高層建筑復(fù)雜環(huán)境條件下基坑變形與施工控制研究

【關(guān)鍵詞】基坑；變形；施工控制 

　　當(dāng)前，隨著我國(guó)城市建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，高層建筑越來(lái)越多，基坑工程面臨挖深加大、土方開(kāi)挖周期長(zhǎng)、基坑周邊環(huán)境復(fù)雜等諸多問(wèn)題。由于這些深大基坑一次性卸荷量大，施工工期長(zhǎng)、施工條件復(fù)雜困難，使得深基坑開(kāi)挖對(duì)環(huán)境的影響十分顯著，主要表現(xiàn)為周邊建筑、道路、地下管道和管線因地基不均勻沉降開(kāi)裂或斷裂破壞等。因此，了解深大基坑的卸荷變形性狀和產(chǎn)生的影響的基礎(chǔ)上，采取針對(duì)措施控制基坑變形，以控制深大基坑的卸荷影響和保護(hù)周邊環(huán)境是目前基坑工程中面臨的一個(gè)迫切而重要的課題。 

　　1 基坑開(kāi)挖變形機(jī)理 

　　1.1 坑底土體隆起 

　　坑底土體隆起是坑底土體原有應(yīng)力狀態(tài)因垂直卸荷而改變的結(jié)果。在開(kāi)挖深度不大時(shí)，坑底土體卸荷后發(fā)生垂直向的彈性隆起，坑底彈性隆起在開(kāi)挖停止后很快停止，這種坑底隆起基本上不會(huì)引起圍護(hù)墻外的土體向坑內(nèi)移動(dòng)，隨著開(kāi)挖深度的增加，基坑內(nèi)外的土面高度差和地面各種超載作用下，就會(huì)使圍護(hù)墻外側(cè)的土體向基坑內(nèi)移動(dòng)，引起圍護(hù)墻的變形，同時(shí)在基坑周?chē)�產(chǎn)生較大的塑性區(qū)，引起坑內(nèi)土體的塑性隆起和坑周地面沉降。尤其當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)插入深度不足時(shí)，更易在基坑開(kāi)挖深度較小時(shí)即發(fā)生基周?chē)�土體的塑性流動(dòng)，引起坑底的塑性隆起，當(dāng)塑性變形發(fā)展到極限狀態(tài)時(shí)，基坑外的土體向坑內(nèi)產(chǎn)生破壞性的滑動(dòng)，使基坑失穩(wěn)，基坑周?chē)�地層發(fā)生大量沉陷。 

　　1.2 圍護(hù)墻變形和位移 

　　基坑開(kāi)挖時(shí)，荷載不平衡導(dǎo)致圍護(hù)墻體產(chǎn)生水平向變形和位移，從而改變基坑外圍土體的原始應(yīng)力狀態(tài)而引起地層移動(dòng)�；�坑開(kāi)挖時(shí)，圍護(hù)墻內(nèi)側(cè)卸去原有土壓力，而基坑外側(cè)受到主動(dòng)土壓力，坑底墻體內(nèi)側(cè)受到全部或部分被動(dòng)土壓力，不平衡土壓力使墻體產(chǎn)生變形和位移。圍護(hù)墻的變形和位移又使墻體主動(dòng)土壓力區(qū)和被動(dòng)土壓力區(qū)的土體發(fā)生位移，墻外側(cè)主動(dòng)土壓力區(qū)的土體向坑內(nèi)移動(dòng)，使背后土體水平應(yīng)力減小，剪力增大，出現(xiàn)塑性區(qū)；而在開(kāi)挖面以下的被動(dòng)區(qū)土體向坑內(nèi)移動(dòng)，使坑底土體水平向應(yīng)力加大，導(dǎo)致坑底土體剪應(yīng)力增大而發(fā)生水平向擠壓和向上隆起的位移。墻體變形不僅使墻外側(cè)發(fā)生地層損失而引起地表沉降，而且使墻外側(cè)塑性區(qū)擴(kuò)大，因而增加了墻外土體向坑內(nèi)的移動(dòng)和相應(yīng)的坑內(nèi)隆起，墻體的變形和坑外土體向坑內(nèi)的移動(dòng)是引起周?chē)�地層移�?dòng)的重要原因。 

