軟弱地層狹長深基坑開挖對鄰近建筑變形穩(wěn)定性分析
——以成都30號線玉石站為例

陳富翔, 謝志恒

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司, 武漢 430040;2.交通運輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心, 武漢 430040;3.中交城市投資控股有限公司, 廣州 510000)

隨著我國經(jīng)濟的不斷向前發(fā)展,大中型城市建設(shè)規(guī)模不斷擴大,伴隨而來的城市人口密度的不斷增加進而對地面交通產(chǎn)生一定的壓力。地鐵作為城市中重要的交通工具之一,在緩解地面交通壓力中扮演重要的角色,通常地鐵車站修建在方便人員出行及人口密度較大的居民區(qū)、學(xué)校及商場周邊,隨著車站數(shù)量增多與之伴隨而來深基坑工程越來越多,尤其是在建筑物周邊進行深基坑工程建設(shè)極易引起對周邊建筑產(chǎn)生一定影響。建筑物一旦發(fā)生不均勻沉降,容易造成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫,進而影響結(jié)構(gòu)正常使用,嚴重時會造成建筑物坍塌,產(chǎn)生較大的經(jīng)濟損失和不良影響。針對此類問題相關(guān)學(xué)者開展類似研究,侯勝男等[1]針對上海某歷史建筑物鄰近深基坑工程,采用新型組合樁對老建筑物基礎(chǔ)進行托換加固,有效地減少基坑開挖對周邊建筑的影響;徐中華等[2]分析全逆做法深基坑施工對周邊建筑物的影響,通過全過程現(xiàn)場監(jiān)測分析得出,基坑開挖前期所施工的圍護結(jié)構(gòu)、工法樁及降水作業(yè)對周邊建筑物影響較大,后期采用逆作法施工對周邊建筑影響較小;應(yīng)宏偉等[3]通過研究隔斷墻作為主動保護鄰近建筑物的方式得出隔斷墻可有效降低坑外地表的最大沉降量,同時降低地表沉降槽的面積,最終減小對周邊建筑物的影響。然而上述學(xué)者針對車站深基坑全過程施工對自身結(jié)構(gòu)及鄰近建筑物的穩(wěn)定性分析較少。

本文依托成都30號線玉石站鄰近建筑物的狹長深基坑工程,對施工過程中自身結(jié)構(gòu)及建筑物穩(wěn)定性進行研究,分析總結(jié)結(jié)構(gòu)變形控制標準、基坑自身結(jié)構(gòu)、周邊地表及建筑物的沉降規(guī)律和施工預(yù)處置措施,其結(jié)論可為類似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

1.1 車站概況

成都30號線玉石站結(jié)構(gòu)形式為地下兩層框架結(jié)構(gòu),車站總長為280.2 m,標準段總寬為21.1 m,站臺有效長為118 m,車站頂板覆土厚度約為4.98 m,基坑開挖深度約為22 m,采用明挖順作法施工?；又苓吔ㄖ饕跃用裥^(qū)和學(xué)校為主,其中受基坑開挖影響大的建筑物為北側(cè)洪景麗苑小區(qū),基礎(chǔ)形式為柱下獨立基礎(chǔ),距基坑周邊距離為2.4 m。其余建筑物距基坑周邊位置適中。本文著重對北側(cè)建筑物進行模擬分析,具體該建筑物與基坑的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 基坑與周邊建筑物位置關(guān)系

1.2 工程地質(zhì)情況

依據(jù)工程地勘資料可知,場地開挖深度范圍內(nèi)自上至下土層分別由第四系全新統(tǒng)人工填筑土層(Q4ml)、黏土、黏土夾卵石及泥巖組成。其中地下水位埋深為3.5～6.6 m。場地內(nèi)自上至下各個地層的物理力學(xué)指標如表1所示。

表1 車站主要地層物理力學(xué)指標參數(shù)

