富水砂層鄰近老舊建筑物基坑開挖變形研究

姜 皓 （中交隧道工程局有限公司，北京 100102）

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)日益增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)促使交通飛速發(fā)展，地鐵的大量修建大大滿足了城市交通的暢通性，并且在一定程度上緩解了地上交通的壓力[1]。其中，地鐵車站的修建涉及深基坑的開挖與支護(hù)[2～3]。在臨近老舊建筑物富水砂地層上修建地鐵，首先要考慮到富水砂層土質(zhì)[4～5]流動(dòng)性大、穩(wěn)定性及承載力差的特點(diǎn)，開挖極易產(chǎn)生地表塌陷沉降，其次要考慮到密集的建筑群會(huì)讓基坑周圍環(huán)境的復(fù)雜程度大大提升，施工作業(yè)區(qū)狹窄，土體開挖時(shí)很有可能對(duì)周圍建筑物地基基礎(chǔ)、管線及地下結(jié)構(gòu)造成影響[6]。因此，富水砂層臨近老舊建筑物地鐵基坑施工難度較大，對(duì)施工工藝及技術(shù)要求較高。

截至目前，我國(guó)學(xué)者針對(duì)富水砂層條件下城市地鐵深基坑開挖與支護(hù)施工進(jìn)行了研究，并取得了一些成果。吳波、許杰[7]以福州地鐵站盾構(gòu)工程為例，采用正交試驗(yàn)的方法，運(yùn)用Plaxis 3D建立富水砂層土體硬化模型，并對(duì)各剛度參數(shù)進(jìn)行分析，確定土體硬化模型各剛度參數(shù)敏感性和顯著性，研究結(jié)果較好地預(yù)測(cè)了地表沉降最大值，為富水砂層土體開挖及盾構(gòu)施工提供理論基礎(chǔ)。李艷春[8]以深圳地鐵富水砂層基坑施工為例，對(duì)施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了地面沉降、圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形等一系列變化規(guī)律，說(shuō)明了圍護(hù)結(jié)構(gòu)順逆作法能夠很好控制地面沉降以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。馮翔[9]以某實(shí)際工程為例，針對(duì)富水砂層基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型進(jìn)行了對(duì)比，并對(duì)基坑開挖對(duì)長(zhǎng)江大堤的影響進(jìn)行了有限元分析，得出了基坑開挖對(duì)其影響較小的結(jié)論。張向文[10]對(duì)鄰近建筑物基坑開挖造成建筑物破壞案例進(jìn)行分析，并依據(jù)各類破壞機(jī)理提出有效的管控指標(biāo)。

以上學(xué)者針對(duì)富水砂層基坑開挖與支護(hù)及鄰近建筑物基坑施工，均進(jìn)行了大量研究，但對(duì)富水砂層基礎(chǔ)上鄰近老舊建筑物基坑開挖變形研究較少。本文以哈爾濱市靖宇五道街站工程為背景，對(duì)富水砂層鄰近老舊建筑物基坑開挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工方案進(jìn)行了研究，并對(duì)基坑開挖變形進(jìn)行分析，為今后類似工程提供借鑒。

2 工程概況

哈爾濱靖宇五道街站為地下島式車站，基坑開挖深度為25.9m。車站位于哈爾濱市松花江南岸，沿靖宇街東西向布置，站兩側(cè)為密集建筑群和商業(yè)建筑，同時(shí)還有大量歷史悠久的保護(hù)建筑，空間狹小，另外建筑物地下還設(shè)有復(fù)雜的地下管線。

3 狹小空間基坑主體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位施工

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工

由于車站所處位置屬于富水砂層，且處于狹小空間的密集建筑群當(dāng)中，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻形式。因基坑位于富水砂層，水位較高，故采用水下C35防水混凝土灌注，抗?jié)B等級(jí)為P8。并且為防止地連墻滲水導(dǎo)致周邊大面積土體塌陷，進(jìn)而對(duì)鄰近建筑物造成破壞，在地連墻接縫處十字鋼板內(nèi)側(cè)及接頭鋼筋籠角部預(yù)埋梁根注漿管。

為了提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工階段安全性，在建筑物附近圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)施工高壓旋噴樁槽壁加固，施工完成后在接縫位置，采用MJS工法樁止水加固?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)圖

