軟土地區(qū)地鐵車站深基坑施工全過程對鄰近建筑物影響實測分析*

鄭 翔， 湯繼新， 成怡沖， 龔迪快， 藍建中

(1 浙江華展工程研究設(shè)計院有限公司， 寧波 315012； 2 寧波市軌道交通集團有限公司， 寧波 315101)

0 引言

軟土地區(qū)城市軌道交通不僅需要穿過密集的建筑群和縱橫交錯的管線網(wǎng)，同時還要面對具有低強度、高壓縮性以及顯著流變性的軟土地質(zhì)條件，工程難度和風(fēng)險極大，工程環(huán)境保護要求也極為嚴(yán)格。深基坑工程涉及圍護施工、土方開挖、基坑降水、支撐拆除等多個環(huán)節(jié)，由于挖土施工導(dǎo)致的環(huán)境問題最為突出，故目前關(guān)于軟土地區(qū)深基坑開挖對鄰近建筑的影響的研究已形成較多成果[1-4]。需要指出的是，不同環(huán)節(jié)施工對鄰近建筑的影響規(guī)律和程度亦不同。龔江飛等[5]以天津某深基坑工程為例，研究了軟土地區(qū)深基坑開挖對周邊文物建筑沉降的影響，結(jié)果表明土方開挖、基坑降水、施工擾動都是導(dǎo)致其不均勻沉降的原因。朱寧[6]依托蘇州地鐵某車站基坑地下連續(xù)墻施工，以3幅相鄰且連續(xù)的地下連續(xù)墻槽段為研究對象，展開地下連續(xù)墻施工全階段監(jiān)測，結(jié)果表明地下連續(xù)墻施工對淺層土體擾動較大，對深層土體擾動較小，樁基礎(chǔ)建筑對地下連續(xù)墻施工引起的建筑沉降起到抑制作用。張治國等[7]則以上海在建工程為例，分析了基坑施工對周邊建筑物結(jié)構(gòu)沉降的影響，結(jié)果表明，隨拆除支撐施工進度的推進，鄰近建筑物的沉降逐漸增大，但變化速率較為平穩(wěn)?？傮w而言，目前關(guān)于深基坑施工影響問題的實測研究多關(guān)注于某一施工環(huán)節(jié)，對于深基坑施工全過程導(dǎo)致的環(huán)境效應(yīng)問題的實測研究較少，各環(huán)節(jié)的施工影響之間的對比及分階段控制措施研究更是鮮有報道。本文以寧波軌道交通4號線雙東路地鐵車站為例，通過車站基坑施工全過程的跟蹤監(jiān)測，開展車站基坑施工全過程對鄰近建筑物的影響實測分析，并針對各施工環(huán)節(jié)提出了變形控制建議。

圖2 基坑支護剖面圖(端頭井)

圖3 基坑支護剖面圖(標(biāo)準(zhǔn)段)

1 工程概況

寧波市雙東路地鐵車站地下部分基坑長214.6m，寬22.6～24.8m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度為17.15m，端頭井基坑深度為19.16m。站區(qū)內(nèi)土層分布及土層物理力學(xué)見表1，典型剖面見圖1?？拥字饕挥冖?b淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中，由于場地土層有起伏，局部位于④2b粉質(zhì)黏土層中。

車站主體基坑圍護結(jié)構(gòu)為墻厚800mm的地下連續(xù)墻，標(biāo)準(zhǔn)段圍護深度為39m、端頭井圍護深度為40m。車站基坑采用地下連續(xù)墻+支撐的支護形式，其中端頭井采用一道鋼筋混凝土支撐結(jié)合五道鋼支撐，標(biāo)準(zhǔn)段采用一道鋼筋混凝土支撐結(jié)合四道鋼支撐，基坑支護典型剖面圖見圖2和圖3，其中δ為鋼支撐厚度?；悠矫娌贾脠D見圖4。

