基坑開(kāi)挖對(duì)周邊建筑物影響的實(shí)測(cè)研究 ①

張世民， 任印文， 孫銀鎖， 章麗莎

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.浙江大學(xué)城市學(xué)院土木工程系，浙江 杭州 310015)

0 引 言

基坑開(kāi)挖引起鄰近建筑物變形影響這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者以及工程技術(shù)人員主要采用數(shù)值模擬[1-6]和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析[7-8]這兩種方法進(jìn)行研究。施有志[1]采用PLAXIS3D研究基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑物結(jié)構(gòu)變形影響。俞建霖[2]采用PLAXIS研究深基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響。李偉強(qiáng)[3]采用數(shù)值模擬方法研究深基坑與鄰近既有建筑物地基基礎(chǔ)的相互影響。劉建榮[4]采用FLAC-3D技術(shù)研究基坑開(kāi)挖對(duì)緊鄰建筑物的影響。周晉[5]研究基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近病房樓及既有地下污水池的影響。吳朝陽(yáng)[6]采用數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的坑外最大沉降值略微偏小。張治國(guó)[7]對(duì)某基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究基坑施工對(duì)鄰近建筑物的沉降影響。施有志[8]運(yùn)用某地鐵站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究地鐵車(chē)站深基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響。為了研究在砂性富水地層條件下基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近既有建筑物的影響。以杭州地鐵5號(hào)線江城路站基坑開(kāi)挖工程為實(shí)例，結(jié)合不同施工時(shí)期和工況下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析在砂性富水地層條件下基坑開(kāi)挖對(duì)周邊建筑物的影響機(jī)理。

1 工程概況

工程位于杭州市上城區(qū)江城路和河坊街丁字路口。工程周邊狀況：江城路與河坊街道路紅線寬均為30m，江城路西側(cè)是7層居民樓建國(guó)南苑，東側(cè)為14層社區(qū)以及12層上城區(qū)國(guó)稅局，距離較遠(yuǎn)的為陸家河頭小區(qū)。車(chē)站平面示意圖見(jiàn)圖1。受基坑開(kāi)挖影響較大的主要鄰近建筑物及結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)表1。

表1 車(chē)站基坑周邊主要建筑物結(jié)構(gòu)形式及監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)

車(chē)站標(biāo)準(zhǔn)段為框架結(jié)構(gòu)，車(chē)站基坑總長(zhǎng)194.6m，標(biāo)準(zhǔn)段寬21.3m，盾構(gòu)井寬25.4m，換乘節(jié)點(diǎn)寬30m；標(biāo)準(zhǔn)段深度為16.8m，端頭井深度約17.8m，換乘節(jié)點(diǎn)深度約25m。工程場(chǎng)地的承壓含水層水頭埋深在8m左右。

圖1 江城路站平面位置示意圖

2 監(jiān)測(cè)方案

由于工程緊鄰老舊建筑物，因此，地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、基坑開(kāi)挖、支撐施工按照設(shè)計(jì)文件進(jìn)行，以降低施工對(duì)周?chē)ㄖ锏挠绊?。地下連續(xù)墻施工分三個(gè)階段進(jìn)行，第一階段施工江城路道路蓋板西側(cè)地下連續(xù)墻63幅，第二階段施工剩余地下連續(xù)墻34幅，第三階段為附屬?lài)o(hù)結(jié)構(gòu)。首先進(jìn)行江城路道路蓋板以西地下連續(xù)墻施工，共計(jì)63幅。第二階段：進(jìn)行蓋板以東地下連續(xù)墻施工，共計(jì)34幅。第三階段：附屬?lài)o(hù)結(jié)構(gòu)施工。

結(jié)合江城路站平面位置示意圖(圖1)，主要選取距離基坑較近的建國(guó)南苑26棟、西牌樓社區(qū)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。建國(guó)南苑26棟布置了16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，西牌樓社區(qū)布置12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，上城區(qū)國(guó)稅局布置了6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，鄰近房屋側(cè)共布置了5個(gè)地連墻水平位移監(jiān)測(cè)孔，如圖2。

圖2 建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析階段劃分

根據(jù)工程工況情況，主要分為兩個(gè)階段進(jìn)行房屋沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具體分析：第一階段為圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工階段；第二階段為基坑開(kāi)挖至底板施工完成階段。

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工階段建筑物的位移分析

3.2.1 建筑物沉降的時(shí)間效應(yīng)

