多侧面基坑开挖与既有建筑物的相互影响分析

邢庆祝，冯仕轩，古志文

（广东省地质建设工程勘察院 广州 510080）

随着城市地下空间的不断开发建设，特别是在大规模的旧城改造，城市地下交通高速发展的背景下，基坑工程往往在密集的建筑物和复杂的地下环境下开挖。一方面基坑开挖极易导致周围临近建筑产生变形损坏，影响建筑物正常使用和其耐久性［1］；另一方面，原有的临近建筑物也影响基坑工程的设计、施工。

近几年基坑开挖与周围建筑物的相互影响问题受到了广泛关注，国内外学者对基坑开挖引起的基坑和邻近建筑物的沉降、变形做了许多研究。MANGUSHEV 等人［2］依托实际工程，通过数值模拟与实际监测结果分析，对基坑开挖过程中临近建筑物发生沉降变形的原因进行了研究，并采用有限单元法计算了加固后的临近建筑物的沉降；郑刚等人［3］通过构建模型对围护结构发生悬臂式、踢脚式、内凸式及复合式不同结构变形形式的基坑开挖对邻近建筑物的影响对比进行了分析；王浩然等人［4］以上海某具体工程为对象，通过土体硬化模型的三维有限元数值模拟和工程实测进行对比分析，研究了敏感环境下深基坑开挖时基坑变形及其对周边环境的影响；欧自珍［5］以某中密砂卵石地区建筑深基坑为例，采用有限差分软件建立分析模型，从支护结构和建筑物基础类型等2 个方面5 个因素深入探讨超深基坑开挖对建筑物沉降的影响；张治国等人［6］采用三维有限元软件建立大底盘多塔楼模型，研究了基坑开挖对邻近大底盘多塔楼变形的影响以及大底楼盘桩基和板筏的变形规律。刘睿［7］用有限元软件建立北京地铁14 号线望京站三维模型，分析了两个明挖基坑围护结构的变形规律和基坑开挖对邻近建筑物的差异沉降及侧移的影响；王雷［8］依托昆明富水地区某地铁车站深基坑开挖工程，考虑渗流影响，通过数值模拟方法对比分析了基坑分区降水开挖和整体降水开挖对邻近建筑物变形的影响；李钢等人［9］依托某桩锚支护深基坑工程，建立了深基坑支护体系与邻近建筑物的三维计算模型，结合实测数据，研究了深基坑开挖而引起的邻近建筑变形特征和沉降稳定性等问题；刘情情等人［10］通过有限元数值计算分析与现场监测两种方式对某围绕建筑物多侧面开挖的基坑工程对超临近建筑物的影响进行了分析。但是，既有的研究成果主要针对建筑物单侧有基坑的工程，对多侧面存在基坑的研究极少，特别是不是单一基坑。为研究多侧面基坑（有两个不同的基坑）开挖与周围既有建筑物的相互影响进行，本文以广州某建筑基坑为例，从设计施工难点分析讨论既有建筑物对基坑围护结构设计施工的影响，从实测的变形资料分析基坑开挖对既有建筑物沉降变形及基坑围护结构变形的影响，可为类似基坑工程的设计和科学施工提供参考。

1 工程概况与工程地质条件

既有建筑物北侧和东侧有一基坑（新建基坑1），开挖深度为10.90～12.00 m，基坑支护周长326 m。既有建筑物有一层地下室，西侧建筑边线距基坑支护边线局部仅1.8 m。既有建筑物南侧有一基坑（新建基坑2），基坑开挖深度为8.0 m，基坑周长约102 m（详见图1）。

图1 工程分布平面及基坑围护结构平面布置Fig.1 Layout Chart of Engineering Distribution and Foundation Pit Retaining Structure

场地土层（见图2）：〈1〉人工填土、〈2-1〉粉质黏土、〈2-2〉中砂或粗砂、〈2-3〉中砂或粗砂、〈3〉砂质粘性土、〈4-1〉全风化花岗岩、〈4-2〉强风化花岗岩、〈4-3〉中风化花岗岩、〈4-4〉微风化花岗岩。其中〈2-1〉粉质黏土具有高含水率、高孔隙比、低强度、高压缩性等不良地质特征；〈2-2〉、〈2-3〉中砂或粗砂，渗透系数（K）达15 m/d，属于强透水层。场地稳定地下水埋深0.40～2.20 m。