土層物理力學(xué)參數(shù) 表1

圖1 典型地質(zhì)剖面圖

為減小基坑施工對周邊環(huán)境的影響，本工程還采取了以下加固措施：在坑底以下3m進行土體加固，坑底以上做水泥土弱加固，置換率不低于0.8；鄰近淺基礎(chǔ)建筑區(qū)域的基坑第三道及以下支撐均采用鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)(圖2中虛線以北)；車站主體基坑開挖前先行施工附屬基坑圍護墻(φ850@600SMW工法樁，樁長25m，隔一插二，內(nèi)插H型鋼，型鋼長24.5m)作為隔離墻。車站主體基坑施工期間的周邊主要建筑物有萊茵堡門樓，萊茵堡別墅區(qū)1#～7#樓、雙東路別墅區(qū)1#～5#樓，其中典型建筑物情況見表2。

圖4 基坑平面及監(jiān)測點布置圖

鄰近主要建筑物情況表2

2 周邊建筑沉降實測分析

2.1 施工流程與監(jiān)測內(nèi)容

車站基坑于2017年7月16日完成地下連續(xù)墻施工，之后向下開挖施工，本文主要研究地下連續(xù)墻施工結(jié)束(時間節(jié)點為2017年7月16日)、車站主體基坑開挖至車站結(jié)構(gòu)底板施工結(jié)束(簡稱車站基坑開挖施工，時間段為2017年7月17日至2017年12月20日)、車站結(jié)構(gòu)向上施工至車站結(jié)構(gòu)頂板施工結(jié)束(簡稱車站結(jié)構(gòu)向上施工，時間段為2017年12月21日至2018年5月7日)3個典型工況下周邊建筑及地表的變形情況。在各典型建筑物角點布設(shè)建筑沉降點，并在鄰近建筑的地表布設(shè)土體豎向位移監(jiān)測點，具體監(jiān)測點布置如圖4所示。

2.2 地下連續(xù)墻施工對建筑變形的影響

地下連續(xù)墻的成槽施工會破壞原有土體的應(yīng)力平衡狀態(tài)，為達到新的平衡，在護壁泥漿壓力和土壓力的共同作用下槽壁后土體產(chǎn)生變形，并進一步造成鄰近房屋不同程度的沉降和傾斜；而地下連續(xù)墻混凝土灌注又對周邊土體有擠壓作用，影響較大時會對鄰近建筑物產(chǎn)生一定的向上托力，且這種上托作用越靠近地下連續(xù)墻越明顯，即房屋發(fā)生豎向隆起(即建筑物沉降小于0)及背離地下連續(xù)墻的傾斜(即傾斜小于0)。故在地下連續(xù)墻施工期間鄰近建筑物豎向變形表現(xiàn)出“有隆有沉”的特點。監(jiān)測結(jié)果見表3和表4。

雙東路站基坑鄰近建筑物沉降實測結(jié)果/mm 表3

雙東路站基坑鄰近建筑物傾斜實測結(jié)果/‰ 表4

由表3、表4可知，雙東路別墅區(qū)建筑變形在地下連續(xù)墻施工結(jié)束及底板施工結(jié)束時均比其他鄰近建筑物變形要大得多，這是因為基坑西側(cè)離車站北端40m范圍內(nèi)(雙東路別墅區(qū)3#～5#樓)的管線在地下連續(xù)墻施工及基坑開挖期間進行了改遷挖槽工作，且該改遷挖槽時并未對鄰近建筑進行特殊保護，致使該范圍內(nèi)的建筑沉降在此期間有較大增幅。對于這些數(shù)據(jù)異常點，在本文后續(xù)各施工環(huán)節(jié)實測分析中予以剔除。

圖5和圖6分別為地下連續(xù)墻施工期間鄰近建筑物沉降和傾斜與離車站基坑距離的關(guān)系，圖中僅統(tǒng)計地下連續(xù)墻施工引起的建筑最大沉降及朝向地下連續(xù)墻的最大傾斜的相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖5 地下連續(xù)墻施工期間建筑沉降與離車站基坑距離的關(guān)系

