基坑相邻分区同时施工的可行性分析及设计

2020-04-24贺翀

建筑施工 2020年1期

贺翀

上海申元岩土工程有限公司上海 200011

近年来，随着地下空间开发利用的力度逐渐加大，地下室的面积和深度也同时扩大。但是在基坑面积和深度增大的同时，也存在基坑危险性增加、基坑变形增大、基坑对坑外的建（构）筑物影响加大等不利影响。为保证基坑自身和周边环境的安全，当某一基坑的面积和深度达到一定界限，或者基坑邻近重要保护对象时，需要采用中隔墙将一个基坑分割成几个分区，进行分坑开挖。考虑到中隔墙的受力情况及基坑整体变形控制，一般要求一个分区的地下室结构施工完成后，再开挖邻近的分区。但考虑工期等因素，部分工程需要加快地下室施工进度，本文探讨的即为基坑相邻分区同时施工的可行性及设计要点。

1 基坑相邻分区同时开挖的可行性分析

1.1 基坑相邻分区同时异步开挖施工工况分析

由上文介绍可知，2个相邻分区有多种施工顺序。其中，一个分区地下室结构施工完成之后再开挖邻近分区，从支护结构的受力角度分析较为安全，但是不利于工期的安排。

陈萍等[1]探讨了2个间距较小的相邻基坑同时开挖的可能性，但是对于同一个基坑的相邻分区，在基坑深度比较深的情况下，中隔墙两侧施工难以做到完全同步，容易对中隔墙造成不平衡推力。另外，相邻分区同时同步开挖，2个分区同时开挖到底后，暴露面积和未分区的情况相同，仍然会造成基坑内较大的隆起变形，加剧围护结构变形和对周边环境产生影响，即失去了分区施工的意义。此种工况虽然有利于工期安排，却不利于基坑安全。

因此，本文探讨一种既能确保基坑安全，又有利于工期安排的施工工况：一个分区首先开挖，待其底板浇筑完成，有效控制坑内土体隆起后，再开挖中隔墙侧的另一个分区，即2个相邻分区同时施工，异步开挖。过往的此类项目主要关注中隔墙和换撑体系的受力和变形情况，笔者认为，外侧和内侧支护墙、支撑和立柱体系也要进行专项的设计。

1.2 基坑整体及中隔墙可能的位移情况分析

对于基坑的整体位移，先开挖分区在开挖阶段的围护结构变形与单独的基坑开挖变形趋势类似。但是在回筑阶段，由于相邻分区开始开挖，中隔墙一侧的土压力降低，故基坑有整体向中隔墙一侧偏移的可能。

对于中隔墙的位移，范凡等[2]经过对某基坑的实测分析表明：中隔墙在先开挖分区的开挖和回筑工况下，变形不断增大；后开挖分区开挖后，中隔墙的变形又不断减小。中隔墙的位移与基坑的形状、分区的面积、基坑的深度、施工工况、结构地下室的刚度等多种因素有关，还需要经过计算综合分析。中隔墙的位移可能会导致后开挖基坑的支撑体系刚度减小、立柱体系稳定性降低，因此对于本文所讨论的施工工况，应该从中隔墙内力、支撑、立柱、换撑体系等多方面进行针对性的设计。

2 基坑相邻分区同步开挖的设计要点

2.1 中隔墙设计要点

对于一般围护结构的内力计算，采用竖向弹性地基梁法，迎土侧受到水土压力，迎坑侧的支撑作为弹簧支座。对于本文所讨论的工况，中隔墙由一侧受力变成两侧受力。地下连续墙等围护结构的设计要按照不同的工况，耦合以后取配筋的最大值。本文对后开挖分区施工时的地下连续墙进行计算，中隔墙采用连续梁的模式，先开挖分区已施工的地下室底板及各层结构楼板作为中隔墙受荷过程的支座，采用弹性支座，基底以下地下连续墙按2.0 m一段划分（图1），土弹簧刚度随着土层的变化调整。

图1 计算模型示意

以上海地区典型土层为背景，分别对比地下2、3、4、5层地下室4种情况。中隔墙受力计算采用上述模型，对于面向先开挖分区一侧的弯矩，上述4种情况的中隔墙在后开挖分区施工时，与先开挖分区施工时的弯矩比值由75%渐变到65%（图2），而且弯矩最大值的区域相近，因此该侧的地下连续墙主筋可以不增加。

图2 中隔墙最大弯矩对比

面向后开挖一侧的弯矩为先开挖分区施工时的50%，但是两者弯矩最大值的区域不同。在中隔墙两侧开挖的工况下，墙背侧的最大弯矩位于坑底以上，但是在先开挖分区的工况下，墙背侧弯矩最大值的区域在坑底附近。该侧的地下连续墙在坑底以上区域的主筋数量应该相应增加20%～30%。

在两侧异步开挖的工况下，地下连续墙受到的剪力大幅增加，在楼板支座处的剪力甚至增加了50%，该区域的抗剪钢筋数量也应相应增加。

以地下5层地下室为例，中隔墙采用宽1.2 m地下连续墙，对比了中隔墙在不同工况下的内力包络曲线（图3）。其中：实线为先开挖分区施工时中隔墙的弯矩及剪力曲线；虚线为后开挖分区施工时中隔墙的弯矩及剪力曲线。

