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1、有限空间新建设施基坑开挖沉降特征及小变形控制仇安兵区北京科技大学基建管理处，北京100O83区1通信作者，E-mail:qiu-anbing摘要针对有限空间新建基坑变形控制难题，采用理论分析、数值推演和工程实践相结合的研究方法，建立了考虑应力释放的有限空间夹持力学模型，推导了夹持应力与地层损伤因子的函数关系，研究了应力释压孔对有限空间地层应力的影响特征，提出了变形支挡-应力阻隔一体结构控制方法，并通过北京科技大学工程实践基地（二期）验证该方法的有效性.结果表明，地层损伤因子与夹持应力呈线性负相关关系，随开挖深度逐渐增大，布设释压孔可有效降低有限空间夹持应力，释压孔有利于调整地层夹持应力和控制地
2、层变形，变形控制率为3348%5872%,且变形支挡-应力阻隔一体结构控制方法的水平变形控制率为2857%3791%,地层沉降变形控制率为36.86%5426%,与数值模型计算结果趋势相同，论证了理论分析和数值推演结果有效性，为有限空间基坑稳定性控制提供数据支撑.关键词有限空间；建筑基坑：释压孔；小变形控制；智能动态监测分类号TU473StudyonsettlementcharacteristicsandmicrodefbrmationcontroloffoundationpitexcavationinnewfacilitieswithlimitedspaceQIUAnhingInfrastr
3、uctureManagementOffice,UniversityofScienceandTechnologyBeijing.Beijing100083.China国Correspondingauthor.E-mail:qiu-anbingABSTRACTToaddresstheproblemofdeformationcontrolofanewfoundationpitinfinitespace,amechanicalmodelofstrongmutualclampinginfinitespaceconsideringstressreleaseisdevelopedbasedontheplan
4、estrainmethodofelasticmechanicsbycombiningtheoreticalanalysis,numericaldeduction,andengineeringpractice.Theformationdamagefactorisintroducedtodistinguishthestructuralfailurestateoftheformation,andthefunctionalrelationshipbetweentheclampingstressandtheformationdamagefactorisobtained.Anumericaldeducti
5、onmodelofthestressbarrierinfinitespaceisconstructed.Theinfluenceofstressreleaseholesonthestressstructureofnitespaceisexamined,andanintegratedstructuralcontrolmethodfordeformationsupportandstressbarrierisproposed.TheeAectivenessofthemethodwasvalidatedbytheengineeringpracticebaseprojectoftheUniversity
6、ofScienceandTechnologyBeijing.Thefindingsrevealthatunderthestrongmutualclampingeffectbetweenthelateralearthpressureoftheexistingbuildingandthesupportingreactionforceofthefoundationpit,theformationdamagefactorhasalinearnegativecorrelationwithclampingstress.Theverticalstressintheshallowpartofthemodelw
7、ithoutapressurereliefholeincreasesgraduallyandthendecreasesandsetsnear21.2-22.5kPa.Theverticalstresslevelofthemodelwithapressurereliefholeis40kPalowerthanthatofthemodelwithoutapressurereliefhole.Thehorizontalstressoftheshallowlayerwithoutthepressurereliefholefirstincreases,thendecreases,andgradually