由圖5可知，地下連續(xù)墻施工期間引起的建筑最大沉降達到了9.87mm，均值約3.91mm，建筑沉降基本呈現(xiàn)隨著離車站基坑距離增大而減小的規(guī)律，建筑最大沉降點離基坑邊的距離與約1倍軟土層底部埋深相當(dāng)，地下連續(xù)墻施工影響區(qū)域為距基坑邊約1倍地下連續(xù)墻墻底埋深相當(dāng)。同一測點顯示的該階段引起的建筑沉降與該測點顯示的基坑施工全過程引起的建筑沉降之比的均值約7.82%。

圖6 地下連續(xù)墻施工期間建筑傾斜與離車站基坑距離的關(guān)系

由圖6可知，地下連續(xù)墻施工期間引起的建筑最大傾斜達到了0.47‰，均值約0.27‰。同一測點顯示的該階段引起的建筑傾斜與該測點顯示的基坑施工全過程引起的建筑傾斜之比的均值約16.47%，建筑傾斜與離車站基坑距離的關(guān)系呈現(xiàn)出一定的離散性。

由此可見，地下連續(xù)墻施工引起的建筑變形量相當(dāng)可觀。地下連續(xù)墻施工作為基坑工程的初始環(huán)節(jié)，其施工期間引起的鄰近建筑變形越大，則后續(xù)環(huán)節(jié)中建筑的安全余量越小，應(yīng)引起重視。建議實際施工中采取下列措施減少地下連續(xù)墻施工的影響：

(1)根據(jù)現(xiàn)場試驗合理確定泥漿比重及水泥品種，在保證地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定的同時減小應(yīng)力不平衡導(dǎo)致的槽壁變形。

(2)地下連續(xù)墻槽壁的加固深度宜穿透軟土層，利用槽壁加固體限制泥漿護壁階段軟土向槽內(nèi)的變形及混凝土澆筑階段混凝土向軟土層的擠壓和沖擊作用。

(3)減小泥漿靜置時間，盡早澆筑混凝土，減小由于軟土蠕變引起的地下連續(xù)墻槽壁變形。

(4)采用間隔成槽的施工順序以減小多幅地下連續(xù)墻連續(xù)施工的疊加影響。

2.3 車站基坑開挖施工對建筑變形的影響

本節(jié)所提及的建筑沉降與整體傾斜均為在上一工況(地下連續(xù)墻施工)產(chǎn)生的建筑變形基礎(chǔ)上的變形增量。車站基坑開挖施工階段自地下連續(xù)墻施工結(jié)束時開始，以車站結(jié)構(gòu)底板施工完成時結(jié)束。圖7和圖8分別為車站基坑開挖施工期間鄰近建筑物沉降及傾斜與離車站基坑距離的關(guān)系，圖中僅統(tǒng)計車站基坑開挖施工引起的建筑最大豎向沉降及朝向地下連續(xù)墻的最大傾斜的相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖7 基坑開挖期間建筑沉降與離車站基坑距離的關(guān)系

圖8 基坑開挖期間建筑傾斜與離車站基坑距離的關(guān)系

圖9 基坑開挖期間建筑沉降與離車站基坑北端距離的關(guān)系

由圖7可知，基坑開挖期間引起的建筑最大沉降達到了54.86mm，均值約23.07mm，建筑沉降基本呈現(xiàn)隨著離車站基坑距離增大而減小的規(guī)律；距基坑邊約1.5倍開挖深度范圍內(nèi)的建筑沉降基本大于其均值23.07mm，即基坑開挖施工對該范圍內(nèi)的建筑沉降影響較大；而基坑開挖施工對距基坑邊2.5倍開挖深度范圍外的建筑沉降影響較小。由圖8可知，基坑開挖期間引起的建筑最大傾斜達到了1.84‰，均值約0.99‰，建筑傾斜與離車站基坑距離的關(guān)系呈現(xiàn)一定的離散性。

