软土地区紧邻建筑物的大型深基坑支护技术

余成书 张 旭

1. 中铁一局集团有限公司 陕西 西安 710054;2. 同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 上海 200092

在基坑工程领域，我国已进入了跨越式发展阶段。一方面，基坑工程的规模越来越大；另一方面，基坑工程向超深方向发展。

同时，城市的环境条件日趋复杂，基坑周边建（构）筑物密集、管线繁多、地铁纵横交错，基坑工程需满足严格的变形控制要求，由基坑开挖引起的环境保护问题日益突出[1]。

在楼群密集区，时常遇到要开挖的新基坑与已有的建筑物距离很近，且新开挖的基坑深度大于周边地下室深度的情况。在开挖这类基坑时，坑边土体的变形及周边建（构）筑物的变形成为了关注的重点。这不仅要了解基坑开挖影响范围内土体的分布状况，还需了解周边建（构）筑物的结构形式、基础形式、使用的要求等，以便合理地确定变形控制指标。

若周边建（构）筑物基础形式为天然地基上的独立基础，建筑物的上部荷载均作用于浅层地基上，则对开挖较为不利。

若周边建（构）筑物基础形式为桩基础，理论上，周边建（构）筑物上部荷载通过工程桩传至深层土体，不会对基坑产生额外荷载。但同时也应考虑因基坑开挖卸荷引起坑边土体向坑内变形时，对周边建（构）筑物工程桩侧向稳定性的影响。

在我国的沿海、沿江地区，其工程建设影响深度范围内普遍存在一定厚度的软土。软土一般具有含水量高、抗剪强度低、压缩性高、流变性显著等特点，基坑开挖难度大。这对基坑支护结构的安全性、变形控制提出了更高的要求。

本文以平潭高铁站前城市综合体项目深基坑工程为背景，采用数值计算的方法研究了紧邻建筑物基坑支护的设计方法，并通过基坑监测结果分析基坑的变形规律，以期能够得到基坑支护体系、周围建筑物和土体的受力和变形特性，从而为类似基坑开挖的设计、施工、监测等作业提供参考。

1 工程概况

平潭高铁站前城市综合体项目位于福建省平潭高铁站西侧，用地面积约21万 m2。地上为多栋多层建筑，地下设置1层整体地下室、局部设2层地下室，基础形式为桩基础＋防水板。2层地下室区域基坑开挖深度为11.06 m，1层地下室区域基坑开挖深度普遍为7.46 m。

本工程分两期施工，一期基坑整体呈┨形，东西向最大尺寸400 m，南北向最大长度465 m。基坑周长约1.8 km，开挖面积约14万 m2。

基坑南、北、西三侧为规划道路，需考虑基坑开挖与道路施工交叉作业。基坑东面紧邻已建高铁站房，站房为地上多层建筑，无地下室。基坑支护结构均不可进入周边道路路基与建筑地基。

场地地貌属海积平原，土层厚薄不一，基坑开挖影响范围土层由上至下依次为素填土、淤泥质土、粉砂、黏土、淤泥质土、强风化花岗岩（砂土状）、强风化花岗岩（碎块状）。

基坑开挖深度影响范围内土体软弱、力学强度低，土层厚薄不一，起伏大。场地地下水丰富，素填土主要接受大气降水及含水层侧向径流补给，该层透水性、富水性一般，水量一般。淤泥质土和黏性土的透水性较差，富水性较差，表现为相对隔水层。粉砂层含水层透水性中等，富水性中等。

2 基坑支护总体设计

根据工程条件与设计条件，通过多方案技术与经济性对比分析，确定本基坑工程的总体支护模式为：场地开阔区域采用放坡的开挖模式；地下1层区域采用灌注桩加1道内支撑的支护模式；地下2层区域采用灌注桩加2道内支撑的支护模式。支护模式布置如图1所示。

图1 基坑支护总体布置

止水帷幕沿周边闭合，桩体穿透高渗透性的粉砂层，进入其下相对不透水层不小于2 m。坑内设降水管井，1层地下室区域降水管井间距30～40 m，2层地下室区域降水管井间距约20 m。基坑外沿设排水沟，排除坑内地下水，防止雨季地表汇水流入基坑。

