高層建筑地下室施工對鄰近建筑的影響監(jiān)測

欒桂漢，張若弛，李 釗，徐曉攀，李 欣

（1.奧來國信（北京）檢測技術(shù)有限責任公司，北京 100121；2.北京市建設工程質(zhì)量第二檢測所有限公司，北京 100045；3.濟南市城鄉(xiāng)規(guī)劃編制研究中心，山東 濟南 250099）

0 引言

近年來，隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術(shù)的進步，城市面貌日新月異，高樓大廈如雨后春筍般地拔地而起，深基坑工程發(fā)展迅速。在國內(nèi)如北京上海等特大型城市，建設土地日益稀缺，市區(qū)內(nèi)建（構(gòu)）筑物日益密集，高層建筑和超高層建筑日益增多，建（構(gòu)）筑物間的凈距日益縮小。因此，在工程設計和施工過程中，需要考慮新建（構(gòu)）筑物的施工對鄰近建（構(gòu)）筑物的影響，保證周圍建（構(gòu)）筑物的安全和正常使用，深基坑工程對鄰近建（構(gòu)）筑物的影響尤為顯著。

在深基坑工程的施工過程中，基坑監(jiān)測是整個施工過程的重要環(huán)節(jié)，它對于保證整個基坑以及周邊建（構(gòu)）筑物的安全有重要的意義，目前國內(nèi)施工企業(yè)對基坑監(jiān)測都比較重視。但是，目前在進行深基坑施工過程時，很少有單位對周邊建（構(gòu)）筑物進行監(jiān)測。在深基坑施工過程中經(jīng)常發(fā)生鄰近建（構(gòu)）筑物發(fā)生開裂、變形等現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)嚴重傾斜和坍塌，尤其是與鄰近建（構(gòu)）筑物距離較近或鄰近建（構(gòu)）筑物年代較為久遠，抵抗變形能力較差時［1，2］。

本文通過在某一實際深基坑工程施工過程中對鄰近框架結(jié)構(gòu)的梁柱構(gòu)件的表面應變以及框架填充墻體的裂縫寬度進行監(jiān)測，總結(jié)歸納深基坑開挖對鄰近建筑影響的一般性的規(guī)律，供相關(guān)工程人員參考。

1 工程概況

某科研樓主樓地上 13 層，地下 3 層，建筑高度 60 m，東側(cè)裙房為地上 3 層，建筑高度 14.95 m，下設整體地下車庫。車庫地下 3 層；外圍設 2 層純地下車庫，上覆土厚約 0.6 m。整個建筑的平面輪廓如圖 1 所示。本工程主體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，在橫向布置屈曲約束支撐（BRB），局部采用型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)，利用型鋼混凝土梁進行受力轉(zhuǎn)換。本工程采用梁板式筏形基礎(chǔ)，采用結(jié)構(gòu)自重平衡式抗浮，基礎(chǔ)埋深約 15.55 m，開挖面積約 11 090 m2。

圖1 某科研樓項目平面輪廓圖

在該工程西側(cè)距離基坑邊緣 4 m 處為一混凝土框架結(jié)構(gòu)辦公樓。該辦公樓地上 5 層，無地下室，平面沿東西方向大致呈矩形布置，建筑物長度為 66 m，寬度為29.4 m，首層層高 3 900 mm，2～4 層層高 3 600 mm，5 層層高 3 490 mm，結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，建筑平面示意圖如圖 2 所示。該建筑填充墻體采用 200 mm 厚加氣混凝土砌塊砌筑，填充墻體和主體框架之間設置了拉結(jié)鋼筋。本工程采用柱下獨立基礎(chǔ)，持力層為層輕亞黏土，基礎(chǔ)埋深為 3.9 m。