圖9給出了車站基坑開挖施工引起的不同位置處鄰近建筑物沉降與離車站基坑北端距離的關(guān)系，圖中僅統(tǒng)計車站基坑開挖施工引起的建筑最大豎向沉降。由圖9可知，車站基坑?xùn)|側(cè)鄰近建筑沉降呈現(xiàn)出一定的“空間效應(yīng)”，即“端部小、中間大”。文獻[8]指出車站基坑端部處存在土拱效應(yīng)的“屏蔽作用”，該作用導(dǎo)致土壓力的減小，從而導(dǎo)致圍護結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境變形的減小。鄰近車站基坑北端的建筑沉降要大于鄰近車站基坑南端的建筑沉降，這主要是由于車站基坑采用由北至南的開挖順序，先挖段往往暴露時間長，導(dǎo)致建筑變形的時間效應(yīng)更為顯著。實際施工中建議合理安排施工順序，增強先開挖區(qū)域的保護措施，如在先挖段及時設(shè)置支撐和底板及采取向上施工，減小無支撐無底板暴露時間。而車站基坑西側(cè)北端的鄰近建筑沉降也較大，這一方面是由于時間效應(yīng)引起的，另一方面是由于該側(cè)管線改遷施工的影響。此外，車站基坑西側(cè)中段的鄰近建筑變形較小，這是由于該區(qū)域先行施工的附屬基坑圍護墻起到了隔離墻的作用(圖2)，隔離墻不僅能較好地承受土體對墻體產(chǎn)生的摩擦力且能將摩擦力進行縱向擴散，控制了墻體前后土體的豎向變形[9]，從而限制鄰近建筑物沉降。

圖10 建筑沉降隨施工時間變化曲線

分別選取有鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)區(qū)域?qū)?yīng)的支護結(jié)構(gòu)測斜點(CX4)與無鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)區(qū)域?qū)?yīng)的支護結(jié)構(gòu)測斜點(CX19)。自設(shè)置鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)(2017年8月13日)至車站結(jié)構(gòu)底板施工結(jié)束(2017年12月20日)期間的測點CX4與CX19的水平變形量分別為8.26mm與55.66mm，后者變形量為前者的6.74倍。同樣，分別選取有鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)區(qū)域?qū)?yīng)的建筑沉降測點(Jc84，Jc85)與無鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)區(qū)域?qū)?yīng)的建筑沉降點(Jc123)。自設(shè)置鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)后至底板施工結(jié)束期間的測點Jc84，Jc85，Jc123的沉降變化值分別為24.27， 29.54，28.72mm；而測點Jc84，Jc85對應(yīng)的房屋基礎(chǔ)為淺基礎(chǔ)，測點Jc123對應(yīng)的房屋基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)；即設(shè)置鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)后，淺基礎(chǔ)建筑沉降的增幅接近樁基礎(chǔ)建筑沉降的增幅。圖10為車站基坑施工期間淺基礎(chǔ)建筑(對應(yīng)測點Jc84)和樁基礎(chǔ)建筑(對應(yīng)測點Jc123)的沉降隨施工時間的變化對比曲線。由圖可知，建筑沉降隨基坑向下開挖而整體增大；在開挖初期建筑沉降變化趨勢較為平緩；設(shè)置鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)對應(yīng)區(qū)域的建筑沉降在之后的變化趨勢仍較為平滑；無鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)對應(yīng)區(qū)域的建筑沉降在之后則出現(xiàn)陡變的現(xiàn)象。由此可見，鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)的設(shè)置，不僅能限制支護結(jié)構(gòu)的水平向變形，還能使基坑相應(yīng)區(qū)域的鄰近建筑物沉降增幅減小。此外，該陡變現(xiàn)象出現(xiàn)的時間對應(yīng)的是基坑開挖至坑底，且結(jié)構(gòu)底板施工尚未完成時的工況，由此可見，盡快澆筑結(jié)構(gòu)底板有利于減小基坑開挖對鄰近建筑物變形的影響。