26棟：監(jiān)測(cè)點(diǎn)JGC13,JGC14,JGC15,JGC16沉降量較大，其中JGC13達(dá)到10.28mm，JGC14達(dá)到13.05mm，JGC15達(dá)到10.35mm，JGC16達(dá)到11.39mm(圖3)。 根據(jù)建國(guó)南苑26棟的整個(gè)結(jié)構(gòu)形式看(圖2)，這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)位都在離基坑中部較近的位置，分析可知，由于地連墻施工對(duì)該區(qū)域產(chǎn)生了擾動(dòng)，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)值變化不大，總體上看處于微沉。說(shuō)明離基坑地連墻位置越近，受到地連墻開(kāi)槽卸載的影響就越大，其他的監(jiān)測(cè)點(diǎn)也產(chǎn)生了一定的沉降量，但沉降不大，說(shuō)明離施工位置越遠(yuǎn)影響越小，體現(xiàn)了地連墻施工對(duì)鄰近建筑物影響的“近大遠(yuǎn)小”的規(guī)律。

圖3 建國(guó)南苑26棟沉降變化

西牌樓社區(qū)(圖4)：西牌樓社區(qū)總體處于下沉趨勢(shì)，其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)JGC3-1,JGC3-2沉降較大，從監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖可以看出，這兩點(diǎn)離基坑較近，而在較遠(yuǎn)點(diǎn)的沉降值較小，說(shuō)明建筑物有向地連墻施工場(chǎng)地傾斜的趨勢(shì)。

圖4 西牌樓社區(qū)沉降變化

從以上各個(gè)建筑物的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降隨時(shí)間變化趨勢(shì)來(lái)看，建筑物沉降總體處于波動(dòng)式變化。不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量不同，表現(xiàn)為建筑物離施工擾動(dòng)區(qū)越近，沉降越大，離擾動(dòng)區(qū)越遠(yuǎn)沉降量越小。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工時(shí)，開(kāi)挖卸荷使土體應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)發(fā)生變化，使得周?chē)馏w在上部荷載作用下向下壓縮沉降，進(jìn)而使建筑物發(fā)生沉降。

3.2.2 建筑物位移的空間效應(yīng)

為了研究地連墻施工階段，建筑物的不同位置沉降變化與基坑位置在空間上的關(guān)系，取建筑物不同位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。圖2中可以看出：監(jiān)測(cè)點(diǎn)JGC2,JGC3,JGC4,JGC5,JGC14,JGC16,JGC3-1,JGC3-2,JGC4-1,JGC4-2在同一直線上，共計(jì)10個(gè)，且都沿基坑的長(zhǎng)邊布置，故取這些點(diǎn)為研究組。另外，取監(jiān)測(cè)點(diǎn)JGC10,JGC9,JGC8,JGC7,JGC26,JGC24,JGC3-6,JGC3-5,JGC4-6,JGC4-25這10個(gè)點(diǎn)為對(duì)比組，S1-S10分別代表研究組與對(duì)比組對(duì)應(yīng)點(diǎn)的水平位移值(如，S1=JGC2-JGC10為一個(gè)水平位移監(jiān)測(cè)組)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同位置處，鄰近建筑沉降值和水平位移值分別如圖5和圖6所示。

圖5 研究組各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降

圖6 各監(jiān)測(cè)組的水平位移

從圖中可以看出：研究組的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在沿基坑長(zhǎng)邊位置大致呈拋物線型變化，中間大，兩邊小，離圍護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)邊的中部越近，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)越大，從基坑中部向基坑兩端沉降值逐漸減小。表明：離基坑長(zhǎng)邊中部越近的建筑物受到的影響越大，越遠(yuǎn)影響越小，這是由于基坑的長(zhǎng)邊方向較為薄弱，對(duì)土壓力的抵抗力較小，所以鄰近中部的建筑物沉降較大。從監(jiān)測(cè)組的水平位移值也可以看出：監(jiān)測(cè)組的各測(cè)點(diǎn)水平位移沿基坑長(zhǎng)邊方向也是呈拋物線變化趨勢(shì)。

3.3 基坑開(kāi)挖階段建筑物的位移分析

3.3.1 建筑物沉降的時(shí)間效應(yīng)