圖2 西側(cè)辦公樓平面軸網(wǎng)示意圖（單位：mm）

根據(jù)本工程的巖土工程勘察報告可知，場地（48 m）深度范圍內(nèi)的地層劃分為人工填土層、新近沉積層、一般第四紀沉積土層三大類，并按地層巖性和物理力學指標進一步劃分為 8 個大層，按照自上而下的順序分別為：①黏質(zhì)粉土填土②黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土③粉質(zhì)黏土④細砂、粉砂⑤卵石、圓礫⑥粉質(zhì)黏土、重粉質(zhì)黏土⑦卵石、圓礫⑧卵石、圓礫。在勘查范圍內(nèi)，實際測量到 2 層地下水，地下水類型為上層滯水及第四系地層中的孔隙潛水。其中上層滯水的埋深為 5.36～10.30 m，潛水的埋深為 18.22～18.40 m。

該科研樓的基坑開挖深度為 15.55 m，開挖面積約 11 090 m2，屬超大深基坑工程，在基坑周邊分布有辦公樓、住宅樓、鍋爐房以及部分未探明具體位置的管線等構(gòu)筑物，因此，為了保證基坑自身的施工安全和周邊構(gòu)筑物的安全，本工程基坑采用“局部土釘墻+護坡樁+錨桿”的支護方式，共設置 3 個支護剖面，基坑側(cè)壁等級為一級，重要性系數(shù)γ0=1.1?；游鱾?cè)圍護樁長為 19.8 m，嵌固深度為 4.75 m，樁徑 0.8 m，樁間距為1.6 m，設置 4 道預應力錨桿，錨桿標高分別為-3.5、-7.0、-10.0、-13.0 m，錨桿直徑均為 150 mm，總長分別為 25.0、23.0、21.0、19.0 m，錨桿鎖定值分別為 540、540、530、475 kN。

在基坑施工過程中采取坑外降水坑內(nèi)疏干的方式對地下水進行控制，并對基坑施工進行監(jiān)測。

在該項目基坑施工過程中，發(fā)現(xiàn)基坑西側(cè)辦公樓部分填充墻體出現(xiàn)嚴重開裂，墻體裂縫均為斜向裂縫，開裂的墻體包括縱墻和橫墻，開裂現(xiàn)狀如圖 3 所示。

圖3 西側(cè)辦公樓填充墻體開裂現(xiàn)狀

現(xiàn)場查看，墻體裂縫主要集中在辦公樓東側(cè)三跨范圍內(nèi)，向西逐漸減弱，8 軸以西各跨基本未出現(xiàn)墻體開裂現(xiàn)象，1～5 層各層的填充墻體均出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。現(xiàn)場實測，填充墻體的裂縫寬度范圍為 0.02～0.48 mm。

2 監(jiān)測方法及設備

為了保證基坑西側(cè)辦公樓的安全，業(yè)主單位對該辦公樓進行了結(jié)構(gòu)監(jiān)測。為達到對本項目實時監(jiān)測，保證結(jié)構(gòu)的時刻安全，同時方便監(jiān)測人員及時有效地對監(jiān)測數(shù)據(jù)及時進行了解、分析及處理，本項目的監(jiān)測采集數(shù)據(jù)采用長距離無線傳輸模塊進行實時的遠距離傳輸，同時能夠通過無線模塊對采集模塊的工作狀態(tài)進行異地的實時監(jiān)控。在遠程控制端可以設置報警值，當現(xiàn)場測試值超過報警值時，遠程控制服務器會進行報警。在本工程的監(jiān)測過程中，由于填充墻體為非結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件，參考委托單位和使用單位的要求并結(jié)合相關(guān)規(guī)程，填充墻體裂縫的報警值設置為 2 mm?；炷翍兊膱缶祬⒖?GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（2016 年版）設置為 0.02。

根據(jù)本工程的實際情況，采用表面式振弦傳感器測量裂縫的寬度和混凝土構(gòu)件的表面應變［3］。表面式振弦傳感器內(nèi)置溫度傳感器，可以根據(jù)環(huán)境的不同自動對應變數(shù)據(jù)進行溫度修正。

本次現(xiàn)場監(jiān)測工作選用分布式全自動多點綜合靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)由上位機（計算機）、采集單元、系統(tǒng)軟件等組成，系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，每個采集單元可接入 8～64 個傳感器，上機位與采集單元的數(shù)據(jù)傳輸采用無線網(wǎng)絡傳輸?shù)姆绞?，傳輸不受距離限制。

