深基坑开挖与周边既有建筑物改造相互影响研究

2021-11-13孙廉威程子聪

建筑科学与工程学报 2021年6期

颜超，孙廉威，程子聪

(上海建工集团股份有限公司工程研究总院，上海 201114)

0 引言

随着中国城市建设步伐的不断加快，一些特大城市(北京、上海、深圳等)的土地资源日趋紧张，城市地下空间开发建设的周边环境也逐渐变得复杂，在实际工程中也逐渐出现一些特殊的施工工况，如深基坑开挖与周边既有建筑物改造同时施工。为了避免两者之间的相互扰动影响，在实际施工的过程中通常将两者进行先后施工，但是施工成本偏大。因此弄清两者同步施工的相互影响，对提高实际工程的安全性和经济性具有重大的意义。

目前已有不少学者对基坑开挖及周边扰动进行了大量研究。在基坑施工对周边既有建(构)筑物影响方面，胡军等[1-4]通过数值分析、数据监测及模型试验等方法研究了基坑开挖对近邻桩基的影响，进一步揭示了在邻近基坑开挖时既有建(构)筑物桩基的响应机制；Shi等[5-8]通过解析法、试验及数值分析的方法研究了基坑开挖与邻近既有盾构隧道的相互影响，提出了相应的保护技术和控制措施；张陈蓉等[9-12]分析了基坑开挖对周边既有管线的影响，提出了相应的变形控制标准；郭亚磊等[13-17]通过数值分析等方法研究了基坑被动区土体加固对基坑变形的影响，提出了基坑被动区加固的合理范围；谭永朝等[18-19]，分析了支护结构对基坑变形及工程造价的影响，提出了不同情况下使用经济合理的支护结构。上述学者的研究主要集中于基坑开挖对周边既有建(构)筑物的单一扰动影响，而对深基坑施工与周边既有建(构)筑物改造同步进行的工况研究相对较少。本文将综合考虑深基坑开挖与周边既有建筑物改造同步进行下的相互影响机制，分析安全影响因素，以便指导施工、优化方案、保障安全。

本文基于上海体育馆、上海游泳馆改造及新建体育综合体项目，通过数值分析法，探索新建体育综合体基坑开挖与上海体育馆在不同“卸载-加载”改造次序下的相互影响，并在此基础上探讨了基坑开挖与改造施工的有利方案，以降低风险，更好地预防本工程以及未来类似工程中施工事故的发生。

1 工程概况

本项目位于上海市徐家汇区，基坑总面积约5.6×104m2，基坑开挖深度为-6.75～-12.8 m。其中，2区基坑平均开挖深度为-12.5 m，上海体育馆位于基坑东北侧，距基坑边线最近大约为3.4 m，如图1所示。

图1 工程平面示意Fig.1 Plan Schematic of Project

上海体育馆采用桩筏基础，基底埋深为室内地坪以下3.7 m，钻孔灌注桩直径为600 mm，桩长16.1 m；本基坑采用顺作法施工，普遍采用1.0 m厚地下连续墙+2道钢筋混凝土支撑的支护形式，如图2所示。

图2 工程典型剖面(单位：m)Fig.2 Typical Profile of Project (Unit:m)

本基坑场地属于古河道分布区，主要为流塑性黏体，含水量较大，压缩性高，土体力学性质较差，在基坑开挖范围内沿深度分布的土层依次为①填土、③淤泥质粉质黏土、④1淤泥质黏土、④2-1粉质黏土、④2-2砂质粉土、⑤1粉质黏土和⑤3粉质黏土。

2 有限元模型

2.1 模型简介

为了研究深基坑开挖与周边既有建筑物改造的相互影响，选取了图1中A-A截面建立二维有限元模型，如图3所示。模型坑外长度为140 m(约11倍开挖深度)，坑底以下长度为40 m(约3倍开挖深度)，基坑开挖深度为-12.5 m。模型中土体采用平面应变15节点2-D等参单元，地下连续墙及周边构筑物采用板单元模拟，支撑采用锚定杆单元模拟，其中上海体育馆上部结构均转换为实际荷载代替。

图3 有限元模型(单位：mm)Fig.3 Finite Element Model (Unit:mm)

2.2 参数选取

土体硬化(HS)本构模型是目前在基坑开挖数值分析中常用的模型之一，适用于在敏感环境下对基坑开挖进行分析[20-24]。HS本构模型土体强度采用三轴试验模量E50、三轴卸载/再加载模量Eur以及固结仪荷载模量Eoed来考虑土体在卸载/再加载条件下的性状，各刚度计算公式为

(1)

(2)

(3)

