摘要：通过对某医院传染科门急诊科病房楼基坑围护设计方案的介绍，探讨了“两墙合一”地下连续墙作为主体结构承重体系的设计方法；以及在主体结构楼板缺失的情况下，如何采取有效措施使地下连续墙满足正常使用受力状态的要求。同时针对本工程地处上海闹市中心，场地狭窄且周边环境复杂的特点，阐明了在进行深基坑开挖时，如何从各个环节采取必要措施，才能严格有效地控制并减小基坑及周边环境的变形，取得对周边环境理想的保护效果。
关键词：深基坑；地下连续墙；T型地墙；环境保护措施
中图分类号： U231.1 文献标识码：A 文章编号：
Design of special diaphram wall in deep foundation pit excavation
Zhou yi
（Yangzhou Kaiyuan Geotechnical Engineering Testing Co., Ltd, Yangzhou 225007, China)
Abstract: By introducing foundation pit design plan of infection emergent department building, this paper shows the design of “Dual-purpose Diaphragm Wall” which the diaphragm wall is used as retaining wall as well as outside wall of the basement; When main structural floor is deletion, adopt some measures to meet the normal forced state requirement. Since the foundation pit is located in Shanghai busy area and its surrounding situation is complicated, how to make certain measures in each step to control deformation of the foundation pit and surrounding buildings strictly becomes critical. The paper explains effective measures adopted in protecting surrounding environment.
Key words: Deep foundation pit; Diaphragm wall;＂T＂shaped Diaphragm wall; Environment protecting measure
1工程概况
某医院楼位于上海市静安区，场地东毗乌鲁木齐路，南临长乐路。主体地上结构为5层，地下设置2层地下室，采用桩筏基础。整个基坑面积约为1374m2，基坑周边开挖深度约为11.3m，总延长米约为165m。
1.1 环境概况
本基坑工程周边环境相当复杂，基地东侧为乌鲁木齐路，路下埋设有6条管线，其中最近的管线离基坑边线约7.5m。围护体与基地红线（临时围墙）净距约为2.68m。
基地南侧为长乐路，路下埋设有7条管线，最近管线离围护体约5.4m。南侧东面围护体紧贴基地红线，距离仅为0.1m，南侧西面围护体与原有污水池基础外挑底板净距只有0.1m。
基地西侧为现有的3层教堂，与本基坑距离约为13.2m，教堂基础为天然基础。紧邻教堂东侧的附属建筑现场已经拆除完毕，但现在需在原址还建四层建筑，还建建筑建成方可进行本基坑的开挖施工。