2 基坑围护结构设计方案及设计施工难点分析

新建基坑1 西侧D1F1 段采用咬合排桩+2 道支撑梁支护和止水，F1A、AB、DD1段采用排桩+2道支撑梁支护，BC、CD 段采用排桩+2 道锚索支护，采用三轴搅拌桩进行止水。新建基坑2 采用排桩+1 道支撑梁支护，采用三轴搅拌桩进行止水（见图1、图3）。

图3 支护剖面及支护结构变形曲线Fig.3 Support Profile and Support Structure Deformation Curve （mm）

设计的难点在新建基坑1西侧与既有建筑物紧邻一侧D1F1段（见图1）。该段施工空间有限，既有建筑物地下室外墙及基础承台局部贴着支护桩，局部一层地下室标高的承台与支护桩重合，支护结构施工极易对地下室产生影响。此外，从图2 可以看出该段存在较厚的强透水砂层，基坑止水设计要求高。既有建筑物原有的基坑搅拌桩长度无法满足本次开挖基坑的止水要求，且在搅拌桩区域无法开展普通搅拌桩机或三轴搅拌桩机钻进工作，若采用旋喷桩止水，该区域砂层厚，无法保证成桩及止水效果，既有建筑地下室及其基础的安全无法保证。既有建筑物地下室与新建地下室之间设计有连接通道，支护设计必须考虑通道的支护及施工工序。

针对上诉情况，经方案论证、比对后，基坑西侧D1F1 段采用咬合排桩+2 道支撑梁支护和止水。在有限施工空间内，采用旋挖桩机穿过原有搅拌桩墙，并穿过砂层入不透水层，减少了对已有地下室及基础的影响，保证基坑支护安全。对于西南侧局部一层地下室标高的承台与支护桩重合区域，采用支护桩作为局部一层地下室承台的桩基础，施工时预留在新旧地下室之间需做通道及基础（负一层标高处）的位置，提前施工咬合桩支护。在负二层地下室施工完成后，回填至负一层，施工400 mm 厚素混凝土换撑板，满足设计强度后，可采用人工凿除部分西南侧的支护桩至负一层标高，施工连接通道及承台。

3 实测的变形资料分析

3.1 围护结构深层水平位移分析

根据以往学者的研究成果，围护结构的变形形式归纳为悬臂式、踢脚式、内凸式及复合式等4 种形式［3］，并可通过控制围护结构刚度、插入深度及支撑刚度等来调整围护结构变形形式。根据工程经验和计算分析表明，悬臂排桩围护结构桩身侧移呈“倒三角”（类似悬臂式）的线性变形模式［11］；有支撑系统的排桩围护结构，随着基坑的开挖和钢支撑的架设，围护结构变形曲线由线性变化逐渐向“弓”字形（类似复合式）转化，最大水平位移发生的位置也随着下移，并且最大位移位置大约在基坑开挖深度的2/3 处［12］。

本基坑（新建基坑1）围护结构的变形形式整体看接近悬臂式（“倒三角”），最大变形量出现在顶部，与常规经验不符（见图3）。其原因主要为：①受周围建筑物影响，基坑开挖深度最大12 m，采用咬合排桩（或排桩）+2 道混凝土支撑梁支护或排桩+2道锚索支护，围护桩和支撑体系刚度很好地限制了位移的进一步发展；②下部土体土质较好也有助于减小围护结构深部变形。

3.2 既有建筑物沉降分析

根据以往的研究成果及工程经验，对于单侧面有基坑开挖的建筑物，一般是靠近基坑的建筑物产生的沉降量要大于远离基坑的一端，远离基坑一侧的建筑物甚至有隆起，建筑物产生部分倾斜。也有研究表明，当围护结构发生悬臂形式变形时，坑外地表沉降的最大值往往发生在围护结构墙边，或发生在距围护结构附近，对于邻近的建筑物，其沉降曲线挠曲曲率最大点并非发生在沉降最大点处，而是发生在距围护结构约为2.5～3.0倍开挖深度处［3］。此外，对于多侧面有基坑开挖的建筑物，有研究显示：基坑临着既有建筑3 个侧面进行开挖，既有建筑物在临基坑侧（裙房区）产生隆起变形、远离基坑侧（主楼区）产生沉降变形［10］。