模型土体计算参数见表1。模型中上海体育馆的“卸载-加载”改造通过荷载的实施来模拟，初始荷载为实际上部结构的重力，取550 kN，结构详细计算参数见表2。

表1 土体计算参数Table 1 Calculation Parameters of Soils

表2 结构计算参数Table 2 Calculation Parameters of Structures

2.3 计算工况

由于上海体育馆在改造的过程中只是对上部结构进行局部的拆除改造，因此在计算过程中对卸载荷载取约为上海体育馆初始荷载的一半进行分析。模型共设置了17种“卸载-加载”工况，以全面体现上海体育馆在不同改造时间点进行深基坑开挖之间的相互影响，计算工况见表3，其中模型1为基础工况，即在深基坑开挖的过程中对上海体育馆不进行任何改造。

表3 计算工况Table 3 Calculation Work Conditions

3 计算分析

3.1 模型参数验证

为了确保有限元计算参数选取的合理性，根据工程实际进度，特选取表3中的模型1开展有限元计算，并将计算结果与现场监测结果进行对比。

图4、表4分别给出了围护结构侧向位移、地基梁沉降监测点的计算值与监测值的对比情况。从图4和表4可以看出，有限元计算值与现场监测值较为接近，采用该模型进行后续计算分析较为合理。

图4 侧向位移对比Fig.4 Comparison of Lateral Displacements

表4 地基梁沉降对比Table 4 Comparison of Foundation Beam Settlements

3.2 “卸载-加载”影响分析

本文主要讨论在不考虑基坑被动区加固的条件下，上海体育馆在基坑开挖过程中进行“卸载-加载”对围护结构和上海体育馆基础的影响。

图5给出了各模型工况下的结构变形曲线，从图5中可以看出：

(1)在基坑开挖至第2道支撑而未施工第2道支撑时对建筑物进行加载，围护结构的侧向位移超过了规范规定的值(模型4、模型8以及模型11)，因此这是最不利的施工工况，在施工时避免出现这一情况。

(2)结合围护结构侧向位移、建筑物桩基侧向位移以及建筑物地基梁沉降可以看出，施工完成第2道支撑后开挖至坑底前(模型5、模型9、模型12以及模型14)，施工对围护结构和建筑物的影响最小，因此基坑开挖的同时宜在完成第2道支撑后、开挖至坑底前完成建筑物的改造。

(3)虽然土方开挖至坑底再对建筑物进行“卸载-加载”未超过规范规定值(模型6、模型11、模型13、模型15、模型16以及模型17)，但是在实际施工过程中是严禁在基坑开挖至坑底时再对周边建筑物进行加载，因此本文只对这几个模型进行对比，不作为有利模型进行考虑。

对于在不同的“卸载-加载”工况条件下，当基坑施工完成第2道支撑后、开挖至坑底前完成对周边加载时，对基坑的安全更有利，因此模型5、模型9、模型12以及模型14为对基坑安全的有利模型。

从图6给出了4个有利模型下的结构位移。可以看出，4个模型在不同的工况条件下，对上海体育馆的沉降影响不大，但是对围护结构的侧向位移和上海体育馆桩基影响明显，模型12要优于其他3个模型。

结合图5和图6可以看出，基坑周边建筑物加载时间点的影响要远大于卸载时间点的影响，因此基坑开挖过程对周边建筑物进行改造时主要还是取决于建筑物的加载时间点。

图5 各模型结构变形Fig.5 Structural Deformation of Each Model

图6 各有利模型下的结构位移Fig.6 Structural Deformation of Each Favorable Model

综上所述，在基坑开挖过程中，为了更好地控制周边建筑“卸载-加载”时对围护结构和上海体育馆的影响，要注意基坑周边荷载的加载阶段，建议施工过程中宜按照模型12的施工工况进行合理施工。

3.3 影响因素分析

3.3.1 基坑被动区加固的影响

本文采用最有利模型12讨论基坑被动区加固对围护结构和上海体育馆基础的影响。

根据上海市工程建设规范《基坑工程技术标准》(DG/TJ 08-61—2018)[25]：被动区加固体的宽度不宜小于基坑开挖深度的0.4倍，并不宜小于4 m；加固体的深度不宜小于3 m。各模型基坑被动区加固工况见表5，各模型分析结果见图7～9。

表5 加固工况Table 5 Reinforcement Work Conditions

从图7，8可以看出，在基坑开挖至底时，被动区坑底加固深度对围护结构侧向位移、地基梁沉降和桩基侧向位移的影响要大于加固宽度产生的影响。随着加固深度的增加，围护结构侧向位移和上海体育馆桩基侧向位移逐渐减小，当坑底加固深度达到0.4H时，被动区加固对围护结构侧向位移和上海体育馆桩基侧向位移影响趋于平稳；被动区加固深度对地基梁沉降有一定的影响，但规律性不明显。