基地北侧西面为华山医院22层病房大楼，病房大楼与基坑围护体距离约为3.6m，北侧东面为四层病房楼，基础型式应为天然基础，与围护体距离约为4m；该侧围护体与基地红线净距为1.5m。
1.2 地质概况
本场地局部有较厚填土层，最深处达4m，场地东南区域分布有暗浜，底部埋深约为4m，含有机质，土质软弱。开挖深度内的第③层土，土质不匀、夹有粉砂薄层砂质粉土。基坑开挖时，在水头差的作用下局部容易产生流砂现象，同时也易产生坑壁坍塌。场地的工程地质条件及基坑围护设计参数如下表所示。
表1土层计算参数
2 地下连续墙承重设计
本工程主体结构设计考虑东、南、西侧地下连续墙作为上部结构的竖向承重结构，从图1可看出，有17根框架柱直接作用在地下连续墙之上，东侧和西侧每根框架柱上部荷重（静＋活荷载组合设计值）约为1250-4580kN，南侧污水池侧每根框架柱的上部荷重（静＋活荷载组合设计值）达到8630kN，其结构剖面示意图可见图2。
图1承重
地下连续墙的平面分布范围
上部结构对上述三侧地下连续墙的竖向承重要求，将对东、西、南侧地下连续墙提出满足控制基坑变形保护邻近环境的要求外，其竖向承载力应能满足上部结构的承重和变形控制要求。因此该几侧地下连续墙应有足够的插入深度以提供竖向承载力，同时墙底持力层应选择压缩性较小、较为稳定的土层以控制建筑物正常使用阶段的竖向变形。
图2承重地下连续墙的竖向剖面
为提供足够的竖向承载力，现方案中考虑所有框架柱位置的地下连续墙槽段宽度尽可能的达到6m，其槽底持力层均为第⑤3层灰色粉质粘土，该土层土性较好（平均PS值约2.99MPa），为中等压缩性土层。通过竖向承载力计算，确定东侧和西侧基底以下地下连续墙深度为20.0m，每延米地下连续墙可承受约1080kN，当槽段宽达到4.5m时即可提供约4860kN的竖向承载力；南侧基底以下地下连续墙深度为23.0m，通过计算表明每延米地下连续墙可承受约1450kN，每幅6m宽的槽段可提供约8700kN的竖向承载力，因此均能满足上部结构的承重要求。
南侧邻近污水池侧的地下连续墙由于需承受上部外挑的三层结构，上部结构荷载较大，为增强该侧地下连续墙的整体性和槽幅之间协同工作性，减少不均匀沉降，该侧地下连续墙槽段采用十字钢板刚性连接；其他侧采用圆形锁口管柔性连接。同时对本工程的地下连续墙槽底均进行注浆处理，一方面可提高地下连续墙的竖向承载力，另一方面还能对墙底土层进行加固，提高其抗变形能力，减少承重作用下的竖向变形。
3 “T”型地下连续墙设计
由于本工程采用 “两墙合一”地下连续墙的设计，即地下连续墙既作为基坑开挖阶段的临时结构，又作为地下室的永久性结构。由此，在地下连续墙设计时除了考虑基坑开挖过程的变形控制外，还要考虑作为永久性主体结构时的正常使用受力状态。
按照主体结构的设计要求，地下室顶板存在局部结构梁板缺失的情况，地下室结构外墙出现两处悬臂，由此按照正常使用受力状态，普通的“一”字形槽段地下连续墙难以满足要求。而“T”形槽段在施工设备不变、工程量增加不大的条件下，通过增加加劲肋板增加了墙体的折算厚度，使墙体的抗弯刚度得到大幅度增加。“T”形槽段是在“一”字形槽段外侧局部设置加劲肋板形成的槽段。“T”形槽段腹板和翼缘同时成槽，整体浇筑。
3.1 “T”形槽段的特点
（1）增加墙体的侧向抗弯刚度，减小地下连续墙的水平位移；
（2）增加地下连续墙的底面积和侧表面积，提高地下连续墙的竖向承载力，减小地下连续墙的沉降；
（3）在计算地下连续墙变形时，可先将肋板部分折算成墙厚，再根据折算墙厚计算地下连续墙的内力和变形；
（4）“T”形槽段截面强度及配筋可根据《混凝土结构设计规范》中关于倒T形梁的计算方法，将单幅墙段所受的荷载作用在矩形截面上进行计算；