8、increasestoamaximumvalueof94.72kPaintheearlystageoffoundationpitexcavation.Thepeakvalueofhorizontalstressisloweredby65.51%,andtheeflectivereleaseofformationstressis43.55%-65.51%.Thesettlementofthefoundationpitincreasesgraduallywithincreasingexcavationtime.Themaximumhorizontaldefbnationofthemodelwith
9、apressurereliefholeis15.86minlowerthanthatofthemodelwithoutapressurereliefhole,andtheverticaldeformationisreducedby39.53%.Theeffectivecontrolrateofformationdeformationis33.48%-58.72%,Thehorizontaldeformationcontrolrateofthedeformationsupport-stressbarrierintegratedstructuresupportmethodis28.57%-37.9
10、1%,andthegroundsettlementdeformationcontrolrateis36.86%-54.26%,whichconfirmstheeffectivenessofthemethod.Thisworkoffersdatasupportforthestabilitycontroloffoundationpitsinlimitedspace.KEYWORDSnarrowspace：buildingfoundationpit：pressurereliefhole：small-deformationcontrol：intelligentdynamicmonitoring我国城市
11、用地紧缺问题日益突出，有限空间建地层应力集聚并引发地层隆起问题，地层应力阻隔造集约化已成为城市更新的重要趋势.基坑建造将导致地基应力重分布，受邻近既有建筑侧向土压影响，易诱发基坑变形、开裂、坍塌等灾害团4】.典型事故如2019年11月26日，河北廊坊发生一起邻近建筑基坑坍塌事故，造成1人死亡；2021年10月14日，浙江杭州发生一起紧邻建筑基坑坍塌事故,造成2人死亡；2023年10月27日，河北石家庄发生一起邻近建筑基坑坍塌事故，造成4人死亡s-.研究基坑变形控制技术可为工程建造安全奠定良好基础.目前，基坑变形控制方法主要包括地层加固法、基坑支护强化法和地层应力阻隔法同叫地层加固研究方面，Ze
12、ng等皿针对欠固结软土地层，分析了预降水水位对土体固结程度的影响规律，提出了地层预固结自承载加固方法；Diao等网采用数值推演和工程实践相结合的研究方法，建立了粉质黏土多层位同步注浆加固技术；刘波冈研究软弱粉质粘土层中基坑坑内、外土体加固对侧方地层变形的控制效果，确定了土体加固强度和深度值；孙子正等1网通过物理试验分析了注浆加固结石体弹性模量、黏聚力、内摩擦角及渗透系数等参数的变化规律，揭示注浆加固参数对不同物理力学指标的强化侧重机制.基坑支护强化研究方面，Zhang等1提出了邻近既有建筑基坑射流桩加强支护技术，针对软土基坑被动区加固的变形控制效果较好；Wang等口句分析了多层地下水复杂地质条
13、件下复合土钉墙-锚固桩墙组合支护体系的基坑应力变形特征，研究发现锚固体刚度和预紧力对基坑侧向位移具有重要影响;叶俊能等叱网提出了高压气囊桩基坑支护技术，探究了不同气囊压力条件下土体的水平位移变化规律.这些研究聚焦于提升地层强度和基坑支护能力，在既有建筑和基坑净距较小的有限空间条件下，既有建筑侧向土压力和基坑支护反力间的夹持作用，将导致法为该问题提供了解决思路.地层应力阻隔研究方面，Shi等3采用地连墙阻隔地层应力，最大横向拉伸应变降低达27%；费纬网采用钻孔灌注桩隔离墙控制紧邻既有建筑基坑变形，论证了隔离墙具有良好的地层抗隆起稳定性和变形隔断作用.有限空间条件下，上述应力阻隔技术对小净距地层扰