3.2 格構(gòu)柱及立柱樁施工

基坑采用雙排610×610格構(gòu)柱和直徑1200mm立柱樁作為支撐結(jié)構(gòu)體系，格構(gòu)柱所用角鋼、鋼板均采用Q345鋼，標(biāo)準(zhǔn)段格構(gòu)柱為26根，長(zhǎng)度為24m，端頭段格構(gòu)柱為12根，長(zhǎng)度為24.51m，外擴(kuò)段格構(gòu)柱為4根，長(zhǎng)度為24m，格構(gòu)柱插入立柱樁深度為3m。立柱樁水下混凝土等級(jí)為C35，立柱樁插入底板底面下深度為28m?；庸灿?道內(nèi)撐，為控制基坑變形引起安全隱患，第一、三道內(nèi)撐采用混凝土支撐，其余為鋼支撐加換撐。

4 狹小空間基坑開挖變形分析

4.1 有限元模型建立

基坑處于富水砂層地質(zhì)，土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

土層物理力學(xué)參數(shù) 表1

圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型、基坑及周圍建筑物整體模型如圖2所示。

圖2 整體結(jié)構(gòu)模型

4.2 模擬工況設(shè)置

施工階段模型分析運(yùn)用累加方式，可將靖宇五道街站基坑開挖過程分為7個(gè)工況，如表2所示。

基坑開挖工況表 表2

4.3 結(jié)果分析

4.3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移分析

水平位移指向坐標(biāo)方向?yàn)檎?，反之為?fù)。工況1～7圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同施工階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移云圖

由圖3可知，工況1、2基坑開挖無(wú)內(nèi)撐，樁頂圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移為4mm。由于工況3～7基坑開挖深度不同，工況3～7圍護(hù)結(jié)構(gòu)在樁長(zhǎng)為21m左右，到達(dá)最大水平位移為18.18mm。

圖4 不同施工階段土體豎向位移云圖

4.3.2 土體豎向位移結(jié)果分析

基坑開挖過程中，會(huì)引起基坑底部土體的豎向位移，不同施工階段土體豎向位移結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，工況1～7，基坑被動(dòng)區(qū)卸土量不斷增大，增大的卸土量導(dǎo)致基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外產(chǎn)生了豎向壓差，再加上地面上荷載作用導(dǎo)致距離基坑邊緣越遠(yuǎn)，土體沉降量越小，產(chǎn)生基坑底部中心隆起位移現(xiàn)象，并且開挖深度越大，地表豎向沉降量也越大，基坑底部中心隆起越大。距離坑邊4m左右，基坑底部地層沉降量最大值為17.20mm。

5 結(jié)語(yǔ)

首先對(duì)靖宇五道街狹小空間基坑開挖主體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位施工中圍護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑支撐結(jié)構(gòu)以及基坑土方開挖施工方案進(jìn)行研究，保證了基坑富水砂層條件下緊鄰老舊建筑物基坑開挖施工的順利進(jìn)行。接著運(yùn)用MIDAS GTS NX針對(duì)富水砂層地質(zhì)條件以及基坑所處復(fù)雜的周圍環(huán)境，建立了圍護(hù)結(jié)構(gòu)及基坑整體有限元模型，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和基坑底部土體沉降進(jìn)行分析計(jì)算，得出以下結(jié)果。

①通過局部采取高壓旋噴樁進(jìn)行槽壁加固、MJS工法樁在地連墻接縫處止水加固及對(duì)建筑物基礎(chǔ)下方進(jìn)行注漿等方式，有效控制基坑周邊地表沉降及建筑物變形，取得了良好的實(shí)施效果。

②工況7開挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移最大為18.18mm，滿足圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身變形要求。

③基坑底部中心土體產(chǎn)生隆起位移現(xiàn)象，豎向沉降量隨著開挖深度不斷變大，基坑底部地層沉降量最大值為17.20mm，滿足土體變形要求。

經(jīng)過對(duì)富水砂層狹小空間基坑主體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位施工方案進(jìn)行研究，保證了施工安全有序進(jìn)行。通過有限元分析計(jì)算，圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及基坑底部土體沉降量滿足施工與構(gòu)造要求，為今后富水砂層鄰近老舊建筑物基坑開挖工程提供了借鑒。