3 紧邻建筑物处基坑支护技术

3.1 支护模式

基坑东侧的高铁站房基础形式为桩基承台，承台及基础拉梁顶标高均为－0.10 m。此处基坑开挖深度为9.76 m，坑底位于淤泥质土层及粉砂层。基坑开挖面距东侧已建高铁站房基础边缘仅4.2 m，距站房2层挑梁边缘仅1.9 m，基坑支护结构施工空间狭小。站房为本基坑工程需重点保护的建筑，基坑安全等级为一级。

支护结构必须有足够的嵌固深度，以满足基坑稳定性的要求[2]。对于深厚软土基坑，应特别重视抗隆起和整体稳定的验算，支护结构的嵌固深度一般要求进入相对较好的土层且不少于1 m。本处基坑侧壁结构采用φ1 000 mm@1 200 mm钻（冲）孔灌注桩，桩端嵌于强风化花岗岩层方可满足坑底抗隆起和稳定性的要求，支护桩长约32 m。通常止水帷幕优先采用搅拌桩来实现，但搅拌桩机械较大，无法进入狭小区域施工，故此处止水帷幕选用φ800 mm@550 mm高压旋喷桩。为控制基坑变形，保护站房结构，采用φ800 mm@600 mm高压旋喷桩进行坑内裙边加固，加固平面宽度为5 m，加固深度为坑底之下5 m，水泥掺量为25%，坑底之上3 m为低掺量回掺区，水泥回掺量为12%。因支护结构不可进入站房地基内，故锚杆不可用，需设置内支撑。本基坑工程面积超大，若采用水平内支撑方式，则存在支撑过长、传力效果不佳、支撑量大等问题。故采用盆式开挖方案，支撑采用竖向斜撑，规格为2φ609 mm×16 mm钢管支撑，支撑间距约8 m，支撑牛腿设于先期施工的基础底板上。由于基坑开挖深度大，仅设1道支撑，为减少基坑变形，在钢管支撑拆除前设置H400 mm×400 mm型钢换撑。

此处基坑开挖总体上分3阶段进行。第1阶段为坑边留土放坡阶段。施工内容包括：止水帷幕、土体加固、支护桩、立柱桩施工，坑边留土1∶2两级放坡，远处基础底板、支护桩顶冠梁施工。第1阶段施工状态如图2所示。

图2 基坑开挖阶段1

第2阶段为坑边留土开挖阶段，施工内容包括：架设钢管支撑，开挖坑边留土、施工剩余基础底板及底板传力带，施工型钢换撑。第2阶段施工状态如图3所示。

图3 基坑开挖阶段2

第3阶段为钢管支撑拆除阶段，施工内容包括拆除钢支撑，地下室结构施工，基坑侧壁土方回填，拆除型钢换撑。第3阶段施工状态如图4所示。

图4 基坑开挖阶段3

基坑稳定性分析采用同济启明星深基坑支挡结构设计计算软件进行计算，主要稳定性指标计算结果如表1所示。

表1 基坑稳定性分析指标计算

3.2 数值分析

基坑支护结构与周边环境是一个相互作用的系统。数值分析方法可有效地考虑相关范围地基土的分层情况和土的力学性质、土层开挖和支护结构支设的施工过程及周边建（构）筑物存在的影响等，模拟分析基坑的变形和受力状况。分析结果可为评判基坑安全与土方开挖对周边环境的影响提供有力的数据支撑。本节采用Plaxis软件对该支护模式进行补充分析。该程序能够模拟复杂的工程地质条件，配合比奥固结理论，模拟软土地基的基坑问题，分析固结过程中的沉降、有效应力、侧向位移及超静孔隙水压力等问题[3]。

3.2.1 土体模型

土体硬化模型是Schanz等[4]提出的一种以塑性理论为基础的双屈服面模型。该模型的应力-应变关系采用Kondner[5]建议的双曲线形式。它的弹性部分采取了合理的双刚度，考虑了土的变形模量随着围压增大而提高的现象，塑性部分采用非相关联流动法则和各向同性的硬化准则，较好地描述双曲线形式的应力-应变关系和土体的剪胀性。土体硬化模型可较好地反映应力路径对土体力学性质的影响，且考虑了土体模量的应力水平相关性，能较好地预测坑壁侧移、地表沉降以及支护结构的内力[6]。计算中的土体参数大部分根据岩土勘察报告，变形模量则利用地质报告所提供数值并根据土体的应力状态进行调整。

