地鐵基坑施工對近接老舊房屋影響研究及保護措施探討

顧浩磊 鄧向振

1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司 江蘇 南京 210000

2.中國建筑第八工程局有限公司 江蘇 南京 210000

1 引言

隨著城市化進程的加快，城市人口越來越多，交通擁堵日益嚴(yán)重，因此，開發(fā)利用城市地下空間成為解決城市發(fā)展與用地緊缺之間矛盾的主要手段。

我國是世界第一人口大國，全國各地尚存的老舊房屋眾多。隨著城市建設(shè)規(guī)模的增大，一些地鐵施工難免要經(jīng)過這些結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性欠佳的老舊房屋，施工建設(shè)過程中不僅容易引發(fā)各類地質(zhì)環(huán)境問題，還將直接對鄰近房屋的結(jié)構(gòu)安全帶來危害。雖然地鐵施工過程中會采用一些加固措施對近接老舊房屋的結(jié)構(gòu)進行保護，但是由于老舊房屋建造年代久遠，基礎(chǔ)型式較為簡單，且缺乏適當(dāng)?shù)木S護，造成此類房屋抵抗外部荷載的能力顯著降低。長期處于施工環(huán)境下，周邊地表不出現(xiàn)不均勻沉降，將會導(dǎo)致房屋傾斜、主要受力構(gòu)件出現(xiàn)裂縫等情況，極易影響老舊房屋的服役性能。

2 房屋破壞等級劃分

目前，國內(nèi)外對房屋的類型以及沉降和傾斜等破壞屬性提出了多種不同的分級標(biāo)準(zhǔn)及評估方法，包括地震災(zāi)害對建筑物破壞分類、《危險房屋鑒定標(biāo)準(zhǔn)》JGJ125-2016、BRE提出的建筑物破壞分類，如表1所示。

表1 房屋破壞等級劃分比較

房屋安全鑒定單位通常采用房屋完損等級來評價房屋的破壞情況，并根據(jù)房屋的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件等完好或損壞程度，將房屋劃分為完好房、基本完好房、一般損壞房、嚴(yán)重損壞房和危險房五個等級[2]。

3 房屋保護措施

對近接老舊房屋保護是地鐵基坑施工全過程的重要步驟之一，是確保房屋安全運行，使工程順利施工的重要手段。一般施工前先對現(xiàn)況房屋的建筑類型、位置、建造年代等進行初步調(diào)查，據(jù)此設(shè)計最為合理的保護措施。同時在施工過程中對房屋進行實時監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)值及時調(diào)整施工進度，確保近接老舊房屋安全。

3.1 房屋加固

仇偉[1]根據(jù)工程實例，通過對老舊房屋的地基基礎(chǔ)、上部承重結(jié)構(gòu)及圍護結(jié)構(gòu)進行調(diào)查與檢測，再對房屋的承載能力進行驗算，確定房屋施工前狀態(tài)，據(jù)此提出采用高延性混凝土雙面加固砌體受壓構(gòu)件的加固方案，加固施工完成后，對加固效果進行檢驗，結(jié)果表明此加固方案可以有效解決砌體構(gòu)件承載力不足的問題。鄭翔等[2]對基坑施工期間內(nèi)鄰近地表及建筑物的沉降進行監(jiān)測和分析，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和周邊環(huán)境實際情況，提出在車站基坑中，通過設(shè)置鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)的措施，減小相應(yīng)區(qū)段鄰近房屋的沉降變形，達到保護房屋的目的。劉鳳洲等[3]利用基坑施工各階段的監(jiān)測數(shù)據(jù)，重點分析了施工對鄰近房屋的影響，結(jié)果表明，圍護結(jié)構(gòu)成槽澆筑階段對周邊房屋沉降影響較大，均值超過了基坑開挖階段房屋產(chǎn)生的沉降值，據(jù)此提出提高泥漿比重、控制泥漿液面高度、縮短澆筑時間等方案，控制因圍護結(jié)構(gòu)成槽澆筑施工對周邊房屋引起的沉降。

根據(jù)以上實際工程案例可知，房屋加固措施需根據(jù)房屋現(xiàn)狀及工程實際確定，且加固后能有效保護房屋變形，確保施工順利進行和房屋安全。

3.2 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬是研究基坑施工對周邊環(huán)境影響的重要手段，通過數(shù)值模擬的方法，可以在工程施工之前，對工區(qū)周邊環(huán)境影響進行預(yù)測分析。模擬分析施工方案的合理性，為周邊環(huán)境保護方案的設(shè)計提供參考依據(jù)。