本项目既有建筑物累计沉降曲线如图4所示。可以看出，此曲线形式与以往的研究成果曲线有较大不同。曲线在前25 d 迅速下降，沉降量普遍达到最大值，第26～50 d 处于沉降稳定期，之后第51～70 d 曲线逐渐回升，累计沉降量减小，甚至个别观测点发生隆起变形，之后曲线又缓慢下降，随着基坑的回填，逐渐趋于稳定。

图4 既有建筑物累计沉降曲线Fig.4 Cumulative Settlement Curve of Existing Buildings

结合本项目围护结构顶部累计沉降曲线（见图5）分析，可以看出新建基坑2 顶部累计沉降曲线走势与既有建筑物累计沉降曲线相似，前20 d 迅速下降，后缓慢回升后又逐渐下降。新建基坑1沉降曲线整体缓慢下降。

图5 基坑顶部累计沉降曲线Fig.5 Cumulative Settlement Curve of Foundation Pit Top

从图4、图5 中发现，随着新建基坑1 两个区域的先后开挖，前期（新建基坑全面开挖至4 m时）没有加剧新建基坑2 和既有建筑物的沉降，反而使其加速回升，后期，随着基坑的开挖深度加深，既有建筑物沉降曲线和新建基坑2 基坑顶沉降曲线又缓慢下降至趋于稳定。

3.3 地下水位累计变化分析

本项目基坑周边地下水位累计变化曲线如图6所示。SW7、SW8曲线显示在第35 d前，地下水位不断升高，之后逐渐下降；其他曲线整体走势先下降，后趋于稳定。第98 d、100 d，新建基坑1 西侧围护结构靠近坑底位置先后有3 处发生涌水、涌砂（发生后施工方及时组织应急堵漏抢险，并组织相关人员开展专题会议，制定专项处置方案，采用了基坑内堵漏+支护桩外侧注浆堵漏的处理方案），此时曲线有明显下降，SW4 直接遭到破坏。但对比图4、图5 可知，无论是水位的上升还是水位急速下降，曲线均没有大的变化。而在靠近涌水点1（见图1）的基坑南侧，地面发生了塌陷。分析其原因，对于桩基础的既有建筑物，短暂的地下水上升、下降对其沉降影响不大；但对于砂层较厚的未处理的土层，则因为涌水、涌砂，极易造成塌陷［13］。

图6 地下水位累计变化曲线Fig.6 Cumulative Variation Curve of Groundwater Level

4 结论

为研究多基坑开挖与周围建筑物的相互影响，依托某工程项目，从设计施工难点的角度分析讨论了既有建筑物对基坑围护结构设计施工的影响；从实测的变形资料分析探讨了基坑开挖对既有建筑物沉降变形的影响。分析探讨结果表明：

⑴ 存在较厚强透水砂层场地开展基坑支护设计，必须做好基坑止水设计，施工时需特别注意施工质量，防治因施工质量问题导致涌砂、涌水等问题，从而影响既有建筑物变形问题和基坑围护结构变形问题，或造成地面塌陷等问题。一旦出现涌砂、涌水情况，应及时组织应急堵漏抢险，并组织相关人员开展专题会议，制定专项处置方案，可采用基坑内堵漏+支护桩外侧注浆堵漏的处理方案。

⑵紧邻既有建筑物基坑设计时要考虑施工空间和原有地下构筑物的影响，采用咬合桩可以很好地解决有限空间范围内基坑支护及止水问题，但需注意两桩搭接的施工质量。

⑶对于多基坑工程场地，应合理设计基坑的开挖顺序和开挖速度，避免同时大开挖。合理的开挖顺序和速度，对既有建筑物沉降变形的影响可能不是叠加加强，反而有减弱作用。

⑷围护结构的深层水平位移变形形式受围护结构刚度、插入深度、支撑刚度及场地地质水文情况等影响，对于有支撑系统的围护结构，深层水平位移变形形式很可能更接近悬臂式，而非常规经验所认为的复合式（或“弓”字形）。

⑸水位监测数据对基坑涌水、渗水反应最灵敏，其他监测数据一般有一定的滞后性或没有明显反应。