在本工程的監(jiān)測過程中，根據(jù)實際情況，分別在結(jié)構(gòu)東側(cè)靠近基坑的三跨范圍內(nèi)（8 軸至 11 軸范圍內(nèi)）開裂的填充墻體及其附近的框架梁柱表面安裝裂縫傳感器和應變傳感器，其中裂縫傳感器安裝在裂縫寬度較大位置處，傳感器的方向垂直裂縫的方向；應變傳感器安裝在混凝土構(gòu)件的表面應變或應力變化較大的部位，主要是混凝土柱頂部平行于結(jié)構(gòu)橫向的表面和縱向混凝土梁靠近梁柱節(jié)點部位的頂部或底部［4］。

由于本次監(jiān)測開始時基坑已經(jīng)開挖完畢，并且開始進行地下工程施工，無法確認基坑開挖以前的原始狀態(tài)，因此在監(jiān)測過程中以開始監(jiān)測的狀態(tài)為初始狀態(tài)。在儀器安裝調(diào)試完畢以后，對所有裂縫安裝傳感器的位置附近的裂縫寬度進行測量記錄，并對測量位置以及裂縫的兩端位置進行標記。在停止監(jiān)測時，對標記位置處的裂縫寬度進行測量。

監(jiān)測開始以前對墻體裂縫進行普查，所有裂縫表面裂茬均無灰塵，符合新出現(xiàn)裂縫特征。

3 監(jiān)測結(jié)果

本次監(jiān)測的周期為 6 個月，每天采集 4 次數(shù)據(jù)，采集間隔為 6 h。為了便于比較和分析，對每天的監(jiān)測數(shù)據(jù)選取 0∶00、6∶00、12∶00 和 18∶00 采集的數(shù)據(jù)。

在本文中選取在監(jiān)測前后數(shù)據(jù)變化幅度較大的 9 個測點進行比較分析，包含 3 個裂縫寬度測點、3 個混凝土柱應變測點和 3 個混凝土梁應變測點。各測點的具體位置如表 1 所示。

表1 測點詳細情況表

上述各測點在整個監(jiān)測過程中的數(shù)據(jù)如圖 4～12所示。

圖4 4 層墻 1/10 軸×H 軸-G 軸裂縫寬度數(shù)據(jù)

圖5 5 層墻 F 軸×1/10 軸-11 軸裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖6 5 層墻 F 軸×9 軸-10 軸裂縫寬度數(shù)據(jù)

圖7 1 層梁 H 軸×10 軸-1/10 軸表面應變數(shù)據(jù)

圖8 4 層梁 H 軸×10 軸-1/10 軸表面應變監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖9 5 層梁 F 軸×10 軸-11 軸表面應變數(shù)據(jù)

圖10 2 層柱 11 軸×F 軸表面應變數(shù)據(jù)

圖11 5 層柱 11 軸×F 軸表面應變數(shù)據(jù)

圖12 4 層柱 10 軸×G 軸表面應變數(shù)據(jù)

在監(jiān)測過程中，對填充墻體的裂縫發(fā)展進行觀測，在整個監(jiān)測過程中，未發(fā)現(xiàn)墻體裂縫向兩端繼續(xù)發(fā)展，裂縫長度基本保持穩(wěn)定；未發(fā)現(xiàn)新出現(xiàn)的墻體裂縫。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

對上述監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析比較，可以看出在基坑開挖完畢到主體結(jié)構(gòu)封頂?shù)倪^程中，監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)的填充墻體表面的裂縫寬度以及梁柱混凝土構(gòu)件的表面應變均在持續(xù)變化，但是變化幅度較小，而且從整個監(jiān)測數(shù)據(jù)時程可以發(fā)現(xiàn)，混凝土構(gòu)件的表面應變的變化趨勢大致是呈線形的，監(jiān)測后期基本趨于穩(wěn)定，整個監(jiān)測過程中未發(fā)現(xiàn)構(gòu)件表面應變出現(xiàn)較大的跳躍；填充墻體表面的裂縫的寬度數(shù)據(jù)存在波動，有明顯的波峰和波谷，波動幅度較大，裂縫寬度的變化幅度不超過 4 mm。