3.2.2 计算模型

根据软件内置的材料模型并结合实际情况，对支护结构、建筑物采用Plate单元模拟；支撑系统采用Anchor单元模拟。根据弹性力学理论，本基坑支护结构体系可归为平面应变力学问题。为减小模型边界对模拟结果的影响，必须采用足够尺寸的计算模型。根据基坑的开挖深度，本次模拟的计算范围如下：深度为60 m，水平向100 m。同时对模型边界进行约束，左右两侧进行X向约束，下侧进行Y向约束。采用15节点三角形单元模拟土体，单元网格角度多数在45°～75°间，网格划分质量较高。

钢管支撑拆除是本基坑工程较为危险的工况，支撑拆除后围护结构及土体的变形趋势见图5。可见由于基坑内土方开挖卸载，坑外土体有向坑内变形的趋势，坑底土体向上隆起，支护桩受其后方土体主动土压力的作用，桩身向坑内弯曲变形。周边建筑工程桩桩端位于相对稳定的强风化花岗岩层，桩端位移较小，桩身和上部结构微倾斜。

图5 拆除钢支撑后土体变形趋势（放大20倍）

钢管支撑拆除后土体的总水平位移如图6所示，可见坑底上下各一半坑深范围内土体水平位移最大，约38 mm，站房下部土体水平位移约25 mm。

图6 拆除钢管支撑后水平位移云图

高铁站房工程桩桩身位移如图7所示，桩身位移接近线性变化，桩端位移小，可忽略不计，桩顶位移最大值25 mm。总桩长约33 m，桩身倾斜率约0.76/1 000，小于2/1 000，可见该围护模式可以有效地保护站房基础。

图7 高铁站房工程桩水平位移示意

3.3 信息化施工

此处基坑安全等级为一级，必须对基坑施工全阶段进行监测。基坑施工进度应结合监测结果动态调整，信息化施工。实际基坑开挖顺序以基础底板后浇带区格为单位，由北向南逐步推进。即每开挖一个区格，随即抢浇该区格底板，形成底板传力带，待变形稳定后再开挖下一区格。此施工次序的安排避免了土体一次开挖量过大，缩短基坑大面积同时暴露的时间。

据GB 50497—2019《建筑基坑工程监测技术标准》[7]相关规定，此处支护结构主要监测项目的报警值如下：支护桩顶部水平位移累计为30 mm，变化速度为3 mm/d；深层水平位移累计为45 mm，变化速度为2 mm/d；坑外地表沉降累计为35 mm，变化速度为3 mm/d。

根据监测结果，支护桩顶部水平位移最大值18 mm，站房建筑沉降最大值仅3 mm，可以满足建筑物地基变形的允许值要求。典型深层水平位移监测结果显示深层水平位移曲线呈凸向坑内的鼓肚形，随着基坑开挖变形逐步增大，最大位移发生在开挖面附近，最大位移值为38 mm，约为基坑开挖深度的0.4%。

可见，当施工顺序合理时，基坑变形实测值与数值分析结果较为吻合，主要监测项目的结果均能控制在规定的变形允许值之内，基坑变形控制效果较好。基坑支护结构能对站房建筑提供有效的保护能力，基坑也未出现流砂、管涌、隆起、滑移等险情。

4 结语

本文以开挖深度为9.76 m的福建平潭高铁站前广场深基坑为例，采用Plaxis岩土工程有限元计算软件对其基坑支护体系进行数值分析，并将分析结果与监测数据对比，得出如下结论：

1）软土地区紧邻建筑物大型基坑工程，可以采用“排桩＋竖向钢斜撑”的支护模式来实现。该支护模式能在场地空间狭小处施工，支护体系刚度可靠、支撑工程量少，能够较好地保护周边建筑的安全，具有很好的社会和经济效益。

2）通过Plaxis有限元计算软件并采用土体硬化模型，能较好地模拟软土地区基坑开挖过程中土体的变形规律。

3）合理的施工次序对基坑变形的控制很重要。基坑监测结果可验证基坑设计、施工方案的正确性，为实现信息化施工提供数据支撑，使施工过程处于受控状态。可为同类基坑工程的设计、施工提供参考。