深基坑开挖对既有高挡墙的影响分析

陈 娟

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 概述

随着地下空间的不断发展，复杂环境下的基坑工程越来越多。当基坑一侧存在山地边坡、高层建筑物时，受到的偏压作用使基坑设计更复杂，基坑及周边环境的稳定性也大大降低[1-2]。雷用等[3]通过高度为41m 的岩质顺层超限高边坡开挖对既有隧洞的影响进行了分析评价，采用桩锚对边坡进行支护设计，薛丽影等[4]对高填方边坡工程提出桩基立柱锚拉式挡土墙结构，并对其强度及稳定性进行分析，赵志刚[5]等对长沙某既有重力式挡土墙加固提出锚杆网格梁联合加固的方案。在高挡墙下开挖深基坑，高挡墙产生的偏载对基坑变形有多大的影响，基坑对高挡墙的变形及稳定性影响有多大，如何降低这种影响，目前缺少相应的理论支撑，类似工程案例及经验也缺乏。本文通过对杭州某工程实例的分析，采用有限元计算分析并结合实测数据验证了高挡墙加固方案的有效性，供类似项目参考。

2 工程概况

杭州某市政隧道临近既有重力式高挡墙施工，隧道基坑与高挡墙最小净距12.9m。

该挡墙高约8m，为浆砌块石挡墙，挡墙结构尺寸不详，经过现场探挖可知基础埋深约1.3m，由0.5m 素混凝土+0.8m 浆砌块石组成。由于挡墙的年代较久远，经过长期的风化作用，浆砌块石砂浆粘结力差，且强度低，经现场排查表面多处已出现裂缝及空鼓，且部分泄水孔已经堵塞，排水不畅。

市政隧道采用明挖法施工，基坑开挖深度23.6～27m，开挖宽度23.4～25.6m，隧道基坑围护结构采用∅1200@1000 钻孔咬合桩，桩长27.5m，采用3 道砼支撑和一道钢支撑，坑中坑采用1∶0.3放坡开挖。

拟建场区为山前斜谷坡洪积平原地貌，地层从上至下依次为：①1层碎石填土、②2层粉质粘土、④1层淤泥质粉质粘土、(20)a-1层全风化泥质粉砂岩、(20)a-2层强风化泥质粉砂岩、(20)a-3层中风化泥质粉砂岩。

场区内地下水类型主要是第四纪松散岩类孔隙潜水。孔隙潜水主要赋存于表层填土、②层砂质粉土、粉砂、淤泥中，水位一般为1.40～5.80m，相应高程1.81～7.41m，水位年变幅为1.0～2.0m。土层物理力学指标设计参数如表1所示。

表1 土层物理力学指标设计参数表

3 高挡墙加固方案

经过现场调查以及对既有高挡墙进行评估，高挡墙的整体结构基本完整，由于表面块石裂缝及空鼓的存在，需要在基坑开挖前对挡墙面层以及墙趾进行加固，提高挡墙的整体稳定性。同时需采取一定的措施减小基坑开挖变形对挡墙的影响。结合挡墙的现状条件，为尽可能减小对挡墙自身结构的影响，加固措施主要如下：

（1）全面排查挡墙块石的空鼓裂缝，采用M10的水泥砂浆填充裂隙，确保块石之间的连接强度，增加高挡墙的整体性。

（2）部分泄水孔已经堵塞失效，应提前进行疏通，已损坏的泄水孔在原挡土墙上抽芯成孔，插入100PVC管，泄水管与挡墙之间的空隙采用水泥砂浆填满。

（3）清除高挡墙原来的面层，重新施工200mm 厚C30 钢筋混凝土面板，面板钢筋通过锚钉固定在挡墙上，面板延伸至挡墙的墙趾深度。

（4）挡墙墙角外侧2m 位置跳桩法施工∅800@1200钻孔灌注桩，灌注桩顶部设置混凝土圈梁，增加整体刚度，且圈梁与挡墙基础之间采用钢筋混凝土梁连接，起到隔离变形和加固墙趾的作用。挡墙加固剖面图如图1所示。

图1 高挡墙与基坑剖面示意图

4 基坑开挖对高挡墙影响分析

4.1 计算模型

为了准确预测基坑开挖对高挡墙的影响，采用有限元软件Midas GTS NX 进行计算分析，计算模型由隧道明挖段基坑、高挡墙及周边土体组成，模型尺寸150m×52m，周边土体取基坑开挖深度的3倍范围[6]。