取2018年2月1 日的監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)值為起點(diǎn)進(jìn)行分析。根據(jù)施工記錄：2018年2月1日為基坑開(kāi)挖的開(kāi)始時(shí)間，同年5月18日基坑底板施工完成。2月1日到2月8日第一層土方開(kāi)挖完成，2月12日第二道鋼支撐架設(shè)完成，2月12日到3月6日，第二層土方開(kāi)挖完成，3月6日到3月17日，第三道混凝土支撐施工完成，3月17日到4月9日，第三層土方開(kāi)挖完成，4月9日到16日第四道鋼支撐架設(shè)完成并預(yù)加軸力，4月17日到4月30日，第四層土方開(kāi)挖結(jié)束并完成第五道鋼支撐架設(shè)，5月1日到5月18日，第五層土方開(kāi)挖并完成底板施工。在基坑開(kāi)挖階段，從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析圖(圖7、圖8)可以看出，建筑物總體處于下沉趨勢(shì)，但趨勢(shì)較為平緩，說(shuō)明基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑物有一定的影響，但影響不大，這是由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的存在以及在開(kāi)挖施工過(guò)程中及時(shí)進(jìn)行了支撐。從單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)看26棟的JGC13,JGC14,JGC15,JGC16以及西牌樓社區(qū)的JGC3-1,JGC3-2,JGC3-3為沉降量較大點(diǎn)。離基坑越近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，沉降量越大，遠(yuǎn)離基坑的監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于微隆微沉反復(fù)變化，總體趨于微沉，反映基坑開(kāi)挖對(duì)建筑物影響程度的“近大遠(yuǎn)小”的規(guī)律。

圖7 建國(guó)南苑26棟沉降變化(開(kāi)挖階段)

第三道混凝土支撐位于地面以下8m左右，此位置也是地下水位的埋深，建國(guó)南苑26棟下部樁基底部與第三道混凝土支撐位置大致在一個(gè)深度。第三道混凝土于2018年3月17日施工完成，根據(jù)以上的監(jiān)測(cè)分析可知，自土方開(kāi)挖至第三道砼支撐這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，距離基坑較近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)均發(fā)生了較大的沉降突變,這是由于在開(kāi)挖到第三道支撐時(shí)，進(jìn)行了基坑降水工作，由于砂性富水地層，土的滲透性較大，在降水過(guò)程中水流速度較快，容易帶走土中的砂，地下水的降低使土體壓縮沉降。在后續(xù)下部的第三、四、五層土方開(kāi)挖的過(guò)程中，建筑物沉降趨于穩(wěn)定，沉降速率減慢，這是由于集中抽取了地下水，使土體顆粒、骨架重排列完成，土體基本穩(wěn)定。通過(guò)以上實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析得知，在常規(guī)情況下，基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑物的影響主要是在房屋基礎(chǔ)以上的基坑內(nèi)土方開(kāi)挖，在保證上部支撐體系預(yù)加軸力滿足要求的情況下，再向下開(kāi)挖，圍護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生向外的擠壓效應(yīng)，這是由于對(duì)富水地層進(jìn)行降水使基坑地連墻外的土體水土壓力減小，支撐體系的預(yù)加軸力大于地連墻外的水土壓力，向外擠壓土體，這在一定程度上對(duì)建構(gòu)筑物沉降控制有利。

圖8 西牌樓社區(qū)沉降變化(開(kāi)挖階段)

3.3.2 建筑物沉降的空間效應(yīng)

為了研究基坑開(kāi)挖階段，建筑物的不同位置沉降變化與基坑位置在空間上的關(guān)系，依舊取建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)JGC2,JGC3,JGC4,JGC5,JGC14,JGC16,JGC3-1,JGC3-2,JGC4-1,JGC4-2為研究組，監(jiān)測(cè)點(diǎn)JGC10,JGC9,JGC8,JGC7,JGC26,JGC24,JGC3-6,JGC3-5,JGC4-6,JGC4-25這10個(gè)點(diǎn)為對(duì)比組，K1-K10分別代表基坑開(kāi)挖研究組與對(duì)比組對(duì)應(yīng)點(diǎn)的水平位移值，圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同位置處，鄰近建筑沉降值和水平位移值分別如圖9、圖10所示。研究組的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在沿基坑長(zhǎng)邊位置大致呈拋物線型變化，離基坑長(zhǎng)邊中部越近，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量越大，從基坑長(zhǎng)邊中部向兩端沉降量逐漸減小。監(jiān)測(cè)組的水平位移值可以看出：監(jiān)測(cè)組的各水平位移值沿基坑長(zhǎng)邊方向也是呈拋物線變化，所以基坑長(zhǎng)邊的中部建筑物容易受到擾動(dòng)，基坑中部在開(kāi)挖施工時(shí)要注意多加支撐，控制好施工過(guò)程中的水平位移。

