0 引言

随着我国城市化建设的蓬勃发展，在用地紧张的城市中心，地下空间的开发利用已成为城市交通建设的一个重要方向。然而在建筑密集的城市区域，地下交通设施建设中的深基坑开挖不可避免会改变土体位移场，导致周边建筑发生附加变形，若变形超过一定程度，建筑物将产生开裂甚至结构破坏，因而需采取有效措施保证基坑及周边建筑安全。

目前关于减小基坑开挖对周边建筑影响的设计措施研究已有不少成果。程斌等^[1]以上海地铁2号线基坑工程为背景，分析了基坑对周边建筑物产生的影响，并对一些解决方案进行了分析总结。侯胜男等^[2]通过采取桩基托换等保护措施，实现了基坑开挖阶段对某历史建筑的保护。丁勇春等^[3]通过三维数值模拟，探讨了不同基坑支护方案对基坑变形控制及周边建筑保护的有效性。龚江飞等^[4]总结了某基坑周边文物建筑的沉降规律，论述了基坑降水、施工扰动是建筑不均匀沉降的主要原因，并提出了针对性的控制措施。翟杰群等^[5]对隔离桩的作用机理、桩长取值以及隔离桩结构形式选择等进行了分析研究，并给出了隔离桩桩长、结构形式等对隔离桩实践效果的影响规律。

尽管目前关于基坑开挖变形控制及开挖对周边建筑物影响的研究已取得一定成果，但相关结论的适应性仍受到地域限制，基坑及周边建筑变形的控制措施分析还未能达到定量的要求。本文依托宁波市机场路快速干道永达路明挖隧道基坑工程，开展深基坑周边建筑保护的措施研究，为软土地区深基坑设计和周边建筑保护提供一定的参考。

宁波市机场快速干道永达路连接线工程I标段明挖隧道工程采用“地下隧道+地面辅道”形式，基坑采用明挖法施工，如表1所示。基坑开挖影响范围内有众多浅基础或桩基础建 (构) 筑物，变形控制要求很高。

本文选取其中具有代表性的市救助管理站区段和金都嘉园区段 (见表2) ，基于正交试验理论^[6]研究各设计措施对减小基坑及周边建筑变形的能力;同时对各设计措施的效能作定量化研究。

采用正交试验对围护墙插入比、围护墙刚度、坑底加固体置换率、坑底加固深度等多因素进行了分析，具体设计如下。

1) 指标选取4个指标，围护墙最大侧移 (δ_hm) 、坑外土体地表最大沉降 (δ_vm) 、周边建筑物最大沉降 (δ_vm1) 、周边建筑物沉降差 (Δδ_vm1) 。

2) 因素选取4个因素，围护墙插入比、围护墙刚度、坑底加固体置换率、坑底加固深度。

3) 水平对以上4个因素均取4个水平。

围护墙插入比定义为围护墙在桩底以下的深度与基坑开挖深度的比值。定义围护墙插入比4个水平:0.9, 1.1, 1.3, 1.5。选取围护墙厚度作为围护墙刚度变化因素。定义围护墙厚度4个水平:600, 700, 800, 900mm。

坑底加固体置换率取0.3, 0.5, 0.7, 0.9 4个水平，坑底加固深度取坑底以下3, 5.5, 8, 10.5m 4个水平。

本次正交试验采用L₁₆ (4⁵) 正交表，多出1列作为误差评估项。

1) 指标选取4个指标，围护墙最大侧移 (δ_hm) 、土体最大沉降 (δ_vm) 、周边建筑物最大沉降 (δ_vm1) 、周边建筑物沉降差 (Δδ_vm1) 。

2) 因素选取3个因素，隔离桩桩长、隔离桩刚度、隔离桩与基坑距离。

3) 水平对以上3个因素均取4个水平。

定义隔离桩桩长4个水平:15, 20, 25, 30m。定义隔离桩桩径4个水平:400, 500, 600, 700mm。

市救助管理站与基坑最近约4.5m，隔离桩与基坑的距离取1, 2, 3, 4m 4个水平;金都嘉园与基坑最近约12m，隔离桩与基坑的距离取2, 4, 6, 8m 4个水平。