2 設(shè)計方案及建筑物變形控制標準

由于車站場地選址位于建筑物密集區(qū),周邊建筑物與基坑距離較近,且建筑物均為居民住宅樓對沉降變形要求極高。為此通過對建筑物自身結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)型式結(jié)合計算分析[4-9]和施工經(jīng)驗提出針對性的建筑物沉降和傾斜控制標準?？紤]到洪景麗苑小區(qū)距基坑北側(cè)最小凈距為2.4 m。因此建筑物變形控制標準需進一步提高。最終將該工程變形控制標準定為一級,基坑最大沉降量≤0.15%H(H為基坑開挖深度),即為小于33 mm,現(xiàn)場定為最大沉降量控制在20 mm內(nèi);基坑最大水平位移量≤0.2%H,即為小于44 mm,現(xiàn)場定為最大水平位移量控制在30 mm[10-13]。

3 基坑全過程開挖自身結(jié)構(gòu)變形及對建筑物影響的計算與分析

為減少在基坑施工過程中所出現(xiàn)的土體產(chǎn)生過大變形且不可控制,同時為準確分析基坑在開挖過程中出現(xiàn)何種問題以便預(yù)先采取相應(yīng)措施,減少工程險情,降低施工風(fēng)險,避免工程成本增加,故采用有限元數(shù)值分析軟件對基坑開挖進行預(yù)分析[14-16]?？紤]到基坑長寬比很大,同時受影響較大的房屋為單體建筑,為重點研究基坑開挖對房屋建筑的影響,同時減少程序運行時間,故設(shè)置基坑計算長度設(shè)定為60 m,寬度仍為21.1 m。基坑圍護結(jié)構(gòu)采用直徑為1.2 m灌注樁,樁長為24.5 m。不考慮地下水對施工的影響,同時為便于建模將灌注樁等剛度代換為地連墻的厚度,折減后為1 m。為消除邊界條件對計算結(jié)果的影響,最終定為模型的尺寸為既定基坑尺寸的3～5倍,即模型邊界條件長、寬、高分別為150 m×60 m×50 m。

3.1 模型建立及參數(shù)的設(shè)定

利用有限元軟件對基坑開挖過程中引起鄰近建筑物的沉降變化影響進行分析計算,建模時將土層設(shè)定為摩爾-庫倫本構(gòu)模型,其他結(jié)構(gòu)設(shè)定為彈性模型。同時對模型的邊界條件進行設(shè)定:模型底部固定約束,頂部為自由面;左右兩面進行X方向約束;前后兩面進行Y方向約束。考慮到在分析過程中將采用預(yù)注漿對房屋基礎(chǔ)采取加固措施[17-20],具體建立計算模型如圖2所示。

圖2 計算基坑模型

根據(jù)地勘資料及工程經(jīng)驗,在進行數(shù)值分析驗證過程中采用的巖土力學(xué)參數(shù)及相應(yīng)的加固措施物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 車站所處土層及加固措施物理力學(xué)指標參數(shù)

3.2 基坑開挖分析工況設(shè)定

基坑進行土方開挖時易對周邊土體產(chǎn)生一定的擾動進而造成對周邊建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生一定影響,當(dāng)影響程度較低時,周邊建筑物的沉降在允許范圍之內(nèi),一旦影響程度較大則周邊建筑物的沉降超過允許值則會出現(xiàn)一定險情。因此本次模擬分析主要考慮兩種工況進行研究:①基坑開挖前不對建筑物基礎(chǔ)進行注漿保護,利用圍護結(jié)構(gòu)自身的作用進行分析研究;②基坑開挖前對建筑物基礎(chǔ)進行注漿加固,研究基坑開挖對其建筑物的沉降變形影響。

3.3 計算結(jié)果分析

基坑工程中周邊建筑物出現(xiàn)下沉甚至開裂多數(shù)是由于基坑施工期間引起的,其主要的影響因素為圍護結(jié)構(gòu)施工、基坑內(nèi)土體開挖以及后期圍護結(jié)構(gòu)剛度的減小和土體蠕變?？紤]到該工程周邊建筑物距基坑距離很近,主要采用地層預(yù)注漿形成隔斷墻以保證基坑開挖期間周邊建筑不至于產(chǎn)生過大的變形[21-23]。數(shù)值分析主要分析地層加固與否對圍護結(jié)構(gòu)及建筑物變形產(chǎn)生的影響。

3.3.1 未注漿加固時圍護結(jié)構(gòu)及建筑物變形分析

采用基坑開挖過程中利用圍護結(jié)構(gòu)自身作用分析對周邊建筑物影響,分析過程中提取不同工況條件下沿著基坑深度方向圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移及垂直基坑方向基坑周邊地表、建筑物的沉降變化。