　　1.3 墻后地表沉降 

　　基坑開(kāi)挖的過(guò)程就是基坑內(nèi)卸荷的過(guò)程，由于卸荷引起坑底土體隆起以外，還會(huì)引起坑外土層向坑內(nèi)移動(dòng)，從而引起坑外地表沉降�？梢哉J(rèn)為，基坑開(kāi)挖引起周?chē)�地層移�?dòng)的主要原因是坑底的土體隆起和圍護(hù)墻的側(cè)向位移。當(dāng)然，地下水的滲流、軟土的流變性以及其他施工因素等也會(huì)對(duì)坑外地表沉降造成影響。 

　　2 基坑變形對(duì)建筑施工的影響因素 

　　對(duì)此問(wèn)題，筆者以實(shí)踐參與的某工程為例進(jìn)行說(shuō)明。該基坑工程設(shè)計(jì)總建筑面積為20000m2，其中地下部分3層，開(kāi)挖面積約9000m2，平均開(kāi)挖深度13.40m。基坑施工分4層進(jìn)行挖土。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻及3層鋼筋混凝土平面框架支撐體系。地下連續(xù)墻厚0.8m，深26m，按6m標(biāo)準(zhǔn)分幅。3道鋼筋混凝土支撐斷面分別為0.8mxO.8m、1.2mx1.0m、1.2mx1.0m。3道支撐中心標(biāo)高為：第1道-2.8m，第2道-7.15m，第3道-l1.3m。為保證基坑穩(wěn)定、控制基坑變形，連續(xù)墻內(nèi)側(cè)被動(dòng)區(qū)土體采用水泥攪拌加固�；�坑變形的施工影響因素主要為： 

　　2.1 開(kāi)挖深度的影響 

　　隨著開(kāi)挖深度的增加，支護(hù)墻的水平位移和正彎矩逐漸增加。其中支護(hù)墻的頂端位移在未加支撐時(shí)最大，當(dāng)?shù)趌道支撐施加之后有所減小并保持穩(wěn)定。當(dāng)土體開(kāi)挖到6m時(shí)，支護(hù)墻出現(xiàn)了最大的負(fù)彎矩；當(dāng)?shù)?道、第3道支撐加上之后，第1道支撐軸力有所減小，負(fù)彎矩也隨之減小。 

　　2.2 開(kāi)挖寬度的影響 

　　為分析基坑寬度對(duì)墻體位移的影響，將基坑開(kāi)挖寬度分別取為原值的0.5倍、1.0倍和2.0倍計(jì)算，其他參數(shù)保持不變。由計(jì)算結(jié)果得，當(dāng)基坑開(kāi)挖寬度增大時(shí)，墻體水平位移也增大，同時(shí)墻體的彎矩也有比較明顯的增大。因此，在實(shí)際工程中，為了保證墻體的安全，不應(yīng)使基坑開(kāi)挖寬度過(guò)大。 

　　2.3 支撐與開(kāi)挖順序的影響 

　　基坑開(kāi)挖有“先撐后挖”及“先挖后撐”兩種方式，前者墻后土體在約束狀態(tài)下卸載，后者是先卸載再加約束。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用后者進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，支護(hù)墻的最大水平位移明顯增加，而墻體的正彎矩有所減小，負(fù)彎矩明顯增大。 

　　2.4 基坑空間效應(yīng)的影響 

　　在基坑深度方向上，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移發(fā)生在基坑底面附近。而在沿基坑邊的方向，位移為拐角處小，中間大；主動(dòng)土壓力的分布與水平位移呈現(xiàn)出相反的規(guī)律，而被動(dòng)土壓力的規(guī)律則又反之。隨著基坑長(zhǎng)寬比的增大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)邊的最大水平位移不斷增大，空間效應(yīng)減弱。當(dāng)長(zhǎng)寬比超過(guò)一定值之后，其最大水平位移已接近于按二維平面應(yīng)變問(wèn)題分析的結(jié)果。 

　　3 基坑變形的施工控制措施 

　　3.1 基坑支護(hù)方案選擇 

　　3.1.1 鉆(沖、挖)孔樁、沉管灌注樁或鋼筋混凝土預(yù)制樁。對(duì)于5m～10m深軟土基坑常用此法作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑內(nèi)必要時(shí)再加內(nèi)支撐，如需防滲止水，則可輔之以深層攪拌樁作為止水帷幕，有時(shí)也用鋼板樁或H型。 

　　3.1.2 土釘墻技術(shù)。該技術(shù)是一種原位土加筋和強(qiáng)化的技術(shù)，對(duì)場(chǎng)地土層適應(yīng)性強(qiáng)，但該不適合在松砂土、軟土或地下水豐富的情況下使用。 