（5）根据《混凝土结构设计规范》中倒T形梁的计算方法计算时，如受拉侧计算配筋较多，可将钢筋在肋板边缘各向外一倍墙厚范围内均匀布置；
（6）在肋板和墙体之间应设置加强构造钢筋，确保二者在吊装过程中的整体性及受力状态下共同作用。
3.2 “T”形槽段的应用
本工程北侧与西侧均有一楼板缺失处，其中北侧的悬臂高度为9.5m，西侧为10.7m。根据侧向静止土压力与水压力的计算，按照裂缝控制的原则，北侧“T”形槽段肋板宽度为1.6m，西侧为2.0m。肋板的长度均需进入基底以下5m。
图3“T”型槽段
北侧“T”型槽段绕弱轴的惯性矩为:Iy＝1.75×1012，换算为一字型槽段的厚度为：1750mm；西侧“T”型槽段绕弱轴的惯性矩为:Iy＝2.68×1012，换算为一字型槽段的厚度为：2094mm。
4 环境保护措施
基坑北侧的四层病房楼和南侧的地下污水池基础均为天然基础，对地层位移较为敏感，且与本基坑工程距离较近，尤其南侧的地下污水池侧壁与本基坑围护体距离为0.8m，其外挑基础底板与围护体距离更仅为0.1m。北侧四层病房楼和南侧的地下污水池均处于本基坑开挖的影响范围之内，必须将基坑开挖对邻近的建（构）筑物的不利影响控制在允许范围之内。
结合以往类似工程的成功实践经验，本基坑工程中对邻近建（构）筑的保护应分两个阶段进行，其一，地下连续墙成槽施工阶段，槽壁若发生较大变形或坍塌，则会引起墙后地面下沉，对邻近的建（构）筑物将造成极为严重的不利影响，由此地墙成槽施工过程中保证槽壁稳定对于保护邻近建（构）筑物具有重要意义；其二，基坑开挖阶段，基坑开挖过程中大量土体的卸荷及围护墙在前后水土压力差作用下，将不可避免发生基坑的回弹隆起及围护体的水平变形，因此须采取针对性的措施最大限度的降低其影响。本工程中分别针对两个阶段采取如下设计对策对邻近建（构）筑物给予保护：
4.1 地下连续墙成槽阶段
由于场地内浅层分布有较厚的第③层粉质粘土，该层土粉性较重，渗透性系数大，地下连续墙成槽施工过程中易发生槽壁坍塌，北侧四层病房楼和南侧地下污水池一侧地下连续墙成槽施工前，可采用压密注浆对槽壁范围内的浅层土体进行预加固，以提高地下连续墙成槽时的槽壁稳定性，尽量避免由于槽壁坍塌造成对邻近建（构）筑物的影响。
北侧四层病房楼和南侧地下污水池一侧地下连续墙槽段采用小槽幅，以加快每幅地墙的施工速度，减少一次成槽槽壁的空间效应，避免槽壁坍塌；此外，地下连续墙导墙可采用高导墙措施，以确保泥浆面高于地下水位，从而提高泥浆静水压力，另外尚可适当辅于提高泥浆比重，进一步确保槽壁稳定性。
4.2基坑开挖阶段
采用地下连续墙、两道受力明确的十字正交对撑和格构式型钢立柱组成的整体支护体系，可增大围护结构的刚度和抗变形能力；
北侧四层病房楼和南侧地下污水池一侧地下连续墙增大其插入比，以减少基坑的隆起；北侧四层病房楼和南侧地下污水池一侧坑内被动区采取双轴水泥土搅拌桩进行加固，以提高被动区土体抗力、减少围护结构水平位移；北侧四层病房楼和南侧地下污水池一侧基坑坑外限制施工荷载不得超过10kPa。
地下连续墙与邻近建（构）筑物之间设置两排跟踪注浆管，基坑开挖阶段结合监测数据采用双液注浆控制保护建筑的沉降。其原理是利用围护结构变形和建筑物位置处相应变形的时间差，在基坑变形传递到建筑物之前，将由于围护结构变形造成的土体损失通过注浆补充进去，从而切断变形的传播途径，有效减少周围地层位移，达到保护邻近建筑的目的；
基坑开挖和支撑的施工工序根据分区、分块、对称、平衡的原则制定，同时确保保护建筑物一侧南北方向的钢筋混凝土对撑及角撑系统24小时形成，围护体无支撑暴露宽度控制小于20m。