本正交试验采用L₁₆ (4⁵) 正交表，多出2列作为误差评估项。

根据设计的明挖隧道基坑正交试验，利用MIDAS/GTS有限元分析软件分别建立了相应的有限元模型 (见图1～2) ，土体采用修正莫尔-库伦模型。依据基坑变形与周边建筑变形数据^[7]，并基于改进神经网络模型^[8]，采用有限元手段对土体参数进行了反分析，以获得适用于本基坑模型的土体参数。

以市救助管理站区段为例，进行了敏感性分析，结果如表3～6所示。

表中:K₁, K₂, K₃和K₄分别为对应因素所对应试验指标的平均值。极差越大，表示该因素在试验范围内变化时，对应的试验指标数值的变化越大。通过方差比与方差比临界值的对比，可以得到各因素对试验指标的影响是否显著，在什么水平上显著。查《F分布数值表》可知，可靠度为95%时的方差比临界值F_0.05=9.28，可靠度为90%时的方差比临界值F_0.10=5.39。

1) 对围护墙最大侧移的敏感性分析

由表3可知，加固深度对围护墙最大侧移影响的显著性水平 (可靠度) 在95%，围护墙厚度的显著性水平在90%。随着加固深度加深或围护墙厚度增大，围护墙最大侧移均单调递减。其他因素影响不显著。

2) 对坑外土体最大沉降的敏感性分析

由表4可知，加固深度对坑外土体最大沉降影响的显著性水平在90%时，随着加固深度加深，坑外土体最大沉降单调递减。其他因素影响不显著。

3) 对周边建筑物地表最大沉降的敏感性分析

由表5可知，加固深度对周边建筑物地表最大沉降影响的显著性水平在95%，围护墙厚度的显著性水平在90%。随着加固深度加深或围护墙厚度增大，周边建筑物地表最大沉降均单调递减。其他因素影响不显著。

4) 对周边建筑物地表沉降差的敏感性分析

由表6可知，加固深度对周边建筑物地表沉降差影响的显著性水平在95%，围护墙厚度的显著性水平在90%。随着加固深度加深或围护墙厚度增大，周边建筑物地表沉降差均单调递减。其他因素影响不显著。

1) 对围护墙最大位移敏感性分析 (见表7)

由表7可知，隔离桩桩长对围护墙最大侧移影响的显著性水平在95%，随着隔离桩桩长加长围护墙最大侧移单调递减。其他因素影响不显著。

2) 对坑外土体最大沉降的敏感性分析 (见表8)

由表8可知，隔离桩桩长及隔离桩与基坑距离对坑外土体最大沉降影响的显著性水平在95%，其中隔离桩与基坑距离影响最显著。随着隔离桩桩长加长或隔离桩与基坑距离递增，坑外土体最大沉降整体单调递减。隔离桩桩径影响不显著。

3) 对周边建筑物地表最大沉降的敏感性分析 (见表9)

由表9可知，隔离桩桩长及隔离桩与基坑距离对周边建筑物地表最大沉降影响显著性水平在95%，其中隔离桩与基坑距离影响最显著。随隔离桩桩长加长或隔离桩与基坑距离递增，周边建筑物地表最大沉降单调递减。隔离桩桩径影响不显著。

4) 对周边建筑物地表沉降差的敏感性分析 (见表10)

由表10可知，隔离桩桩径及隔离桩与基坑距离对周边建筑物地表沉降差影响的显著性水平在95%，隔离桩桩长的显著性水平在90%。各因素对周边建筑物地表沉降差的敏感性排序从高到低为:隔离桩与基坑距离、隔离桩桩径、隔离桩桩长。

随着隔离桩桩长加长或隔离桩与基坑距离递增，周边建筑物地表沉降差均单调递增 (为周边建筑物地表最小沉降更大幅度的减小所致) ;随着隔离桩桩径加大，周边建筑物地表沉降差单调递减。

1) 对围护墙最大侧移敏感性分析 (见表11)

由表11可知，隔离桩桩长和隔离桩与基坑距离对围护墙最大侧移影响的显著性水平在95%，其中隔离桩桩长影响最显著。围护墙最大侧移并不随隔离桩桩长和隔离桩与基坑距离单调变化，当隔离桩长度>20m时，其对围护墙最大侧移影响不大。随着隔离桩与基坑距离增加，临隔离桩侧围护墙最大侧移先变小后变大，该指标在隔离桩与基坑距离的各水平中，隔离桩与基坑距离4m为最优值。隔离桩桩径影响不显著。