(1)圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移。選取基坑北(近建筑物)、南(遠離建筑物)兩側(cè)圍護結(jié)構(gòu)處的分析點研究基坑開挖階段各個工況條件引起圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移變化情況如圖3和圖4所示?；觾蓚?cè)圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移值變化趨勢較為一致,同時兩側(cè)地連墻在基坑開挖過程中所產(chǎn)生的位移變化均朝向基坑內(nèi)側(cè),且北側(cè)靠近建筑物處位移值的變化峰值大于南側(cè),這與北側(cè)處建筑物荷載傳遞至圍護結(jié)構(gòu)進而作用在其上有很大的關(guān)系。同時,隨著基坑開挖及內(nèi)支撐的施作,地連墻側(cè)向位移值逐漸增大且峰值下移。

圖3 圍護支撐結(jié)構(gòu)單元

圖4 基坑兩側(cè)圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移值

總體上基坑北側(cè)鄰近建筑物處側(cè)向位移峰值相較南側(cè)增量為37%,且北側(cè)圍護結(jié)構(gòu)位移峰值超過此前預(yù)先制定的建筑物變形控制標準30 mm。因此需要對圍護結(jié)構(gòu)與建筑物之間采取一定的加固措施,以保證圍護結(jié)構(gòu)變形在控制范圍之內(nèi)。

(2)基坑周邊地表變形。在研究過程中基坑圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形最直接的影響就是造成周邊地表產(chǎn)生一定位移。選取基坑北側(cè)圍護結(jié)構(gòu)處的分析點研究基坑開挖階段各個工況條件引起地表沉降的位移變化情況如圖5所示,由圖5可知,不同開挖深度條件下基坑周邊地表沉降曲線變化趨勢大致相同,且每次土體開挖結(jié)束后地表沉降峰值點逐漸遠離基坑邊,但是離散速率值逐漸減小,在基坑開挖見底后所影響的地表沉降最大值為22 mm,距基坑邊約為12 m,約為基坑開挖深度的0.55倍。

圖5 不同開挖深度下基坑周邊地表沉降曲線

(3)基坑周邊建筑物變形。分析基坑開挖對距基坑邊距離約為2.4 m民用建筑的變形影響,選取建筑物一側(cè)四處分析點研究基坑分次開挖下引起的建筑物沉降變化趨勢如圖6所示。由圖6可知,隨著基坑開挖深度增加,每處分析點的位移值均逐漸增加,但增加的趨勢逐漸減緩,主要原因為隨著基坑開挖深度的增加對周邊土體擾動進一步加大,導(dǎo)致沉降分析點位移值逐漸增加,后期隨著圍護結(jié)構(gòu)與土層之間亦有一定的摩擦作用限制土體的進一步位移,因此建筑物沉降增加趨勢由大逐漸減小。四個分析點在同一開挖步作用下,位移值也逐漸增加,這與分析點距基坑邊的垂直距離有一定的聯(lián)系。從圖6中也可以得出監(jiān)測點4在基坑開挖見底后,建筑物底部的沉降值為19.97 mm,幾乎接近建筑物沉降控制值,因此,在基坑開挖前期要預(yù)先進行基坑與建筑物間的加固措施是至關(guān)重要的。

圖6 建筑物監(jiān)測點不同開挖步作用下位移值

3.3.2 注漿加固時圍護結(jié)構(gòu)及建筑物變形分析

考慮到基坑與鄰近建筑物之間間距過小,同時在施工過程中僅依靠圍護結(jié)構(gòu)自身作用將無法保證基坑開挖過程中臨近基坑圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移、周邊建筑物及地表的安全性。因此在開挖前期需要采取一定的預(yù)加固措施,為不影響周邊居民正常居住,考慮現(xiàn)場實際情況及現(xiàn)有措施的可操作性,對基坑臨近周邊房屋進行袖閥管預(yù)注漿加固,袖閥管采用斜向打入建筑物基礎(chǔ)底部,間距為1.5 m,呈梅花形布置形成隔斷墻以保證基坑開挖期間周邊建筑不至于產(chǎn)生過大的變形。加固后分析過程中提取不同工況條件下沿著基坑深度方向圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移及垂直基坑方向基坑周邊地表、建筑物的沉降變化。