图3 弯矩、剪力对比示意

另外，考虑到后开挖分区可能整体向中隔墙一侧偏移，在远离中隔墙的一侧，应加强坑内加固的设置，减小该侧围护结构向坑内的变形。

2.2 支撑体系设计要点

相对于中隔墙，支撑体系分为垂直于中隔墙的支撑和平行于中隔墙的支撑。垂直于中隔墙的支撑所受到的影响，主要为支点由于中隔墙的位移而引起的松动。平行于中隔墙的支撑所受到的影响，主要为由于整体向中隔墙方向的位移，增加了平面内的夹角与弯矩，造成了支撑刚度的降低。

2.2.1 垂直于中隔墙的支撑的刚度折减

在传统的支撑弹性支点刚度计算中，考虑的条件有2种：一种是基坑两侧条件相近，为对称开挖；另一种是一侧土压力较大，另一侧土压力较小，甚至为已建成地下室，为非对称开挖。考虑支撑与围护结构的夹角，对DG/TJ 08-61—2018《基坑工程技术标准》中的支撑刚度计算公式进行适当调整，得到：

式中：kR——支撑轴向弹簧刚度；

λ——不动点调整系数，对称开挖时取0.5，非对称开挖时，土压力较大一侧取1.0；

αR——与支撑松弛有关的折减系数；

E——支撑材料的弹性模量；

A——支撑截面积；

L——支撑构件长度；

s——支撑间距；

θ——支撑与围檩的夹角。

可见，对于后开挖分区，当中隔墙的另一侧地下室施工完成时，不同区域的支撑刚度相差1倍。众多设计人员对上述公式进行了研究。姚爱军等[3]提出基坑两侧产生不对称的沉降和位移后，支撑系统随着不对称的位移，加剧了偏心受压，降低了支撑配筋的安全系数。葛帆等[4]讨论了用迭代的方法计算非对称基坑中支撑刚度的方法，说明基坑两侧的位移对支撑刚度有较大的影响。王飞阳[5]探讨了对于非对称基坑，由于基坑发生了整体偏移，土压力较大的一侧，支撑刚度降低了近80%，土压力较小的一侧支撑变成了拉杆。

上述的研究模型为基坑两侧的荷载有明显差别，导致基坑整体向荷载较小的一侧发生明显的偏移。但是在本文讨论的工况下，基坑两侧为整体平衡的状态。上海市不同深度、面积后开挖分区的围护侧向变形统计如表1所示。

可见，平行于中隔墙的围护结构的位移与其他侧的差别为6.6%～20.0%。在同一施工工况下，可以推断垂直于中隔墙的支撑刚度与其他支撑相比确实发生了下降。当计算某点的支撑刚度时，可以通过调整λ值对支撑刚度进行折减。

表1 围护结构侧向位移统计

2.2.2 平行于中隔墙的支撑的刚度折减

支撑杆件除受到轴向压力外，还同时受到水平向和竖向的弯矩，为偏心受压构件。水平向为支撑杆件斜交产生的弯矩，竖向为支撑自重产生的弯矩。同时还有由于施工偏差导致的初始偏心距。但是在本文讨论的工况下，还应考虑其他附加影响。

陈焘等[6]通过实测数据表明：在立柱隆起较大的区域，支撑竖向偏压增加，导致支撑轴力增大，支点刚度降低；同理，平行于中隔墙方向的支撑，由于支撑整体向中隔墙偏移，偏心距增加，支撑刚度随之降低。在支撑配筋和支撑支点刚度的计算中，应考虑上述部分的影响。首先按照本文2.1节所述，在两侧异步开挖的工况下，采用连续梁模式计算出中隔墙的附加变形量Δ，再将此附加变形量Δ计入相应的支撑杆件的偏心弯矩进行计算（图4）。

图4 支撑偏移模型计算示意

在本文讨论的施工工况下，应该在降低支撑的刚度后，再计算围护结构的变形。由上文可知，中隔墙一侧的位移会直接影响到支撑的刚度。当支撑长度为L，支撑杆件由中隔墙变形发生的附加变形量为Δ时，支撑与地下连续墙的夹角增加了θ，根据公式（1），与无附加变形的支撑相比，支撑刚度的降低为：

因此，增加中隔墙的刚度，在中隔墙先开挖一侧增加临时斜撑，进而减小中隔墙的位移Δ，可以减小支撑刚度的损失[7-9]。

2.2.3 中隔墙两侧支撑对称布置

在后开挖分区的开挖过程中，上部几层土开挖时，先开挖分区还处于支撑体系的状态，因此中隔墙两侧的支撑，在平面布置和水平高度上都要对称设置，以减小中隔墙受到的剪力和弯矩。