模型土体采用基于修正Mohr-Coulomb 破坏准则的理想弹塑性模型，模型位移约束条件：表面为自由面，两侧约束水平方向位移，底部为固定约束。土体采用2D平面应变实体单元，围护桩采用等效厚度的梁单元，基支撑采用1D梁单元模拟。计算模型如图2所示。

图2 计算模型

4.2 计算结果分析

基坑开挖到底时，两侧围护结构的水平位移如图3所示，高挡墙的水平位移、竖向位移如图4所示。

图3 基坑左侧、右侧围护水平位移图

图4 高挡墙水平、竖向位移云图

由计算结果可知，基坑两侧围护桩的水平位移值均相对较小，靠近挡墙侧围护桩最大水平位移16.6mm，远离挡墙侧围护桩最大水平位移8.5mm，可见靠近高挡墙围护桩水平位移远大于远离挡墙侧围护桩，高挡墙距离基坑12.9m，位于基坑0.7倍开挖深度的主影响区内，因此造成两侧围护结构变形差异的主要原因为高挡墙产生的约150kPa的偏载。

围护结构最大水平位移出现在10m 深度位置，因为基坑浅部以填土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土等土质地层为主，强度较低，侧向压力大，而下部为强度较高的强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩，侧向压力小，因此随着基坑开挖到底，最大变形出现在基坑上部。而且基坑围护桩结合多道混凝土支撑形成刚度较大的结构体系，对基坑变形起到很好的控制作用。

基坑开挖过程中，高挡墙基础最大水平位移2.17mm，顶部最大水平位移3.03mm，高挡墙的基础埋深较浅，对应深度的基坑围护桩水平位移7.6mm。高挡墙最大竖向沉降位移为12.15mm，且出现在靠近基坑一侧的墙角，远离基坑侧墙角竖向位移10mm，挡墙倾斜值为0.87‰，小于《建筑地基基础设计规范》要求的2‰。

由以上分析可知，高挡墙与基坑相互影响，高挡墙超载增加基坑的围护变形，同时基坑变形增加同时也会加大高挡墙的变形。在本工程中通过高挡墙加固、基坑加强支护等措施，基坑及高挡墙的变形均能控制在变形要求内。

5 监测数据分析

为了进一步确定基坑与高挡墙的相互影响，基坑开挖过程中对高挡墙、基坑分别进行水平位移和竖向位移监测，高挡墙位移监测点布置如图5所示，挡墙水平和竖向位移如图6所示。

图5 高挡墙监测点布置平面图

图6 高挡墙竖向、水平位移监测图

由图可知，由于测量误差存在，个别测点竖向位移表现为隆起。综合分析可以看出随着隧道基坑开挖深度的增加，竖向位移逐渐增加，最大竖向位移7.67mm。且竖向位移较大的监测点分别为JGC05、JGC06、JGC07，这三个测点均位于长条形基坑的中间，基坑空间效应最弱、基坑围护变形最大的位置，符合长条形基坑变形分布规律。

高挡墙水平位移分布较离散，水平位移变化范围为-3.1～5.9mm，且整体水平位移均较小，一方面由于中风化岩层开挖过程中，机械设备的振动对挡墙水平位移产生一定的影响，另一方面高挡墙的整体刚度较好，抗变形能力强，同时设置隔离桩对抵抗变形有起到一定的作用。同时以挡墙监测点JGC06对应的基坑剖面为例，靠近挡墙侧基坑围护桩的最大水平位移为17.43mm，远离挡墙侧围护桩水平位移8.66mm，与有限元计算结果基本一致。

以上实际监测位移量均满足相关要求，经过对比分析证明了有限元计算的可行性，也进一步验证了高挡墙加固方案的有效性。

6 结论

本文以杭州某隧道基坑临近既有高挡墙施工为工程背景，针对高挡墙与基坑在施工过程中相互影响这一关键问题提出相应的设计技术措施，并通过有限元与现场实测数据对比分析，验证方案的合理性，对同类型的工程案例具有一定的参考价值，得出以下主要结论。

（1）高挡墙的加固方案应以其现状评估结论为基础，采取的措施应尽量减小对高挡墙既有结构的扰动和破坏，确保其完整性和稳定性。

（2）基坑与高挡墙之间设置钻孔隔离桩，既能有效减少基坑开挖过程中高挡墙的位移，又增加了高挡墙的抗滑稳定性。

（3）隔离柱与高挡墙基础之间的刚性连接，能起到加固挡墙基础的作用，增加高挡墙基础的稳定性。

（4）高挡墙的存在会对基坑的一侧产生偏载，加强基坑围护结构刚度，并结合多道砼支撑，能加强偏载作用下基坑的稳定性同时也减小了基坑的变形。