【逆作案例14】大型醫院基坑逆作法項目：上海中山醫院

來自專欄 建工大咖圈

前言

中山醫院項目整個基坑開挖面積 22 278 m2，周長 736 m，普遍開挖深度為 15.5m。對於面積較大的逆作法基坑，由於土體分區開挖以及結構施工周期較長，考慮基坑開挖的時間效應對圍護變形以及周邊環境的影響十分必要。

2、工程概況

中山醫院項目位於上海市徐匯區清真路以南、小木橋路以西、斜土路以北、楓林路以東。整個基坑開挖面積 22 278 m2，周長 736 m，普遍開挖深度為 15.5m。本項目周邊環境圖如圖 1所示，基坑四周被市政主幹道和既有建築包圍，周邊以道路及地下管線為主、局部距離保留建築非常近，環境保護要求非常高。

考慮本基坑開挖深度和環境要求，採用兩牆合一逆作法方案，地下連續牆厚度為 800 mm，長度為 33 m；利用剛度較大的地下室梁板作為水平支撐，首層及地下各層梁板面標高分別為：-0.050、-5.500、-9.900，底板面標高為-14.250。支撐體系剛度較大，能夠承擔基坑挖土時通過地下連續牆傳遞來的水平向水土壓力。各層梁板局部缺失區域採用臨時鋼筋混凝土支撐，以加強梁板作為水平支撐的剛度。逆作施工階段頂層結構梁板需承受車輛荷載和施工堆載的區域，進行了局部加強處理。

本工程採用鋼管混凝土柱作為立柱，待逆作施工完成後，主樓區域鋼管砼柱外包鋼筋混凝土形成勁性柱。其餘區域除地下一層鋼管柱外包鋼筋混凝土作為柱的轉換層，地下二層及地下三層鋼管柱同時作為地下室結構的永久使用柱。結構永久受力要求，考慮採用Φ500 mm×12 m鋼管混凝土柱，立柱樁採用Φ700 mm 鑽孔灌注樁，頂部 5 m 擴徑至800 mm，鋼管插入鑽孔灌注樁 3 m。

本項目基坑南側共布設 4 個測斜點，如圖 1 所示，至監測工作結束，該側所有測斜管均保持正常工作，得到完整的監測數據。因此本基坑關於圍護牆體的實測位移均採用南側 4 個測斜孔的平均值，分析計算同樣採用本側土層分布。

2、工程地質條件

本工程位於長江三角洲入海口東南前緣，其地貌類型屬於典型的上海地區四大地貌單元中的濱海平原類型。場地內第③、④層屬於具有含水量高、孔隙比大、壓縮模量小等特性的軟弱土層。呈飽和、流塑狀態，這層土抗剪強度低，靈敏度高，具有觸變性和流變性特點，是上海地區最為軟弱的土層；同時也是導致基坑圍護體變形、內力增大的土層。第③、④層軟土在本場地內厚度近 10 m，在基坑圍護結構設計和施工中，應注意這兩層土對基坑開挖的影響，盡量避免對主動區土體的擾動；並採取適當、合理的措施對被動區土體進行加固，控制圍護結構體的變形在允許的範圍之內。

3、考慮土體流變的有限元模型建立

3.1 模型尺寸以及網格劃分

採用平面有限元對本項目基坑圍護變形以及時間對其影響進行分析。分析模型的水平方向為X向，豎直方向為 Y 向。考慮一定的開挖影響範圍，模型水平方向總長取100 m，豎直方向則取地表以下90 m。模型左邊界施加 X 向位移約束，底邊界施加 X、Y向約束，考慮基坑的對稱性，右邊界施加對稱約束。同時考慮 20 kPa 的坑邊超載。本次分析模型中，土體採用三角形15 節點單元進行模擬，模型以及網格劃分見圖 3。本計算模型共有 8 721 個節點，劃分為956個單元。

對於軟土層（第③、④層）採用流變模型進行分析，其他土層採用摩爾-庫侖模型進行分析；地連牆、立柱樁、梁板結構均採用梁單元模擬，採用線彈性模型進行分析；地連牆、立柱樁與土體之間設置的接觸面。土體參數見表 1，結構模型參數見表 2。

3.2 模型計算過程

本次分析按照實際施工工況設置計算工況，見表 3。由於在計算模型中，每一道支撐（即各層地下室梁板）需要一次性添加，無法考慮梁板結構強度增加的過程，因此，將結構施工並達到設計強度的工況劃分為兩個計算工況，首先添加地下室梁板，持續時間為 1 d，其後僅考慮土體流變固結，持續時間根據實際添加。

4、計算結果與實測分析

4.1 水平向變形

圖 4 為不同工況下地連牆水平向位移監測值。該監測值為基坑南側4 個測點的平均值，該側土層與有限元計算模型多採用土層相一致。本項目中地連牆的變形通過預埋在地下連續牆內的測斜孔進行監測，在地下連續牆施工到設計位置時，將 PVC 測斜管綁紮在鋼筋籠骨架迎土面一側，測孔深度為25 m，頂底密封。施工過程中採用 HCX-2B 型數顯型測斜儀對圍護結構內的測斜管自下而上進行測試，每隔 0.5 m 為一個測點，測得不同深度處的地牆傾角通過計算和換算得出基坑各深度位置處的地牆水平位移量。