2.3 立柱体系设计要点

格构柱作为竖向承重构件，根据其受力特性应按照双向偏心受压构件进行稳定性验算和强度验算。其中，立柱的轴力为上部各道支撑所产生的恒荷载和活荷载，偏心弯矩考虑由于施工偏差导致的立柱双向的附加弯矩。对于本文讨论的后开挖分区的格构柱，还受到由于支撑体系整体向中隔墙位移，引起格构柱的水平位移，增加了格构柱的偏心弯矩这一影响。在立柱的设计中，应预先考虑上述偏心弯矩的影响。对GB 50017—2017《钢结构设计规范》中的支撑刚度计算公式进行适当调整，得到：

式中：N——立柱的轴向压力；

Φx——轴向受压构件的稳定系数；

A——构件截面积；

f——钢材抗拉强度；

βmx、βty——等效弯矩系数；

Mx、My——对x轴和y轴的最大弯矩；

W1x、W1y——对x轴和y轴的截面模量；

——系数，，这里的λx为格构柱长细比；

MΔ——由中隔墙位移引起的格构柱的附加偏心弯矩。

考虑立柱的施工控制垂直度为1/200，计算高度取最后一道支撑到底板的距离4～5 m，初始偏心距可取20～25 mm。再考虑中隔墙方向的偏心距Δ，格构柱的稳定性安全系数降低了15%，强度安全系数降低了5%。因此在设计中要考虑由于中隔墙位移Δ引起的格构柱稳定性和强度降低，增大角钢的型号或减小缀板的间距，进而降低角钢的长细比，避免格构柱失稳。

2.4 换撑体系设计要点

换撑体系设计时，首先应对中隔墙两侧的施工工况进行预估，详细分析中隔墙两侧开挖及回筑的最不利工况。在先开挖基坑跨度最大的位置设置斜换撑（图5），一方面可以控制中隔墙的位移及内力，有利于中隔墙的钢筋配置；另一方面减小支撑的整体偏移，增加支点刚度。

图5 斜换撑示意

本文对比了地下4、5层这2种地下室。其中，地下4层深度20 m，采用厚1.0 m的地下连续墙结合4道混凝土支撑。地下5层深度24 m，采用厚1.2 m的地下连续墙结合5道混凝土支撑。分别计算上述2种地下室在中隔墙设置斜换撑和不设置斜换撑时的情况：在增加斜换撑的情况下，中隔墙背侧弯矩比不设置斜换撑降低了37%、25%，剪力降低了27%、25%，中隔墙的附加变形降低了40.0%、27.5%。可见，设置斜换撑相当于在中隔墙上增加了一个刚度稍弱的支座，可以极大地改善中隔墙的受力情况，而且对于较浅的基坑作用更加明显。

3 工程实例分析

3.1 工程概况

通过研究上海市某基坑，验证上述结论。

该工程为4层地下室，分为多个区施工。围护采用地下连续墙结合5～6道钢筋混凝土支撑，中隔墙也采用地下连续墙。

本次选取其中2个共墙的分区进行分析。2个基坑的面积都为10 000 m2，开挖深度24 m，中隔墙为深50 m的地下连续墙，采用5道钢筋混凝土支撑。施工工况为先开挖分区底板施工完成后，后开挖分区开始开挖第1道支撑以下的土方（图6）。

图6 开挖初始工况

3.2 围护体系变形分析

图7、图8为中隔墙在后开挖分区基坑施工阶段的侧向位移曲线，选取的中隔墙不同位置的2个点的变形规律是极为相似的（图9）。从后开挖分区开始施工至浇筑第5道混凝土支撑，中隔墙持续向先开挖基坑方向位移，平均位移为4 mm，占中隔墙总位移的5%。在后开挖分区继续向下施工，挖除最后一层土并施工垫层阶段，中隔墙的位移略有减小，平均减小了2 mm。最后，在底板浇筑过程中，中隔墙的位移又略有增加。

综上，由于共墙分区同时异步开挖导致的中隔墙平均附加变形为0.017%H（H为基坑深度），说明此种施工方式是可行的。

后开挖分区平行于中隔墙一侧的平均侧向位移和2个垂直于中隔墙一侧的平均侧向位移均为75 mm，为0.31%H（H为基坑深度），可见其他几侧围护结构的变形也是可控的。

图7 监测点1中隔墙侧向位移曲线

图8 监测点2中隔墙侧向位移曲线

图9 中隔墙侧向位移最大值变化曲线

3.3 支撑体系变形及受力分析

本文分别对比了垂直于中隔墙的支撑刚度，平行于中隔墙的支撑刚度以及根据实测轴力计算出来的支撑刚度，如表2所示。

表2 各道支撑体系计算刚度与实测刚度对照

通过上述对比分析可见：平行于中隔墙的支撑计算刚度与实测刚度基本吻合，平均误差仅为2%，最大误差为25%；而垂直于中隔墙的支撑计算刚度与实测刚度差别较大，约50%，这是因为在理论计算中，考虑该侧围护结构整体向中隔墙发生较大的偏移，实际并未发生此种情况，造成该侧支撑刚度被低估。因此，在垂直于中隔墙的剖面设计计算中，支撑刚度的参数输入与其他侧相比，不需要进行大幅折减。

目前，该工程已经顺利完成，支护结构自身和周边保护对象的变形都在规范允许的范围之内，证明此种基坑相邻分区同时异步开挖的工况是可行的。