14、动较大，可能威胁既有建筑安全，且建造成本较高.钻孔释压技术是应用于深部矿山工程领域的应力阻隔方法，具有低成本和操作简便等特点，由于力学机制、地应力水平和地质条件等方面差异显著，现有深部矿山工程钻孔释压理论方法和技术无法直接应用于基坑工程，研究考虑有限空间应力释放的基坑变形控制方法对保障基坑建造安全具有重要意义mi.本文通过弹性力学平面应变理论建立有限空间夹持力学模型，研究夹持应力与地层损伤因子的函数关系，采用有限差分数值分析方法，确定应力释压孔与有限空间地层应力水平的关系，提出变形支挡-应力阻隔一体结构控制方法，并依托北京科技大学工程实践基地工程开展现场工程验证，可为有限空间建筑基坑变形控制提
15、供有效数据支撑.1有限空间夹持作用平面应变模型1.1 有限空间夹持力学模型北京科技大学工程实践基地（二期）工程（建字第UOIO8202000277号）既有建筑距基坑仅7.23m,既有建筑在重力作用下将对地层产生面向基坑的水平荷载，并与基坑围护桩的支挡力形成相互作用力,此时既有建筑和基坑的夹持模型可简化为两端受水平作用力的板屈曲平面应变模型，令X方向为夹持力作用方向，歹方向为垂直于夹持力作用方向，既有建筑-基坑支挡夹持力学模型如图1所示.图1有限空间夹持力学模型Fig.lFinitespacestronginterlockingmechanicalmodel在夹持载荷M的作用下地层屈曲方程为：T
16、rnL(乔C砺前卜M赤*=u)式中，E为杨氏模量；为板厚；为泊松比；为挠度.边界条件为：*3=OX=Oor7,x(2)产0Orb,3=r=()假定满足边界条件的挠度S(x,y)为:,，人3=y2)(w)2+2+(q)2(9)40(I向30(9)202bamb为揭示式中损伤因子D对夹持应力队的影响规律，根据北京科技大学工程实践基地（二期）工程地质勘查及地层物理力学测试结果，确定式（9）中100.20.30.40.50.60.70.80.9Damagefactor图3地层损伤因子与夹持应力的关系Fig3Relationshipbetweendamagefactorandclampingstress
17、的待定参数，如表1所示.=-8.3333a+83.333o2=0.9987表13岩力学参数取值表Table1Mechanicalparametersofsurrounding为研究有限空间应力释压孔的隔空阻断作用，拟构建不含应力释压孔的基坑模型，确定邻近建筑物基坑开挖过程中的应力集中区分布，从而构建含应力释压孔基坑模型，对比分析应力释压孔对基坑开挖过程中地层稳定性控制的作用，构建的数值模型结构及参数信息如图4所示，其中模型包含2000余万个单元网格和37万个单元节点.a/mhimmm7MPa11123.20.29图3显示地层损伤因子与夹持应力呈线性负相关关系，地层损伤因子从0.2增加至0.8时
18、，夹持应力减小了49.96MPa,表明应力释压孔造成的地7060图4数值模型及结构参数Fig.4Numericalmodelandstructuralparameters如图6所示，无释压孔的浅层变形最大为 25.83 mm,结合图5应力分布特征，确定应力大于 25.08 kPa (即时步 6.2乂10$ 1.26x106)变形斜率 最大，随后应力波动调整，变形缓慢增加.含释 压孔模型的浅部变形最大值为12.44 mm,表明应 力释压孔的阻滞变形率为51.83%；无释压孔模型 深部最大变形为15.65 mm,表明深部地层开挖时 间短整体小于浅层变形；含释压孔的深部最大变 形为8.42 mm,表
19、明释压孔的深部阻滞变形率为 46.19%.根据不同方案的对比分析，确定无释压孔65.51%的应力.Time stq)10fr图7不同数值模型深层和浅层水平应力分布曲线Fig.7 Horizontal stress distribution curves of deep and shallow layers under (Iiftcrcnt numerical models2.2地层变形特征及夹持应力分布规律监测基坑边缘0.2m处深层(DL,10m)和浅层(SL,0.5m)的应力分布和变形特征，图5为无释压孔和含释压孔数值模型深层和浅层垂直应力分布.从图中可以看到，含释压孔模型的浅部垂直应力呈先
20、增大后减小并稳定在21.222.5kPa范围，表明随基坑开挖地层应力结构破坏，导致局部存在集中应力，随基坑向深部开挖，地层完整性破坏应力逐渐释放并稳定；含释压孔模型垂直应力在基坑开挖初期应力存在局部应力集中，随后被释压孔吸收变形后逐渐释放，应力逐渐增加并逐渐稳定在124140.2kPa.深部垂直应力在第二次开挖后监测显示深部垂直应力普遍较高，且无释压孔模型的应力水平为含释压孔应力的2.29倍，表明RHK孔右防F深部和法部应力水平的鲫住Timestep106图5不同数值模型深层和浅层垂直应力分布曲线Fig.5Verticalstressdistributioncurvesofdeepandsha