監(jiān)測過程中對混凝土構(gòu)件外觀現(xiàn)狀進行檢查，在整個監(jiān)測過程中未發(fā)現(xiàn)混凝土構(gòu)件表面出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，這與檢測結(jié)果基本一致。根據(jù)實測結(jié)果可知，混凝土梁表面應變量大致為 28～55με，對應的應力變化范圍為 0.84～1.65 N/mm2；混凝土柱表面應變量大致為32～43 με，對應的應力變化范圍為 0.96～1.29 N/mm2。

對整個時程進行查看，填充墻體表面的裂縫和混凝土構(gòu)件的表面應變在鄰近建筑的施工過程中不是同步變化的，而梁柱的表面應變基本是同步變化的。

對上述現(xiàn)象進行分析，主要原因是框架結(jié)構(gòu)在施工過程中采用構(gòu)造措施（如拉結(jié)鋼筋等）將填充墻體與主體結(jié)構(gòu)拉結(jié)在一起，但是二者之間并沒有形成剛性連接，當填充墻體周邊的主體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時，必然會引起填充墻體的變形，因此填充墻體變形要滯后于主體結(jié)構(gòu)。由于填充墻體是由砌塊和砂漿砌筑而成，屬于非勻質(zhì)材料，同時砂漿的強度離散性較大，在實際工程中可以發(fā)現(xiàn)墻體裂縫有時與砌塊灰縫重合，有時砌塊發(fā)生受剪開裂。由于砌體材料均為脆性材料，當砌體所受剪力達到砌體的抗剪強度時，砌體就會開裂，應力發(fā)生重分配，墻體達到新的平衡狀態(tài)。當外界產(chǎn)生的應力繼續(xù)聚集時，裂縫兩端未開裂的墻體會繼續(xù)開裂，裂縫寬度增大，裂縫長度向外發(fā)展。

地基變形會導致基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻沉降，從而引起上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形和開裂，因此，在鄰近基坑施工過程中，地基出現(xiàn)沉降時最先受到影響的是相關(guān)范圍內(nèi)的框架柱，框架結(jié)構(gòu)是整體澆筑的，因此混凝土柱和梁表面應變基本是同步變化的。

此外，通過本次監(jiān)測可以看出，在地下結(jié)構(gòu)施工過程中對周邊結(jié)構(gòu)的影響還繼續(xù)存在，周邊結(jié)構(gòu)的地基變形還在繼續(xù)發(fā)展，只是隨著施工的向上進展以及結(jié)構(gòu)出地面以后對肥槽的回填，周邊結(jié)構(gòu)的地基變形發(fā)展趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)論

為了充分了解某一實際的深基坑工程在施工過程中對鄰近建筑物的影響，保證鄰近建筑物的安全使用，對該建筑進行了施工過程中的監(jiān)測。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，主要結(jié)論如下。

1）在基坑開挖完畢至主體結(jié)構(gòu)施工封頂?shù)倪^程中，深基坑周邊建筑物的地基仍在繼續(xù)發(fā)生變形，變形量很小并逐漸趨于穩(wěn)定；

2）在監(jiān)測過程中，混凝土構(gòu)件表面應變大致呈線性變化，填充墻體表面裂縫的寬度變化波動較大，這是由于填充墻體的自身受力特點和自身材料特點決定的；

3）框架結(jié)構(gòu)建筑物的地基發(fā)生變形時，框架柱和框架梁的變化基本是同步的。

為了充分了解和研究深基坑對周邊建（構(gòu)）筑物的影響，保證鄰近建（構(gòu)）筑物的安全使用，建議在基坑施工以前請有資質(zhì)的檢測機構(gòu)對周邊建筑進行宏觀檢查，重點檢查記錄構(gòu)件表面的裂縫位置、形態(tài)、最大寬度以及兩端端點位置，并留下影像資料；確定沉降觀測點，做好沉降觀測，并對建筑的垂直度進行觀測記錄，在基坑施工過程中對基坑及臨近建筑進行全過程監(jiān)測。Q