深基坑工程的开挖卸载将改变基坑周围土体的应力场,引起土体产生侧向位移和沉降,进而对邻近建筑物与管线等受力和变形产生不利影响,严重时会引起建筑物开裂等事故,威胁工程人员的安全,软土地区更为严重。Peck ^[1]根据芝加哥、奥斯陆等地区现场监测数据,提出了针对不同土层的墙后地表沉降与影响范围的经验计算方法。Yoo ^[2]调研了韩国首尔地区的62个深基坑工程监测数据,采用二维有限元方法分析不同围护结构类型下基坑的变形特性。侯学渊、郑刚等 ^[3,4]采用有限元数值计算方法对深基坑开挖进行模拟计算。张陈蓉、木林隆、朱晓宇等 ^[5,6,7]采用两阶段分析方法对基坑开挖引起坑外单桩、群桩的变形和受力进行理论解析推导。刘国彬等 ^[8]采用现场监测手段对基坑开挖引起周围建筑物沉降的影响进行了分析。董妍 ^[9]采用规范中平面钢架结构模型对软土深基坑双排桩支护结构的变形性状进行分析,并将规范法计算结果与实测结果对比分析,得到双排桩前后排不同的抵抗变形作用。喻卫华 ^[10]结合珠海横琴新区的基坑工程实例探讨了软土地区深基坑支护设计及施工遇到的问题。

　　 目前基坑工程中支护结构与主体地下结构相结合即“两墙合一”形式已经得到了广泛应用,尤其是软土地区开挖深度超过12m以上、地下室层数两层以上的基坑。“两墙合一”支护方式具有明显经济性,该支护方式不仅可以节省地下室外墙施工工序,减少土方开挖与回填量,同时还具备墙体刚度大、整体性好的优点,该支护形式的设计理论和设计方法已经相对成熟。但当基坑邻近建筑物开挖时,关于施工过程中“两墙合一”支护体系的受力、变形规律及基坑开挖对邻近建筑物变形影响的研究尚不成熟。

　　 上海地区地下水位埋深高,软土淤泥层厚,尤其是基坑规模的扩大和城区中心环境保护的高要求,使得基坑工程设计、施工的难度和挑战性也愈来愈高。本文以上海某“两墙合一”地下连续墙深大基坑工程为依托,结合整个地下结构施工过程中的现场监测数据,全面系统地分析了不同施工工况下基坑开挖引起的地下连续墙侧向位移、支撑内力的变化规律以及基坑开挖对坑外邻近建筑物沉降的影响,为类似基坑工程提供经验。

　　 某医院项目位于上海市闵行区漕河泾开发区,南邻钦江路,东至桂平路。拟建建筑主要包括15层病房大楼、5层门诊楼、2层医技楼和大堂、12层科研楼、2层能源中心,整个场地下设3层地下室。项目各单体及地下室主要采用框架-核心筒、框架-剪力墙及框架结构形式,基础采用灌注桩+筏板。基坑开挖面积约为2.6万m²,呈长方形,长约185m,宽约140m,围护周长约650m,普遍挖深约16.1m。基坑周围环境保护要求较高,四周均有众多地下市政管线或已建建筑,尤其是基坑北侧区域紧邻1幢8层及1幢4层的厂房,最近的厂房距地下室外墙约19m。

　　 该基坑工程场址地貌类型属于滨海平原,场地内主要由第四纪的全新世及上更新世的黏性土、粉性土、砂土组成。其中深度25m以上分布以③淤泥质粉质黏土、④淤泥质黏土以及⑤₁黏土为主的软土层,该软土具有高含水率、高孔隙比、低强度、高压缩性等较差的物理力学性质。场地内浅层地下水属潜水类型,水位埋深按自然地坪下0.5m考虑; 场地内承压水主要为⑤₂层微承压水,水位埋深的变化幅度一般在3.0～12.0m。具体地质条件详见图2典型地质剖面图。