2) 对临隔离桩侧土体最大沉降的敏感性分析 (见表12)

由表12可知，隔离桩桩长及隔离桩与基坑距离对临隔离桩侧土体最大沉降影响的显著性水平在95%，其中隔离桩与基坑距离影响最显著。随着隔离桩桩长加长，临隔离桩侧土体最大沉降整体单调递减。随着隔离桩与基坑距离增加，临隔离桩侧土体最大沉降先变小后变大，该指标在隔离桩与基坑距离的各水平中，隔离桩与基坑距离4m为最优值。隔离桩桩径影响不显著。

3) 对周边建筑物地表最大沉降的敏感性分析 (见表13)

由表13可知，隔离桩桩长及隔离桩与基坑距离对周边建筑物地表最大沉降影响的显著性水平在95%，其中隔离桩桩长影响最显著。随着隔离桩桩长加长或隔离桩与基坑距离递增，周边建筑物地表最大沉降均单调递减。隔离桩桩径影响不显著。

4) 对周边建筑物地表沉降差的敏感性分析 (见表14)

由表14可知，隔离桩桩长及隔离桩与基坑距离对周边建筑物地表沉降差影响的显著性水平在95%，其中隔离桩与基坑距离影响最显著。随着隔离桩桩长加长或隔离桩与基坑距离递增，周边建筑物地表沉降差均单调递减。隔离桩桩径影响不显著。

上文用正交试验设计方法分别对无隔离桩与有隔离桩的明挖隧道基坑设计参数进行了敏感性分析，对以上两节的分析结果进一步对比分析，如表15, 16所示。表中1, 2, 3, 4为参数的敏感性，从1到4表示参数对指标的影响越来越小，**表示设计参数对指标影响的显著性水平在95%，*表示设计参数对指标影响的显著性水平在90%。

由表15可知，加固深度对于各项指标的影响最为显著。因此，适当加大加固深度，对于控制墙身侧移、减小坑外土体沉降、减小周边建筑物沉降效果明显。围护墙厚度对于围护墙最大侧移、临近建筑物最大沉降和沉降差的影响较为显著。因此，适当加大围护墙厚度，对于控制墙身侧移、减小周边建筑物沉降效果明显。

围护墙插入比和加固体置换率对各指标的影响均不显著。由于嵌固比为0.9时，围护墙底均已进入相对好土层 (5) ₁粉质黏土层，因此围护墙插入比加大对于各项指标影响不大。正交试验结果表明增大加固体置换率，对控制变形效果不明显。

对2个区段，隔离桩桩长均为控制围护墙最大侧移的最大影响因素。对市救助管理站区段，隔离桩桩长>25m后，围护墙最大侧移减小幅度减缓;对金都嘉园区段，隔离桩桩长>20m后，围护墙最大侧移不再减小，这是因为金都嘉园区段 (5) ₁层粉质黏土层埋藏较浅，隔离桩较早进入好土层，这也表明隔离桩桩底嵌入较好土层，对控制土体变形效果较好。

市救助管理站与基坑距离最近仅为4.5m，隔离桩与基坑距离的各水平差异较小;隔离桩与基坑距离对临隔离桩侧围护墙最大侧移影响不显著;随着隔离桩与基坑边距离增加，土体最大沉降单调递减。金都嘉园与基坑最近距离为12m，隔离桩与基坑距离的各水平差异相对较大;随着隔离桩与基坑距离增加，围护墙最大侧移与土体最大沉降均为先变小后变大，该指标在隔离桩与基坑距离的各水平中，隔离桩与基坑距离4m为最优值。结合2个区段可看出，隔离桩与基坑距离在更大水平范围内对各指标的影响:隔离桩与基坑距离对各项指标影响显著，且各指标随隔离桩与基坑距离的增加并非单调变化，即隔离桩与基坑距离存在设计最优值。