孔令華等[4]采用MIDAS GTS有限元軟件模擬施工過程，得出老舊房屋模擬位移與實測位移相近的結(jié)果，確認模擬結(jié)果的可靠性，通過預(yù)測老舊房屋在施工過程中的變形，提出采用基坑支護和分層開挖的方法，控制老舊房屋在施工過程中的變形，保護房屋安全。李鵬宇[5]采用FLAC 3D軟件建立模型，模擬深基坑開挖對鄰近房屋的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基坑施工會使鄰近房屋及周邊地面產(chǎn)生了差異沉降，將直接導(dǎo)致房屋出現(xiàn)裂縫、傾斜等危害，據(jù)此提出了控制施工進度和加強監(jiān)測的建議，對周邊房屋的沉降變形進行控制[3]。

由此可知，數(shù)值模擬在基坑開挖對近接老舊房屋影響問題上應(yīng)用十分普遍，通過采用數(shù)值模擬的方法，可以較好的模擬施工對周邊環(huán)境的影響程度，為周邊老舊房屋的保護提供參考依據(jù)。

4 實際工程保護案例

以南京市號線白云亭站深基坑工程為例。車站西側(cè)為白云小區(qū)、陸軍干休所等；車站東側(cè)為桃園世紀(jì)住宅樓等。其中有7棟為樁基礎(chǔ)房屋，占比達到70%，且建造時間均在1984年～1994年，其結(jié)構(gòu)型式大多為框架結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)與磚混結(jié)構(gòu)結(jié)合或砌體結(jié)構(gòu)。另有1棟淺基礎(chǔ)和2棟條形基礎(chǔ)房屋，占比為30%，建造時間在1984年～1988年之間，其結(jié)構(gòu)型式為磚混結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)。周邊老舊房屋與基坑的位置關(guān)系詳細情況如圖1所示。

圖1 基坑與老舊房屋平面位置關(guān)系圖

基于工程實際情況及對周邊老舊房屋的基本情況，選取建造時間最久遠且基礎(chǔ)形式較為簡單的熱河南路59號樓展開施工前檢測。

該建筑建成于1984年，為一幢六層砌體結(jié)構(gòu)建筑，墻體采用240mm厚燒結(jié)普通磚、水泥混合砂漿砌筑，樓（屋）面板采用預(yù)制鋼筋混凝土空心板，不上人平屋面，其外墻及樓梯間四角均設(shè)置有鋼筋混凝土構(gòu)造柱，樓屋面處設(shè)有封閉圈梁。

本次檢測主要包含以下內(nèi)容：

（1）地基基礎(chǔ)檢查

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，對熱河南路59號樓具備觀測條件的外墻陽角布置測點，采用高精度全站儀及鋼卷尺進行建筑物整體傾斜檢測。檢測結(jié)果顯示，該房屋南北向整體向北傾斜0.07‰，東西向整體向東傾斜+0.17‰。并且該房屋的主要承重構(gòu)件、墻體及相關(guān)連接點也未發(fā)現(xiàn)異常，評定該樓棟地基處于非危險狀態(tài)。

（2）房屋損傷狀況檢查

依據(jù)已有檢測報告及現(xiàn)場檢測結(jié)果得知，熱河南路59號樓存在墻體粉刷層開裂、預(yù)制板板縫裂開等情況。后經(jīng)鑿開部分承重砌體構(gòu)件粉刷層檢查發(fā)現(xiàn)，砌體構(gòu)件所屬環(huán)境正常，砌筑砂漿有明顯的風(fēng)化跡象，風(fēng)化深度約10～15mm，在可控范圍之內(nèi)。且樓棟排水正常，無明顯剪切變形跡象[4]。

（3）砂漿抗壓強度檢測

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，抽取熱河南路59號樓部分砌體構(gòu)件，利用貫入式砂漿強度檢測儀，采用貫入法檢測其砌筑砂漿的抗壓強度。檢測結(jié)果顯示，砂漿抗壓強度的推定值處于4.1MPa～6.0MPa之間，砂漿整體滿足強度要求。

（4）磚抗壓強度檢測

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，隨機抽取熱河南路59號樓部分砌體結(jié)構(gòu)構(gòu)件，利用磚回彈儀，采用回彈法對其砌筑所用磚的抗壓強度進行檢測。結(jié)果顯示，磚的抗壓強度推定值處于12.63MPa～13.16MPa之間，磚強度推定等級為MU10，未發(fā)現(xiàn)磚強度異常變化。