　　 1)本基坑开挖面积非常大,挖深也较大; 2)基坑各边基本上距离红线约10m,围护施工空间相对宽裕,但场地施工用地的空间较为紧张; 3)基坑东侧、南侧、北侧均紧邻市政管线或邻近已建建筑,环境保护要求相对较高; 4)基坑主要开挖与围护影响范围内的③,④,⑤₁层土力学性质差,对围护稳定与变形不利; 5)⑤₂层为微承压水层,由于本基坑开挖深,该层承压水对基坑影响较大。

　　 考虑到本基坑的规模、周边环境保护要求及经济性等因素,本基坑采用主体结构与支护结构相结合的“两墙合一”地下连续墙作为围护结构,支撑采用三道水平钢筋混凝土支撑的整体支护方案。由于基坑北侧、东侧、南侧邻近建筑和重要市政道路管线,地下连续墙厚度设计为1 000mm; 基坑西侧为停车场,保护要求低,地下连续墙厚度为800mm。三道水平钢筋混凝土支撑截面尺寸从上到下依次为900×800,1 200×900,1 100×800。地下连续墙与支撑的混凝土等级均为C35。基坑典型围护结构剖面和支撑平面布置情况见图3、图4。

　　 由于该基坑场地紧邻市政管线和已建建筑,因此施工工序必须严格按照相关顺序进行,以减少和控制施工对周边环境的影响。基坑施工工况的主要时间节点为:工况①,2015年4月23日至5月25日,第一层(即表层)土方开挖至第一道支撑及第一道支撑的施工养护,共计35d; 工况②,2015年5月26日至7月5日,第二层土方开挖至第二道支撑及第二道支撑的施工养护,共计40d; 工况③,2015年7月6日至8月4日,第三层土方开挖至第三道支撑及第三道支撑的施工养护,共计29d; 工况④,2015年8月5日至10月5日,第四层土方开挖至坑底及底板的施工养护,共计61d; 工况⑤,2015年10月6日至11月27日,各层地下结构施工及支撑拆除,共计53d。

　　 为了确保基坑及周边建筑物的安全,本基坑施工过程中实施信息化管理,实时掌握基坑围护结构变形以及周边建筑沉降变化趋势。

　　 该基坑北侧分布有2幢建筑物,距离基坑红线较近,在施工过程中由于土体应力改变容易导致建筑物出现裂缝倾斜等危害,因此需要对基坑北侧建筑物沉降进行监测,确保建筑物安全。结合该基坑的具体特点,对地下连续墙侧向位移、支撑轴力,北侧2幢建筑物沉降及围护墙外地表沉降进行重点分析,监测点布置如图4所示。

　　 图5为不同施工工况下的基坑围护结构侧向位移变化曲线。由图5可知:1)地下连续墙侧向位移总体上均为抛物线形状,即沿深度方向地下连续墙中部侧向位移大,位于开挖面以下1～2m深度,上、下部侧向位移较小; 开挖至第二道支撑底时,最大侧向位移为35mm,位于距离地表8.6m深度左右; 开挖至第三道支撑底时,最大侧向位移为75mm,位于距离地表13.6m深度左右; 开挖至坑底时,最大侧向位移为112mm,位于距离地表17m深度左右。2)从开挖至第二支道撑底开始直到开挖至坑底,地下连续墙最大侧向位移呈不断增大的趋势; 最大侧向位移点的深度也不断地向下发展。3)位于基坑北侧长边中点处的P2,P4测点的侧向位移明显大于其余测点,这是由于基坑开挖存在空间效应,基坑北侧长边中部的变形更为不利。