　　3.1.3 錨桿技術(shù)。該技術(shù)能為基坑開(kāi)挖提供較廣闊的空間，應(yīng)用廣泛。 

　　3.1.4 泥土攪拌樁技術(shù)。該技術(shù)是目前5m以?xún)?nèi)基坑的首選支護(hù)形式，適用于多種地質(zhì)條件，較經(jīng)濟(jì)。 

　　3.1.5 地下連續(xù)墻。基坑大于10m時(shí)或緊鄰其周?chē)�有非常重要的建筑物或其他重要設(shè)施需要嚴(yán)格控制基坑變形時(shí)，常選地下連續(xù)墻。地下連續(xù)墻既是擋土墻又兼作地下室的外墻，采用逆作法施工可縮短基坑開(kāi)挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)大面積暴露的時(shí)間，改善支護(hù)結(jié)構(gòu)受力性能，使其剛度大為增強(qiáng)，使支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及對(duì)相鄰設(shè)施的影響大為減少，從而使總造價(jià)降低。 

　　3.1.6 SMW法連續(xù)墻。該法從日本引進(jìn)，以多軸型鉆掘攪拌機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)向一定深度進(jìn)行鉆掘，同時(shí)在鉆頭處噴出水泥系強(qiáng)化劑與地基土反復(fù)混合攪拌，在各施工單元之間采取重疊搭接施工，等水泥土未結(jié)硬前插入H型鋼或鋼板作為補(bǔ)強(qiáng)材料至水泥結(jié)硬，便形成一道具有一定強(qiáng)度和剛度、連續(xù)完整、無(wú)接縫的地下墻體。該法近年來(lái)使用較多。 

　　3.2 注意應(yīng)用時(shí)空效應(yīng)原理 

　　時(shí)空效應(yīng)理論是在土體流變性的基礎(chǔ)上提出的，其施工原則是分層、分塊、限時(shí)、對(duì)稱(chēng)、平衡。即在基坑開(kāi)挖施工同支護(hù)結(jié)構(gòu)及坑周土體位移之間，存在著一定的相關(guān)性，故科學(xué)地安排土方開(kāi)挖施工順序和控制施工進(jìn)度，將有助于控制擋墻和坑周土體的位移。據(jù)基坑工程規(guī)模、幾何尺寸、支撐形式、開(kāi)挖深度和地基加固條件，提出詳細(xì)的、可操作的土方開(kāi)挖分層、分塊方案，限時(shí)開(kāi)挖時(shí)間與無(wú)支撐暴露時(shí)間，并保證每次開(kāi)挖時(shí)支撐體系的力學(xué)平衡。 

　　3.3 適當(dāng)?shù)耐馏w加固 

　　對(duì)一些基坑變形不能滿(mǎn)足要求的可適當(dāng)對(duì)相應(yīng)的土體進(jìn)行加固，例如可對(duì)基坑周?chē)�的土體注漿加固，以減少周?chē)�建筑物、管道的�?cè)移，同樣也可以對(duì)坑底土采用壓力灌漿、水泥攪拌樁、石灰樁等方法進(jìn)行基坑底土體加固，以提高基底土的強(qiáng)度，改善其變形特征。 

　　3.4 利用信息化施工 

　　一是支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)，包括支護(hù)結(jié)構(gòu)樁墻頂位移監(jiān)測(cè)、支護(hù)結(jié)構(gòu)傾斜監(jiān)測(cè)、支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)、支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)、錨桿錨固力監(jiān)測(cè)、土壓力監(jiān)測(cè)、土體孔隙水壓力監(jiān)測(cè)等。二是周?chē)�環(huán)境監(jiān)測(cè)，包括鄰近建筑物的沉降觀測(cè)、邊坡土體的位移和沉降觀測(cè)、鄰近道路和地下管線的沉降觀測(cè)、裂縫觀察、地下水位測(cè)試、邊坡土體的位移和沉降觀測(cè)�；�坑監(jiān)測(cè)可以捕捉到開(kāi)挖各工況下的信息。 

　　參考文獻(xiàn)： 

　　[1]吳瑞波.基坑中局部挖深對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全及位移影響分析[D]. 同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008. 

　　[2]劉艷軍，孫敦本.深基坑變形控制研究進(jìn)展[J].四川建筑科學(xué)研究，2011，（1）：119-123.