21、llowlayersunderdifferentnumericalmodels基坑开挖浅部地层变形最大，极易超出基坑安全预警值图6不同数值模型深层和浅层垂直变形数据曲线Fig.6Verticaldeformationdatacurvesofdeepandshallowlayersunderdifferentnumericalmodels(24mm),释压孔具有调节地层应力水平的作用，尤其在有限空间内地层垂直变形阻滞率为46.19%51.83%.如图7所示，无释压孔浅层水平应力在基坑开挖初期先增加后减小随后逐渐增加至最大值94.72kPa,表明基坑开挖后地层应力具有局部的应力调整；含释压孔地层应
22、力最大值减小65.51%,表明释压孔对水平应力同样具有结构调整的作用，弱化了桩基和邻近建筑物之间地层的应力水平.无释压孔地层应力在372kPa附近波动，而含释压孔应力水平在21OkPa附近波动，表明释压孔能够有效调整深部地层的应力水平，释放43.55%图9新建基坑及周边环境示意图Fig.9 Schematic of constructed foundation pit and surrounding environment3基坑开挖过程中采用应力释压孔+桩基支护的方法，能够有效调整桩基和邻近建筑物之间的应力结构，促进地层应力在较低水平波动，有效避免地层的应力集中现象.如图8所示，无释压孔浅层变
23、形最大为32.05mm,而增加释压孔后变形有效减小33.48%；深部无释压孔地层最大变形为27.01mm,增加释压孔后变形最大值为11.15mm,表明释压孔通过变形有效吸收地层应力，调整桩基和邻近建筑物之间的有效应力，能够有效减缓基坑周边地层的变形，变形控制率在33.48%Fig.8Horizontaldeformationdatacur,csofdeepandshallowlayersunderdifferentnumericalmodels基坑小变形控制新方法工程应用3.1基坑变形支挡-应力阻隔控制与变形监测方案以北京科技大学工程实践基地（二期）工程为例，其中新建基坑东西长98.12m,南
24、北长40.45m,坑底埋深为10.86m.新建基坑周边紧邻建筑物，其中基坑东侧为机工厂甲，高度8.55m,与基坑间距为9m；南侧为教学楼乙及科技楼丙，教学楼乙高度43.8m,与基坑间距为7.5m；西侧为机电信息楼丁，高度45.0m,间距为11m,如图9所示.根据材料力学小变形定义，构件因外力作用而产生的变形量远远小于其原始尺寸时为小变形，北京科技大学工程实践基地（二期）工程基坑最大深度为10.86m,而最大变形量为18.43mm,变形量仅为基坑埋深的0.18%,因此该基坑属小变形问题.综合基坑施工的周边环境特征，确定基坑施工具有空间狭小、周边建筑物较密集的特征，结合理论计算和数值模拟的研究结果
25、，提出变形支挡-应力阻隔一体结构支护方法，如图10所示.变形通过对比含释压孔和无释压孔数值模型应力和变形发育特征，表明建筑物与桩基之间极易产生高应力结构，导致地层变形增加，而释压孔能够通过自身变形释放地层应力，调整整体的应力水平，从而有效降低地层的变形，变形控制率在33.48%58.72%.H10吸水，H!Fig.l0Schematicofcombinedretainingpile支挡-应力阻隔一体结构支护方法包括围护桩、冠梁、锚索和应力释压孔4部分，其中应力释压孔直径为0.6m,深11m,设置在围护桩之间.现场采用智能动态监测系统实时监测基坑周边变形情况，沿基坑与建筑物最小间距（7.5m）空
26、间布设4处水平变形监测点和2处沉降变形监测点，如图11所示，沉降变形DXl,DX2测点位于无释压孔地表区域，DX3和DX4测点位于含释压孔地表区域；无释压孔和含释压孔区域分别设置两处水平变形测点位，其中QC为浅层0.5m埋深水平变形测点，SC为深层Iom埋深水平变形测点，现场测站布置及释压孔如图12所示.3.2基坑应力阻隔小变形控制现场验证基坑开挖前，采用直径06m的长螺旋钻机进行释压孔作业，如图13所示，现场形成变形支挡-应力阻隔一体结构支护方法，根据监测方案分别安设地表沉降和水平变形测点，如图12所示.监测基坑开挖全过程的地表沉降变形，如图14所示，地表变形随基坑开挖逐渐增大，其中无释压孔
27、区域的DXl和DX2测点地表沉降位移分别图12沉降与变形监测点实物图a)地表沉降测点：b)水平变形智能监测Fig. 12 Photographofsettlementanddeformationmonitoringpoint:(a)surfacesubsidencemeasurementpoints;(b)intelligentmonitoringOfhorizontaldefbnation图13围护柱支护与释压孔作业现场(a)围护桩联合支护;(b)释压孔现场作业Fig. 13 Photographofenclosurepilesupportandreleaseholeoperation:(a
