁50 m内，基坑最大面积不应超过10 000m2。

（2）支撑布置：对于1期、2期基坑，面积较大，且跨度较长，采用3道混凝土支撑。增设角撑，而靠近地铁侧小基坑，宽度最大为30 m左右，采用钢支撑加轴力自动补偿系统。

（3）基坑加固：基坑内侧被动区，对坑底及必要的支撑下设置土体加固，提供被动抗力。靠近地铁侧小坑内加固适当增加。

（4）分层、分块：施工中注意开挖的分层分块。盆式开挖的引用也是重要一环。

（5）限时：靠地铁侧基坑分步开挖后，要求6 h内完成钢支撑的架设。

（6）对称、平衡：基坑开挖过程中两边卸载需平衡，如D17基坑，1区基坑开挖过程中，支撑两端的坑内被动土卸载需平衡，同时在2区基坑施工中，2-1区、2-2区主动区卸载也得平衡。

结合时空效应理论，综合考虑地铁保护要求及上部结构的划分，对D17及D19基坑分坑及支撑布置如图4～图8所示，施工顺序如图中编号所示。

图4 D17基坑平面布置图（含开挖步序及监测点布置）

图5 D17基坑加固平面布置图

图6 D19基坑平面布置图（含开挖步序及监测点布置）

图7 D19基坑加固平面布置图

图8 D17、D19基坑横剖面示意图

D19设计及施工稍落后与D17地块，但由于两地块的标志性建筑-星舟位于D19地块以内，为加快施工进度，减少影响时间考虑，D19地块的分坑形式调整为图6、图7所示。

4 工程反思

4.1 监测结果

上述设计及施工步骤，有效地利用了时空效应理论，取得了较好的变形控制。但局部区域仍然变形过大，且大大超过计算值。将部分变形较大的区域监测资料整理如下。

4.1.1 D17监测数据(见图9、表1)

图9 D17测点各深度位置变形图

表1 D17测点各深度位置变形数值表

施工时间：（ACX1、2、3、4）对应区域于 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监测数据（见图10、表2和表3）

施工时间：（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 工程不足之处及分析

软土地区基坑工程是以控制变形为主要目的和导向的。在上海地区基坑规范中，也规定了一级基坑0.14%H（该工程中为23 mm）、二级基坑0.3%H（该工程中为50 mm）的变形控制要求。而在D17、D19基坑实施过程中，出现了部分区域变形过大的情况，最大值达到110 mm。需要引起深思。

图10 D19测点各深度位置变形图

表2 D19测点各深度位置变形数值表（一）

表3 现D19测点各深度位置变形数值表（二）

D17、D19基坑深度16～16.8 m，原设计方案为1 m地下墙+3道支撑方案。后经业主建议，对原方案进行设计优化，适当加大裙边加固，减小地墙厚至800 mm。但实际实施过程中，部分区域变形仍出现了变形过大的情况，部分最大值达到了110 mm。

4.2.1 裙边加固效果并不明显

由于支撑在浇筑完成后达到设计强度需要一定的养护时间，因此在采用混凝土支撑的大基坑中，为控制这段时间内的围护结构变形，一般在基坑支撑下侧土质较差的地层，会在开挖前预先进行土体加固。

而在该项目中，围护结构变形，特别是2道支撑、3道支撑的变形仍然在开挖面暴露的十来天内快速发展。这一监测结果在D17、D19基坑中均有体现。似乎支撑下的裙边加固并未起到预想的作用。该现象需要从加固体抗围护变形的机理上研究。

基坑加固当前采用的主要方式有：满堂加固、裙边加固、裙边+抽条加固、墩式加固等。由于成本巨大，坑内满堂加固当前已极少采用。

4.2.1.1 裙边加固

这种扩散通过横向和纵向去体现，如图11所示。

图11 裙边加固抗变形机理示意图

A部分抗力与原状土相同，如不考虑加固体自身的压缩变形，实际增加的抗力仅为B+C部分。

4.2.1.2 裙边+抽条加固（见图12）

图12 裙边+抽条加固抗变形机理示意图

相对于单纯裙边加固，增加抽条加固，能有效地加强结构支撑的效果。

抽条加固在当前设计中，被认为是一道有效的“支撑”。笔者认为，抽条加固的支撑效果与单纯的结构支撑并不完全相同。

基坑支护中的钢筋混凝土支撑刚度较大，荷载通过支撑体传递至对面围护，并达到平衡。而抽条加固的支撑体现，实际上是将荷载分散，转化为加固体与土体间的侧摩阻力。

根据土工试验的结果，加固体的弹性模量与无侧限抗压强度的关系为E50=126 qu[3]，在设计要求达到qu=1.0 MPa的情况下，E50=1.25×108N/m2，C30混凝土结构的弹性模量为3.0×1010N/m2。弹性变形模量相差240倍。可见抽条加固所起到的作用并非简单的结构支撑。抽条加固所起的“支撑效果”在一定长度范围内，就已经将荷载扩散到周边土体中，不会传递到对面围护上。因此如基坑长度较大，抽条加固的优势也较小。

在图12中，D部分的抗力最终通过抽条加固体传递至侧面土体上。

4.2.1.3 节点式加固

墩式加固属于节点加固的一种，某种意义上，墩式加固较裙边+抽条加固更为合理。加固墩体利用后侧较大表面积提供摩阻力，同时墩底埋深加大，利用了开挖面以下经过深度修正的土体承载力。

4.2.2 荷载不平衡导致的基坑变形持续发展

基坑在两侧土体平衡，支撑架设完毕并达到强度后，理论上支撑及以上位置的变形即不再发展。D17基坑监测数据也体现出上述特点，在每次开挖完成并浇筑完混凝土支撑后，基坑的变形基本上能保持稳定，如图13所示。

图13 平衡状态下的基坑示意图

而在D19基坑监测数据中，变形是持续发展的，经现场巡视，发现施工方为方便施工，将D19中隔墙两侧本应分两次施工的栈桥板一次施工完毕，如图14所示。D19中隔墙北侧土体卸载后，推测该区间两侧土体发生了整体的不平衡。可惜的是，由于前期监测点布置中未在中隔墙布置位移监测管，导致上述推测未能采集数据予以证实。