5开挖对临近建筑影响的数值模拟分析
为了较准确地预测基坑开挖引起邻近建筑物和地下污水池的附加变形，采用岩土工程专业有限元分析软件Plaxis进行基坑开挖过程的有限元数值模拟。
5.1 分析模型
（1）初始应力场的模拟：考虑不同的土体分层条件和重度，计算基坑开挖前土体初始应力场分布。分别考虑了南侧地下污水池对初始应力场的影响和北侧、西侧建筑物荷载对对初始应力场的影响。同时模拟了围护结构和被动区加固施工等影响因素。
（2）连续介质的模拟：有限元数值计算中土体采用基于Mohr-Coulomb的Hardening-Soil高级土体弹塑性模型，围护结构、邻近建筑物结构和地下污水池采用线弹性模型，同时采用Goodman接触单元考虑了土体和基础、地下结构、地下连续墙之间的相互作用。
（3）基坑开挖过程的模拟：通过有限元软件的“单元生死”模拟基坑工程围护结构和被动区加固施工、各层土体的分层开挖以及各道混凝土支撑的施工过程，根据基坑工程“顺作法”施工工况模拟基坑开挖到基底的全过程。
5.2 有限元模型的建立
（1）土体本构模型与参数
土体采用Hardening-Soil模型（简称HS模型），该模型可以同时考虑剪切硬化和压缩硬化，并采用Mohr-Coulomb破坏准则。HS模型应用于基坑开挖分析时具有较好的精度。HS模型共有11个参数。
（2）结构参数
邻近建筑结构梁板、地下连续墙的材料参数按混凝土选取，相应的截面积、惯性矩等几何参数需折算到每延米范围上来确定。计算中考虑北侧四层建筑物荷载为60kN/m2, 考虑西侧教堂建筑物荷载为45kN/m2。各道支撑用弹簧支座模拟。
（3）接触面单元
采用弹塑性无厚度Goodman接触面单元模拟围护结构与土体和加固体之间相互作用。接触面单元切线方向服从Mohr-Coulomb破坏准则。用一个折减系数Rinter来描述接触面强度参数与所在土层的摩擦角和粘聚力之间的关系，模拟接触面的强度参数较低的特性。
（4）网格剖分
基坑计算考虑对称选取一半剖面建模计算，采用等三角形六节点平面单元模拟土体、水泥土加固体，采用梁单元模拟围护排桩、墙体、顶板和底板。边界条件设置：水平向为X向，竖直向为Y向，且对X边界施加X向位移约束，Y边界施加Y向约束。
5.3 有限元模型计算结果
图4剖面开挖到基底的变形图
图5剖面开挖到基底的变形图
表2有限元计算结果汇总
6 结论和建议
（1）本工程主体结构设计考虑东、南、西侧地下连续墙作为上部结构的竖向承重结构。可加大该几侧地下连续墙的入土深度以提供竖向承载力，同时墙底持力层应选择压缩性较小、较为稳定的土层以控制建筑物正常使用阶段的竖向变形，且局部地下连续墙槽段采用十字钢板刚性连接，以减小不均匀沉降。
（2）按照主体结构的设计要求，地下室顶板存在局部结构梁板缺失的情况，地下室结构外墙存在两处悬臂。可采用“T”形槽段使墙体的抗弯刚度得到大幅度增加以满足受力要求。
（3）本工程中分别针对地下连续墙成槽阶段及基坑开挖阶段，采取必要的设计对策对邻近建（构）筑物给予保护。
（4）模拟基坑开挖过程对周边环境的数值分析表明，本工程采用顺作法基坑开挖，采用“地下连续墙围护＋两道混合支撑”，基坑开挖卸荷产生的周边建筑物和污水池的最大附加水平和竖向变形均小于2cm。采用本方案能满足基坑开挖对周围建筑物和污水池的保护要求。
参考文献：
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袁静, 龚晓南. 基坑开挖过程中软土形状若干问题的分析[J]. 浙江大学学报(工学版), 2001.
作者简介：周义(1984-)，男，汉族，哈尔滨人，助理工程师，毕业于合肥工业大学，从事岩土工程勘察与桩基检测工作。