新型劲性水泥土搅拌桩围护结合顶板逆作组合施工方法在紧邻历史保护建筑深基坑工程中的应用

吴忠峰

浙江大东吴集团建设有限公司 浙江 湖州 313000

随着城市建设的蓬勃开展，城区可开发土地资源日益减少，紧邻历史保护建筑等重要建筑进行地块开发常常无法避免。而在整个土建过程中，以基坑施工对周边邻近建筑的影响最为显著，因基坑施工不当造成周边建筑损坏的例子比比皆是。因此，减小基坑施工对邻近建（构）筑物的影响日渐成为工程界亟待解决的问题[1-7]。

本文将以某邻近历史保护建筑的深基坑工程为载体，探索一种将新型劲性水泥土搅拌桩围护与顶板逆作相结合的施工方法。

1 工程概况

湖州市某改扩建工程位于吴兴区内，基坑开挖面积11 050 m2，开挖深度11.6～13.3 m，设有2层地下室，基坑整体呈方形。基坑周边2倍开挖深度内分布有中学宿舍、教学楼、医院住院楼、办公楼等建筑（图1）。其中，北侧红楼、西侧砖混2层教学楼和东南角3层向上楼均为历史保护建筑，基础形式为浅基础，距离基坑分别为9.0、21.4、16.6 m，是施工过程中的重点保护建筑。

图1 基坑平面示意

基坑原设计方案采用SMW（劲性水泥土墙）工法桩作为围护，坑内设置2道混凝土内支撑，但通过计算分析发现基坑首道混凝土支撑刚度较弱，难以满足历史保护建筑变形控制的要求，且SMW工法桩后期需拔除H型钢，可能对历史保护建筑造成进一步的结构损伤。

综合考虑安全、经济和工期等因素，决定采用新型劲性水泥土搅拌桩作为基坑围护，该新型围护桩在水泥土搅拌桩中插入800 mm×400 mm预制混凝土工字形桩，其桩身截面抗弯刚度相当于700 mm×300 mm的H型钢（图2），且造价低廉，插入后无需拔除回收。同时，为解决首道支撑刚度不足的问题，逆作地下室顶板作为基坑首道支撑，减小基坑侧壁变形。

图2 新型劲性水泥土搅拌桩

场地内土层主要分布有①杂填土、②粉质黏土、③1粉土、③2粉土、④1砾砂、④2粉质黏土、⑥1黏土和⑥2粉质黏土，主要物理力学性质见表1。

表1 土层物理力学参数

2 基坑开挖影响分析

传统基坑设计采用的荷载-结构法只能对结构本身受力特点进行分析，无法反映土体与结构相互作用以及土体变形对周边环境的影响。基于连续介质的地层-结构法可以较为完美地解决这一问题。

本工程周边存在多幢历史保护建筑，故采用连续介质有限元法对基坑开挖及内部结构回筑施工造成周边历史保护建筑结构的影响进行分析。

2.1 计算模型

本次分析主要是研究基坑施工对周边历史保护建筑的影响，因此选取了距离基坑最近的历史保护建筑断面（图3）并采用二维有限元法进行分析。考虑到基坑的对称性，采用1/2模型进行分析。

在确定模型尺寸时，应充分考虑工程的影响范围：水平方向，模型边界距离基坑边不小于5倍基坑开挖深度；竖直方向，取基坑底下方4倍开挖深度为模型下表面，即模型下表面距上表面50 m。

图3 分析断面

历史保护建筑、基坑围护桩、基坑第1道支撑（地下室顶板）、第2道混凝土支撑、地下室底板、中板均采用梁单元模拟。土体单元选取平面应变三角形15节点单元，土体本构模型采用小应变硬化土模型，模型参数根据表1确定。

模型边界条件均为位移边界条件。其中：地表为自由边界条件；模型左右两侧边界的侧向水平位移均限制为零，竖向自由；模型底部边界的竖向以及水平向位移均限制为零。

2.2 施工工序模拟

根据问题的需要，结合实际施工工序，对计算工序和步骤作如下定义：

1）土体初始应力计算：初始地应力的计算主要考虑土体自重，计算时历史保护建筑作为已建结构，在模型中已被激活。

2）工序1：施工新型劲性水泥土搅拌桩围护。

3）工序2：基坑第1次土方开挖并施工地下室顶板作为第1道混凝土支撑。

4）工序3：基坑第2次土方开挖至第2道混凝土支撑底并浇筑第2道混凝土支撑。

5）工序4：基坑第3次土方开挖至基坑底，浇筑地下室底板。

6）工序5：基坑拆除第2道混凝土支撑，完成剩余地下室结构施工。

3 数值分析结果

3.1 基坑围护变形

基坑开挖及回筑施工过程（工序2—工序6）围护变形情况如图4所示。计算表明：

图4 基坑围护沿深度侧向变形

1）围护顶部侧向变形最大值仅有0.36 mm，采用地下室顶板作为基坑第1道支撑的方法，很好地控制了基坑上部变形。

2）一般情况下，基坑最大变形发生在基坑坑底位置。而本基坑最大变形28 mm，发生在基坑坑底以下8 m位置，这表明当第1道支撑刚度很大时，围护最大变形将向土体深部发展，减小上部围护变形。

3.2 历史保护建筑变形

保护建筑最大变形如图5所示，保护建筑倾斜率变化如图6所示。分析表明：

1）历史保护建筑最大变形22.4 mm，其中竖向沉降20.49 mm，水平位移9.1 mm。

2）变形以沉降变形为主，水平变形占比较小，表明采用地下室顶板作为支撑时，可以显著减小保护建筑的水平位移。

3）建筑倾斜率随基坑施工不断增加，最大倾斜率达0.038%，发生在基坑开挖到底时，基坑回筑对倾斜率影响较小。

图5 保护建筑变形

图6 保护建筑倾斜率变化

4 分析结果与实测数据对比

保护建筑邻近围护测斜管得到的围护日最大侧向变形如图7所示。实测表明，基坑开挖到底时围护侧向变形达到最大值，为29.32 mm，发生于坑底下6 m左右位置。该结果与数值分析得到的变形情况十分吻合，验证了数值分析的可靠性。

图7 围护测斜管的最大侧向变形

5 结语

通过以上分析，可以得出以下结论：

1）数值分析表明，基坑围护最大变形为28.00 mm，保护建筑最大沉降20.49 mm，最大倾斜率0.038%，均满足基坑、保护建筑的安全要求。

2）逆作地下室顶板作为基坑首道支撑，显著增加了首道支撑刚度，减小了紧邻保护建筑的水平变形和倾斜率。

3）采用新型劲性水泥土搅拌桩作为基坑围护经济性好，后期无需拔除，解决了传统SMW工法桩后期拔除H型钢对邻近建筑造成进一步结构损伤的工程难题。

4）经过有限元数值模拟和现场实测数据验证，采用新型劲性水泥土搅拌桩围护与顶板逆作相结合的组合施工方法，可以有效地降低深基坑施工时对周边建筑的影响，起到保护重要建筑的作用，建议可在类似工程中进一步加以推广。

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