（5）墻體局部傾斜變形檢測

根據(jù)規(guī)范要求及現(xiàn)場實際情況，抽取熱河南路部分墻體，對其局部傾斜變形進行檢測。檢測結(jié)果顯示，部分墻體的局部傾斜變形大于7‰，應(yīng)當(dāng)評為危險構(gòu)件，其余砌體結(jié)構(gòu)構(gòu)件均為非危險構(gòu)件。

綜合上述檢測結(jié)果，將熱河南路59號樓房屋結(jié)構(gòu)的危險性等級評定為C級，即部分承重結(jié)構(gòu)不能滿足安全使用要求，房屋局部處于危險狀態(tài)，構(gòu)成局部危房。因此應(yīng)當(dāng)采取一定的措施對房屋進行保護，以確保房屋安全及施工順利進行。

由于基坑和周邊老舊房屋之間管線較多，對房屋直接采取加固措施會受到眾多因素的干擾，且容易破壞周圍管線。結(jié)合實際情況，本工程選用對軟土地基加固處理和支撐伺服軸力系統(tǒng)相結(jié)合的方式對周邊老舊房屋進行保護。

4.1 軟土地基加固處理

由于本站底板主要在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中。為控制基坑變形和地表沉降，確保周邊老舊房屋安全，對此區(qū)段軟土地基采取加固處理措施[5]。

（1）對基底軟土地層，采取三軸攪拌樁抽條加固；

（2）三軸攪拌樁可采用φ850@600矩形布置。攪拌樁水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥?？觾?nèi)加固基底以下水泥摻入量不小于被加固土重的20%；基底以上水泥摻量為10%?？油饧庸蹋ê郾诩庸蹋┧鄵饺肓坎恍∮诒患庸掏林氐?4%。水泥漿水灰比為0.45～0.55；

（3）強加固區(qū)加固后，28天土體無側(cè)限抗壓強度大于0.8MPa，并且滲透系數(shù)小于1×10-6cm/s。

4.2 鋼支撐伺服軸力系統(tǒng)

鋼支撐伺服軸力補償系統(tǒng)能夠?qū)χ苓吚吓f房屋的變形進行控制，確保周邊老舊房屋安全，同時保證了周邊管線不被破壞。

根據(jù)實際工程需求，本工程對基坑采用如圖2所示的伺服軸力分段模式。

圖2 鋼支撐伺服軸力系統(tǒng)分段

所采用的方法如下：

（1）通過圍護結(jié)構(gòu)測斜管埋設(shè)對圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形展開監(jiān)測。

（2）通過白云亭站伺服鋼支撐基坑布置地表沉降監(jiān)測點對坑外地表沉降展開監(jiān)測。

（3）通過白云亭站伺服鋼支撐基坑預(yù)埋墻后土壓力盒對墻后土壓力展開監(jiān)測，探明基坑開挖過程中非極限狀態(tài)下土壓力的荷載分布形式。

（4）通過白云亭站伺服鋼支撐基坑現(xiàn)場實測的手段，探究基坑開挖過程中明確伺服鋼支撐與普通在開挖過程中軸力發(fā)展特征?？紤]到監(jiān)測點的相互驗證和綜合分析，軸力監(jiān)測點位置應(yīng)選在靠近測斜孔的位置。

（5）通過建立Plaxis 2D模型進行計算分析，結(jié)合基坑開挖過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析基坑開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)變形、地表沉降、土壓力、支撐軸力的發(fā)展特征，探究支撐軸力與圍護結(jié)構(gòu)變形間的映射關(guān)系，初步建立液壓伺服鋼支撐軸力調(diào)整方式。

5 結(jié)語與展望

隨著城市交通的不斷完善，地鐵基坑施工引起近接老舊房屋的安全問題層出不窮。本文總結(jié)了近年來實際工程中常采用的房屋保護措施，據(jù)此提出如下尚需加深研究力度的結(jié)論：

（1）對于基坑施工區(qū)周邊環(huán)境較為復(fù)雜的工程，現(xiàn)有的房屋加固措施實施較為困難，房屋的安全性只能通過控制施工和加強監(jiān)測等方式提升，因此如何直接對房屋采取合理的加固措施值得研究與探討。

（2）對于復(fù)雜地質(zhì)及城市中鄰近建筑群的深基坑，由于影響因素較多，采用數(shù)值模擬的方式預(yù)測建筑物變形具有一定的局限性，因此施工過程中如何準(zhǔn)確地預(yù)測和優(yōu)化周邊環(huán)境的變化情況有待進一步研究。

（3）數(shù)值模擬雖然可以直觀的表達基坑施工對周邊環(huán)境的影響，但如何更加簡單的模擬施工過程、選取本構(gòu)模型、提升模型結(jié)果的準(zhǔn)確性等應(yīng)當(dāng)深入研究。