　　 图6为不同施工工况时各道支撑的轴力变化曲线。从监测数据可以发现,支撑轴力的变化主要呈现为两个阶段:1)基坑开挖至下一道支撑底面的过程中,上一道支撑的内力迅速增大,在施工和养护下一道支撑的过程中,上一道支撑内力开始逐步趋向于稳定; 2)在下一道支撑架设完毕发挥作用后,上一道支撑内力基本呈现稳定状态,增加的土压力逐步由下一道支撑承担。另外,基坑开挖至坑底后,第二、三道支撑轴力明显大于第一道支撑轴力,而第二道支撑轴力又略大于第三道支撑轴力,这是由于第二道支撑所处深度的附近为③淤泥质粉质黏土与④淤泥质黏土,该两层土力学性质差,强度低,具有流变性,对围护结构的受力、变形均非常不利。

　　 图7、图8分别为北侧4层、8层厂房的沉降变化曲线。从图7中可以看出,该4层厂房的初始沉降为0～3mm,在基坑开挖的前期阶段,各测点的沉降总体上变化比较平缓。随着基坑开挖的不断推进,距离坑边较近的F6,F7,F8测点的沉降显著增大,最终沉降达到约20～25mm,这表明了建筑物距离坑边越近,基坑开挖对其沉降影响越大。由图8可知,该8层厂房沉降变化曲线总体趋势与4层厂房相近; 另外,随着基坑施工的推进,距离基坑边较近的F14,F15,F16,F17测点的沉降明显大于其余几个测点。

　　 两幢厂房沉降随着基坑施工推进经历了四个阶段:第一阶段为工况①与工况②,此时建筑物测点的沉降普遍呈平稳的趋势; 第二阶段为工况③,在该工况开挖过程中,各测点的沉降开始增大,而在支撑养护期间,坑外桩基呈现回弹现象,主要是因为上海软土地区基坑大面积开挖卸荷后造成坑底土体回弹,继而带动坑外邻近桩基上拔; 第三阶段为工况④,该工况施工过程中两处厂房的沉降继续加速增大; 第四阶段为工况⑤,该工况施工过程中沉降值增长速率开始减小,最后逐步趋于平稳状态。

　　 对于板式支护体系,可采用经验方法预估基坑开挖引起的围护墙后的地表沉降,在经验方法中取基坑开挖深度H=16.1m,最大地表沉降δ_v=0.8δ_h,其中δ_h为地下连续墙最大侧向位移。图9为地表沉降实测值与经验预估值对比情况。由图可知,地表某点离地下连续墙外墙的距离大于2倍的基坑开挖深度时,其沉降实测值与经验预估值较符合; 该点离地下连续墙外墙的距离在1～2倍基坑开挖深度内时,沉降实测值与经验预估值有较大偏差。因此,传统的沉降经验曲线并不能准确反映坑外存在邻近建筑的地表沉降情况,坑外建筑的存在会一定程度改变地面沉降曲线形式,但是在2倍基坑开挖深度范围外的地表,基坑开挖对其沉降的影响较小。

　　 (1)基坑施工过程中地下连续墙侧向位移均呈抛物线形,最大侧向位移在开挖面以下1～2m深度。由于基坑开挖存在着空间效应及基坑北侧存在桩基础建筑,使得基坑北侧长边中部的变形更为不利,最大侧向位移量达到112mm。

　　 (2)基坑开挖时,支撑轴力呈现两阶段的变化,第一阶段即施工支撑后,随着开挖的推进该道支撑的轴力迅速增大; 第二阶段为支撑进入养护工况时,上一道支撑的轴力开始趋于稳定。另外,由于场地内沿深度分布的各土层的力学性质的差异,各道支撑内力差异很大,第二道支撑轴力最大。

　　 (3)基坑北侧建筑物沉降经历了四个阶段:基本稳定、开始增大-缓慢回弹、加速增大、趋于稳定。

　　 (4)由于坑外邻近建筑的存在,在2倍开挖深度范围以外的坑外地表沉降实测值与经验预估值较符合,在2倍基坑开挖深度范围以内的坑外地表沉降实测值与经验预估值有较大的偏差。