隔离桩桩径对各项指标的影响均不明显，因此在保证隔离桩具备一定刚度的前提下，再增大隔离桩桩径，对控制变形效果不明显。

在实际设计中，根据变形控制要求制定的设计方案常采用一种或多种措施的结合。当施工条件受限或受经济性制约时，可能仅采用其中的部分措施，因此需对各措施进行取舍。

本明挖隧道也采取了多项控制变形措施:如在开挖深度约10m区域采用1道钢筋混凝土支撑结合2道钢支撑、适当加大围护墙插入比及刚度、对坑底土体加固、分仓施工等。本小节针对实际采取的各项设计措施，定量分析它们对变形的控制效果。

在确定变形指标后，拟定研究的设计措施，并将其量化，包括对常规方案的量化和对加固方案的量化;之后拟定措施施加方案;最后通过分析各项指标得出各项措施的变形控制效果。

1) 变形指标与采用的设计措施

选取以下指标围护墙最大侧移 (δ_hm) 、坑外土体最大沉降 (δ_vm) 、周边建筑物最大沉降 (δ_vm1) 、周边建筑物沉降差 (Δδ_vm1) 。

根据实际设计情况，选取5种设计措施研究，如表17所示。

利用800mm厚地下连续墙将长条形基坑划分为多个区段，对划分后的区段进行“跳挖”，待前一个区段施工完顶板后，再进行下一区段的开挖。分仓施工建立的模型如图3所示，实际建模时，明挖隧道的长度取为200m，由周边建筑物中心向两个方向各延伸100m，采用800mm厚连续墙将明挖隧道划分为8个25m的区块;依次开挖1～4区。

2) 设计措施施加方案

从常规方案开始，逐渐施加设计措施并且每一个算例只施加1种措施，通过与上一算例的对比，得出该设计措施下各指标的变化情况，如表18所示。

1) 各设计措施施加步序下的变形指标

各设计措施施加步序下的变形指标如表19, 20所示，不考虑各措施的耦合作用，将每一步序下指标与上一步序的减小值与指标总体减小值相比，可得该设计措施对变形减小的贡献率。

2) 设计措施变形控制效果汇总

将上述分析结果进行汇总如表21所示。表中1～5为参数对指标的影响程度，从1到5表示参数对指标的影响程度越来越小，**表示设计参数可将指标减低至20%以上，*表示设计参数可将指标减低至10%以上。

对5种措施综合对比可知，支撑道数和坑底加固对指标的影响最大，除金都嘉园区段支撑道数对周边建筑物沉降差的影响外，影响程度均在20%以上。分仓施工对指标的影响较大，除市救助管理站区段对坑外地表沉降、金都嘉园区段对土体沉降和建筑物最大沉降的影响外，影响程度均在20%以上。围护墙厚度对指标的影响相对较小，但其对桩身最大侧移、周边建筑物最大沉降及沉降差的影响仍在10%以上。较于以上4种措施，围护墙插入比对指标的影响最小，仅市救助管理站对坑外地表沉降的影响在10%以上。

因此对于明挖隧道基坑，为最大限度地减小坑外土体变形，最宜采取增加支撑道数、对坑底土体加固或分仓施工的方案，其次为适当加大围护墙厚度方案。而在围护墙插入深度能满足基坑稳定性要求的前提下，再增加围护墙插入深度，对控制变形影响不大。

1) 无隔离桩的各设计参数敏感性分析表明，增大围护墙墙厚和土体加固深度，可有效减小围护墙最大侧移、控制坑外土体沉降、减小周边建筑物地表沉降及沉降差。围护墙插入比和加固体置换率对各项指标的影响均不显著。当围护墙底均已进入相对好土层时，增大围护墙插入比对控制变形效果不明显;增大加固体置换率，对控制变形效果不明显。

2) 有隔离桩的各设计参数敏感性分析表明，隔离桩桩长及隔离桩与基坑距离对各项指标的影响均较显著。隔离桩桩长为控制围护墙最大侧移的最大影响因素;隔离桩与基坑距离对各项指标影响显著，但各指标随与基坑距离并非单调变化，隔离桩与基坑距离存在设计最优值。隔离桩桩径对各项指标的影响均不明显。

3) 对支撑道数、围护墙插入比、围护墙墙厚、坑底加固和分仓施工5种措施定量分析结果表明，支撑道数和坑底加固对各指标的影响最大，其次为围护墙墙厚和分仓施工，围护墙插入比对各指标的影响最小。为减小坑外土体变形，最宜采取增加支撑道数、土体加固方案，其次为分仓施工或加大围护墙墙厚。