圖11 車站結(jié)構(gòu)向上施工期間建筑沉降與離車站基坑距離的關(guān)系

圖12 車站結(jié)構(gòu)向上施工期間建筑傾斜與離車站基坑距離的關(guān)系

圖13 車站結(jié)構(gòu)向上施工期間建筑沉降占比與離車站基坑距離的關(guān)系

2.4 車站結(jié)構(gòu)向上施工對建筑變形的影響

本節(jié)所提及的建筑沉降與建筑傾斜均為在上一工況(車站基坑開挖施工)產(chǎn)生的建筑變形基礎(chǔ)上的變形增量。由于車站結(jié)構(gòu)向上施工過程中，車站基坑拆除支撐、進行換撐時，擾動周邊土體，使其發(fā)生新的固結(jié)變形；基坑外土壓力的受力對象由鋼支撐轉(zhuǎn)變?yōu)檐囌局黧w，由于兩個受力對象剛度不同，會在一定程度上引起基坑外土體發(fā)生變形。此外，長條形車站基坑換撐的先后順序所引起的“時間效應(yīng)”同樣是基坑外土體產(chǎn)生變形的影響因素。

圖11和圖12分別為車站結(jié)構(gòu)向上施工期間鄰近建筑物沉降和傾斜與離車站基坑距離的關(guān)系。圖13為車站結(jié)構(gòu)向上施工期間引起的建筑物沉降占基坑施工全過程引起的建筑沉降的百分比與離車站基坑距離的關(guān)系，僅統(tǒng)計車站結(jié)構(gòu)向上施工引起的建筑最大沉降及朝向地下連續(xù)墻的傾斜的相關(guān)數(shù)據(jù)。

由圖11和圖12可知，車站結(jié)構(gòu)向上施工期間引起的建筑最大沉降達到了29.71mm，均值約12.69mm，建筑沉降隨著離車站基坑距離增大而減小，同一測點顯示的該環(huán)節(jié)引起的建筑沉降與該測點顯示的基坑施工全過程引起的建筑沉降之比的均值約為33.19%；車站結(jié)構(gòu)向上施工期間引起的最大傾斜達到了0.54‰，均值約0.31‰，同一測點顯示的該環(huán)節(jié)引起的建筑傾斜與該測點顯示的基坑施工全過程引起的建筑傾斜之比的均值約20.17%，其數(shù)據(jù)分布較為離散。由圖13可知，車站結(jié)構(gòu)向上施工期間引起的建筑沉降的占比隨離車站基坑距離增大而增大，這與建筑沉降的變化規(guī)律是相反的，說明離車站基坑較近的建筑物沉降在基坑施工前期(地下連續(xù)墻施工及基坑開挖施工)的所受影響較大，在施工后期(車站結(jié)構(gòu)向上施工)所受影響較小，離基坑較遠的建筑物則反之，即車站基坑施工引起建筑沉降具有一定滯后性特點。

可見雖然車站結(jié)構(gòu)底板施工結(jié)束后鄰近建筑物變形已達到一個較大值，但車站結(jié)構(gòu)向上施工期間的房屋建筑變形同樣不容忽視。建議實際施工中采取下列措施減少車站結(jié)構(gòu)向上施工的影響：1)盡快完成車站結(jié)構(gòu)中板、頂板施工，形成整體剛度大的結(jié)構(gòu)體系；2)采取可靠的換撐措施以控制拆撐時建筑變形；3)采取合理的支撐拆除方式，可減小支撐拆除對周邊環(huán)境的影響。