28、)combinedsupportofretainingpiles;(b)operationofreleasepressureholesSe(Qi卜3SCWXSurfvremm!d*pcemefltnxmfeM1*fpMflbetbo11AxtaldiUcemcfllflMN11hWMgM11UOPrvwsonerebelholeTmrhingbuMnfRTechnologybuHd小罐用Fig.l1Schematicofmeasuringpointlayout图14不同区域测点的沉降变形监测F.14 Settlement defbnation monitoring of measuring p
29、oints in dierent regions不同区域的水平变形，表明释压孔有利于缓解深部图15不同区域测定的水平变形数据Fig. 15 Horizontal defbnation data measured in different regions为18.43mm和16.55mm；含释压孔区域的DX3和DX4测点的最大位移分别为10.45和8.43mm,表明释压孔具有有效缓解既有建筑物与基坑之间极小空间变形的作用，且变形控制率达36.86%54.26%.根据现场围护桩结构及地层的宏观特征，整体围护桩支护结构排布整齐，路面沉降最大区域为无释压孔的试验区域，基坑开挖全过程的变形小于预警值（24
30、mm）,满足工程作业要求.基坑开挖过程中的水平变形数据如图15所示，随基坑开挖深部地层水平变形呈先减小后增大的发育趋势，地层先反向增大的主要原因在于基坑初期开挖较浅，围护桩支护应力大于地层的结构应力，随基坑深度增加，地层应力作用逐渐增大.深层最大变形测点为无释压孔区域的SC2测点，为6.78mm,该区域的SCl测点变形与SC2变形相近，为6.42mm：含释压孔区域的最大变形测点为SC4测点，为4.43mm,该区域的SC3测点变形为4.21mm.对比水平变形，且深部变形控制率为30.99%37.91%浅层水平变形为埋深0.5m处的测点，其中无释压孔区域的QCI测点变形最大，为11.49mm.该区
31、域的QC2测点变形为11.34mm,表明同区域的变形规律具有相似性；含释压孔区域的最大变形测点为QC4测点，为8.1mm,该区域的QC3测点变形为7.2mm.对比不同区域测点的水平变形，表明释压孔有利于地层水平变形的控制，地层水平变形控制率为28.57%37.34%.综上所述，无释压孔区域的地表沉降和水平变形均大于含释压孔区域，采用直径0.6m释压孔能够有效控制地表沉降，控制率为36.86%54.26%.此外，释压孔有利于深部和浅部水平位移控制，控制率为2857%37.91%.对比现场监测数据与数值计算结果，表明地层垂直变形和水平变形趋势与数值计算结果趋势相同，因此数值计算方法能够有效反映不同
32、方案条件卜的地层变形和应力分布规律，从而证明了数值计算的合理性.另外 采用数值计算和现场验证方法，对比分析是否含 释压孔地层的变形和应力结构，有效验证了释压 孔对邻近建筑物条件下有限空间的应力调整作用4结论针对邻近建筑物条件下有限空间基坑开挖的变形控 制难题，研究释压孔与有限空间地层应力结构的关 系，分析释压孔对地层应力及变形的影响规律，得到 结论：（1）建立了考虑应力释放的有限空间夹持力学模 型，推导出地层损伤因子与夹持应力呈线性负相关关 系，布设释压孔可有效降低有限空间夹持应力.（2）建立邻近建筑的基坑开挖数值模型，基坑沉 降随开挖深度逐渐增大，而释压孔有利于调整地层整 体的应力水平，有效
33、降低地层的变形，数值推演变形 控制率在33.48%58.72%.（3）变形支挡-应力阻隔一体结构支护方法的基坑 沉降变形控制率为36.86%54.26%,水平变形控制率 为28.57%37.91%,与数值计算结果趋势相同，验证 了理论分析和数值推演的有效性.参考文献7(徐中华,顾正瑞,王卫东,等.地卜.空间开发对其三面围合历保建筑影响实测分析.土木工程学报，https:/doi.org/10.15951y5.tmgcxb.23050330)MoPQ,LiuY,IIuangZF.etal.Compatibilityofdeformationandspatialeffectsforretainin
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