圖9 基坑長(zhǎng)邊側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值

圖10 基坑長(zhǎng)邊側(cè)建筑物水平位移值

圖11 地連墻墻體深層水平位移與深度的關(guān)系

3.4 墻體測(cè)斜分析

選取建筑物沉降最大點(diǎn)位地連墻墻體深層水平位移監(jiān)測(cè)孔ZQT4進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移見(jiàn)圖11?；娱_(kāi)挖深度為約16m，從地連墻范圍上看，位移最大的位置在12-13m左右，最大位移達(dá)到18.87mm，變形較大的區(qū)域?yàn)?m～20m，大致成拋物線；從發(fā)生的時(shí)間上來(lái)看，自第三道支撐施工完成后，隨著開(kāi)挖深度的增加，在坑外土體側(cè)向壓力作用下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)逐步向坑內(nèi)位移，開(kāi)挖至底板后，達(dá)到最大值。車(chē)站第一道為砼支撐，對(duì)地連墻頂部位移限制作用較為明顯，因此在開(kāi)挖至基底后，墻頂水平位移基本無(wú)變化，而在12-13m位置地連墻變形最大，這是由于頂部混凝土支撐作用和底板嵌固作用。

3.5 墻體水平位移與建筑物沉降的關(guān)系

根據(jù)建筑物沉降情況以及地連墻水平位移情況，選取建筑物沉降較大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)JGC13,JGC14,JGC15,JGC16和建筑物沉降較大位置地連墻墻體深層水平位移監(jiān)測(cè)孔ZQT3,ZQT4,ZQT5的較大水平位移12m處的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，建筑物沉降變化與地連墻水平位移變化如圖12。建筑物沉降與地連墻水平位移是隨基坑開(kāi)挖深度的增加而增大的。開(kāi)工后的前8天，由于土方開(kāi)挖不深，地連墻內(nèi)外的土壓力差值不是很大，墻體的水平位移并不明顯，開(kāi)挖一個(gè)月，由于對(duì)砂性富水地層的基坑降水，造成了建筑物的沉降突變。繼續(xù)開(kāi)挖，地下連續(xù)墻水平位移增大，開(kāi)挖至底板澆筑完成，監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移達(dá)到最大值。建筑物的沉降在開(kāi)挖過(guò)程中也一直是增長(zhǎng)的，但是增長(zhǎng)緩慢。從圖中還可以看出，土的壓縮沉降變化與地連墻的水平位移變化在時(shí)間上是不同步的：前期，土體壓縮沉降量增長(zhǎng)而地連墻水平位移幾乎不增長(zhǎng)，這是由于前期主要是建筑物壓縮土體發(fā)生均勻沉降，建筑物向基坑側(cè)的傾斜度較小；后期，建筑物沉降變化緩慢而地連墻水平位移增長(zhǎng)較快，是由于進(jìn)行了砂性富水地層基坑降水，使坑內(nèi)的地下水位降低速度快于坑外地下水位的降低速度造成的，從而使建筑物產(chǎn)生向基坑的傾斜。

4 結(jié) 論

結(jié)合杭州地鐵5號(hào)線江城路站基坑工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了砂性富水地層基坑施工對(duì)周邊建筑物的影響，總結(jié)出以下結(jié)論：

(1) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移隨著開(kāi)挖的變化而變化，而且具有明顯的時(shí)空效應(yīng)。在基坑的設(shè)計(jì)、施工以及監(jiān)測(cè)要充分考慮時(shí)空效應(yīng)。

(2) 建筑物的沉降會(huì)隨著與基坑距離的增加而衰減，其衰減規(guī)律與開(kāi)挖深度有顯著的關(guān)系。隨著開(kāi)挖深度的增加 ，距離基坑較近的建筑物衰減速度越快，越遠(yuǎn)衰減速度越慢。

圖12 建筑物沉降變化與地連墻水平位移變化

(3) 鄰近建筑物側(cè)的地鐵車(chē)站基坑開(kāi)挖會(huì)引起建筑物向基坑方向的明顯位移，總體上建筑物位移沿基坑長(zhǎng)邊方向呈拋物線型。所以，在基坑施工過(guò)程中，建議在基坑的長(zhǎng)邊中部一定范圍內(nèi)增加支承剛度或者增大支撐的預(yù)加軸力，可以有效減小周邊建筑物的位移。

(4)在常規(guī)情況下，基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑物的影響主要是在房屋基礎(chǔ)以上的基坑內(nèi)土方開(kāi)挖，在保證上部支撐體系預(yù)加軸力滿足要求的情況下，再向下開(kāi)挖，圍護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生向外的擠壓效應(yīng)，在一定程度上對(duì)建構(gòu)筑物沉降控制有利。在基坑開(kāi)挖過(guò)程中要及時(shí)架設(shè)支撐，必要時(shí)對(duì)支撐軸力進(jìn)行復(fù)加，能夠在一定程度上減小地連墻位移。