2.5 車站基坑施工全過程地表沉降與建筑沉降對比分析

選取不同建筑基礎(chǔ)類型(淺基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ))的兩個典型剖面(雙東路別墅區(qū)4#樓和萊茵堡門樓)，分別繪制淺基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)對應(yīng)的基坑外建筑及相鄰位置地表的豎向變形，見圖14和圖15。

圖14 基坑外建筑及相鄰位置地表的豎向變形(雙東路別墅區(qū)4#樓，淺基礎(chǔ))

圖15 基坑外建筑及相鄰位置地表的豎向變形(樁基礎(chǔ))

由圖14、圖15可知，地下連續(xù)墻施工結(jié)束時，淺基礎(chǔ)房屋建筑豎向變形呈向下沉降，樁基礎(chǔ)房屋建筑豎向變形呈向上隆起，地表豎向變形均呈“有隆起有沉降”，淺基礎(chǔ)房屋建筑豎向變形與相鄰位置的地表豎向變形相差不大，而樁基礎(chǔ)房屋建筑豎向變形則小于相鄰位置的地表豎向變形。這主要是因為地下連續(xù)墻施工時混凝土灌注對周邊土體有擠壓作用，從而帶動周邊土體發(fā)生豎向變形，淺基礎(chǔ)房屋由于基礎(chǔ)埋深淺，對土體豎向變形引起的豎向作用相對敏感，而樁基礎(chǔ)建筑由于樁基持力層較深，具有較強的抗豎向變形能力，在一定程度上減少了建筑豎向變形，因此建筑豎向變形要小于相鄰位置的地表豎向變形；自基坑開始開挖至車站結(jié)構(gòu)頂板施工結(jié)束期間，房屋建筑豎向變形及相鄰位置的地表豎向變形逐漸增大，豎向變形變化規(guī)律(即淺基礎(chǔ)房屋建筑豎向變形及變化趨勢與相鄰位置的地表豎向變形較為一致，而樁基礎(chǔ)房屋建筑豎向變形的增幅要小于相鄰位置的地表豎向變形增幅)更加明顯。可見淺基礎(chǔ)建筑可按相鄰位置的地表沉降估算其建筑沉降[10]，而樁基礎(chǔ)建筑沉降則需考慮對地表沉降進行折減[11]。

3 結(jié)論

(1)地下連續(xù)墻施工引起鄰近建筑物沉降及傾斜分別占基坑施工全過程引起的相應(yīng)變形量的7.82%和16.47%，地下連續(xù)墻施工影響不容忽視。

(2)車站基坑開挖施工引起的鄰近建筑物沉降及傾斜分別占基坑施工全過程引起的相應(yīng)變形量的58.99%和63.36%。車站基坑開挖期間，鄰近建筑的沉降呈整體增大的趨勢，在開挖初期變化趨勢較為平緩，且呈現(xiàn)出“端部大、中間小”的“空間效應(yīng)”和“先挖區(qū)大、后挖區(qū)小”的“時間效應(yīng)”。

(3)在車站基坑中設(shè)置鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)，不僅能大幅降低支護結(jié)構(gòu)的水平向變形幅度，還能使基坑相應(yīng)區(qū)段的鄰近建筑物沉降變形速率減小，是一種有效的保護措施。

(4)車站結(jié)構(gòu)向上施工引起的鄰近建筑物沉降及傾斜分別占基坑施工全過程引起的相應(yīng)變形量的33.19%和20.17%，該工況引起的建筑沉降占基坑施工全過程引起的建筑沉降的百分比隨離車站基坑距離增大而增大，車站基坑施工引起建筑沉降具有一定滯后性特點，該工況下的鄰近建筑變形量同樣不容忽視。

(5)在車站基坑施工全過程中，建筑沉降隨離車站基坑距離增大而減小，鄰近建筑沉降及地表沉降逐漸增大；淺基礎(chǔ)房屋建筑沉降與相鄰位置的地表沉降幾乎同步增大，而樁基礎(chǔ)房屋建筑沉降的增幅要小于相鄰位置的地表沉降增幅。