由圖 4 可以看出，各工況下地牆的變形基本上呈現兩頭小中間大的分布模式，隨著開挖深度的增加，地牆的水平向位移最大值不斷增加，最大值所在位置不斷下降，但位移最大值基本出現在開挖面附近。在同一開挖深度處，在開挖間歇期間（即施工底板、中樓板並達到設計值期間），最大位移也隨時間的增加而增加，且最大位移發生的位置略有下降，表現出明顯的時間效應。

模型計算得到開挖至坑底時，土體水平向位移雲圖見圖 5，可以看出，基坑開挖引起地連牆后土體發生較大的水平向位移，位移最大值為 70.15 mm，最大位移發生在開挖面附近，在地面下 15 m 左右。模型計算得到地連牆水平向位移以及樁身彎矩如圖6、7 所示，開挖至坑底以及底板達到設計強度前（工況 8 和 9）地連牆計算位移與實測值（見圖 5）之比如圖 8 所示。

由圖 5～7 可以看出，本模型計算的到地連牆水平向位移與實測值在量級和變化趨勢上較為一致，且彎矩也隨開挖深度的增加和持續時間的增加而增加，同時彎矩最大值所在位置也隨之下降。也體現了基坑開挖的時間效應。由圖 8 可以看出，基坑開挖到底時，計算得到的樁身位移最大值與最大值所在位置均與監測值較為吻合。每個間隔工況（即施工底板並達到設計值工況）持續時間以及圍護牆最大水平位移的監測值和計算值見表 4。可以看出間隔工況產生的地連牆最大水平向位移（即土體流變引起的位移）與其持續時間和開挖工況的位移水平有關，其值隨時間的增加以及開挖工況位移的增加而增大，同時，間隔工況側移的增加速率也隨著開挖工況位移的增加而增大。

4.2 豎向變形

本基坑四周沿垂直圍護結構方向布置一組地表斷面沉降觀測點，每組 5 個測點，測點間距2.5 m。共布設 6 組 30 個測點，坑邊監測點（J1-J6）。採用蘇光水準儀配合精密銦鋼水準尺，按國家二等水準要求觀測。以附合或閉合路線在水準路線上聯測各監測點，以水準控制點為基準，測算出各監測點標高。土體最終沉降值見表 5，可以看出在距離坑邊10 m 區域，各斷面沉降均達到最大值，坑邊 10 m以外的土體沉降有所減小。在現有實測數據中，J1和 J2 組數據中在，均在距離坑邊 7.5 m 處出現沉降減小的情況，這可能是因為該側基坑周邊存在建築和其他環境因素的影響或由於該側土層分布的影響。

開挖至坑底時，土體豎向位移雲圖如圖 9 所示，可以看出，基坑開挖到底時，基坑底部產生隆起，坑邊產生沉降。坑底隆起最大值約為 68.6 mm，坑邊沉降最大值為 14.19 mm。

各測點沉降平均值與沉降計算對比曲線見圖 10。

可看出計算得到坑邊土體沉降趨勢實測平均沉降值較為符合。計算得到坑邊土體沉降僅在坑邊一定區域內發生，最終沉降的最大值處距離地連牆約 10 m左右，這也與實測值相吻合。隨著到地連牆距離的增加，坑邊土體沉降迅速減小，到離地連牆距離在40 m（約為 2.5 倍開挖深度）以外時，基坑開挖影響不大，這與已有的研究結果是一致的。

圖 11 為各工況坑邊土體沉降曲線，可以看出隨著開挖深度的增加和間隔時間的增加，坑邊土體沉降量和沉降範圍也持續增加。表現出與圍護結構水平向變形類似的時間效應。說明土體中應力和變形並不是一次性釋放的，而是隨著時間的增加而逐漸釋放。

4.3 開挖過程的時間效應

本項目實際施工中，由於外部因素和分塊挖土以及結構施工原因造成各挖土間隔工況持續時間不一致，從而引起各工況下圍護變形有所差別。為研究不同開挖方案的時間效應，採用兩個對比開挖方案與實際開挖方案進行對比分析。對比方案 1 每次開挖以及間隔時間均相等，總時長為 140 d，約為實際開挖方案總時長的 45%。對比方案 2 總時長與實際開挖方案一致，僅將工況 3 與工況 7 的持續時間對調。3 種開挖方案工況見表 6。

對周邊環境的影響。對比方案 2 地連牆最終位移約為 87.9 mm，比實際工況增加約 23%，表明相同的時間間隔作用下，開挖深度越深，基坑產生的變形越大，因此若有外部因素導致基坑開挖過程中停工，應盡量減小停工期間基坑的開挖深度，並及時設置支撐。

5、結論

以上海中山醫院基坑為例，考慮軟土的流變特性對逆作法基坑進行有限元分析，並與基坑監測結果進行對比驗證，得到以下結論：

（1）對於面積較大的逆作法基坑，由於土體分區開挖以及結構施工周期較長，考慮基坑開挖的時間效應對圍護變形以及周邊環境的影響十分必要。

（2）採用流變模型可較好的反映軟土地區基坑開挖過程中的時間效應，模擬基坑開挖以及結構施工過程中土體和圍護樁基的變形和內力分布，為實際基坑圍護設計和施工提供參考。

（3）挖土間隔期間，土體流變引起的圍護結構側移和周邊土體沉降隨時間增加而增加，且變形速率隨開挖深度的增加而增大，因此，應合理控制施工速率，盡量減小施工間隔，尤其是開挖深度較深時的施工間隔。

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