(1)加固后圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移。依據(jù)基坑開挖前期對建筑物地基采取預(yù)加固措施,分析基坑開挖過程中引起圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移變化情況如圖7所示。由圖7可知,圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移變化趨勢與未加固時的側(cè)向位移變化曲線趨勢大體一致,但整體位移變化峰值均較前期未加固時有一定的縮小;整體上每一步開挖后引起的側(cè)向位移峰值較未加固時縮小了50%以上。由此可以得出基坑開挖前進行建筑物基礎(chǔ)加固對減緩圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移有一定的作用。同時,為保證基坑過程中圍護結(jié)構(gòu)的安全性,建議及時補漿。

圖7 加固后基坑兩側(cè)圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移值

(2)加固后基坑周邊地表變形。建筑物基礎(chǔ)加固后,研究基坑開挖對周邊的地表變形分析曲線如圖8所示。由圖8可知,基坑開挖過程中隨著距基坑邊的距離增加,其地表沉降量逐漸增大且沉降速率逐漸增加,但當(dāng)距基坑邊達到一定距離后,地表沉降量逐漸減小。整體上地表沉降峰值為14.58 mm,相較基礎(chǔ)未加固時地表沉降量減少33.7%。因此進一步分析表明基礎(chǔ)前期預(yù)加固對基坑開挖過程中影響地表沉降有一定的減緩作用。

圖8 加固后不同開挖深度下基坑周邊地表沉降曲線

(3)加固后基坑周邊建筑物變形。經(jīng)過對建筑物基礎(chǔ)底部進行預(yù)處理加固后,分析基坑開挖對建筑物變形的影響曲線如圖9所示。由圖9可知,隨著基坑開挖每一處監(jiān)測點的位移沉降值均在增加,其中監(jiān)測點1所監(jiān)測基礎(chǔ)底部沉降值變化較小,這與基礎(chǔ)加固的距離近有一定的關(guān)系。整體上建筑物基礎(chǔ)經(jīng)加固后,基坑開挖見底建筑物沉降的峰值近似為10 mm,相較未加固時建筑物沉降值縮小49%,降低效果顯著。但后期為不影響建筑物的正常施工,施工期間需加強監(jiān)測、及時注漿。

圖9 加固后建筑物監(jiān)測點不同開挖步作用下位移值沉降曲線

4 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)

為分析基坑開挖支護過程中對自身結(jié)構(gòu)及鄰近建筑物影響。在基坑開挖前期,對基坑圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)埋設(shè)位移監(jiān)測點、周邊地表埋設(shè)地面沉降監(jiān)測點以及在建筑物外墻上部埋設(shè)建筑物沉降監(jiān)測點對其進行位移監(jiān)測,現(xiàn)場監(jiān)測頻率根據(jù)基坑開挖深度近似22 m,采用2次/d進行各項指標監(jiān)控。

4.1 圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

如圖10所示,從現(xiàn)場監(jiān)測基坑圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移變化值可以知,隨著基坑每次開挖支護的進行,基坑圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移值逐漸增大且峰值下移,這與基坑開挖深度的增加對墻外側(cè)土層擾動導(dǎo)致土層主動土壓力增大有很大聯(lián)系。同時由圖10可知,基坑第四次開挖后近建筑物側(cè)圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大位移值為18.9 mm,這與數(shù)值分析得出的峰值25.9 mm有所降低,分析為注漿加固使土層的力學(xué)性質(zhì)得到改善,進而降低了基坑開挖過程中被擾動情況,使得側(cè)向位移峰值有所降低。同時由圖7和圖10的側(cè)向位移變化曲線也可得出數(shù)值分析和現(xiàn)場監(jiān)測位移變化趨勢較一致,進一步驗證數(shù)值分析的可靠性。

圖10 現(xiàn)場監(jiān)測近建筑物側(cè)圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移值

4.2 基坑周邊地表沉降監(jiān)測結(jié)果

如圖11所示,從現(xiàn)場監(jiān)測基坑開挖引起地表沉降變化曲線可知,隨著基坑每次開挖支護的進行,基坑周邊地表沉降量隨著距離基坑邊的垂直距離先增加后逐漸減小,最后趨于穩(wěn)定。其中最大沉降量為15.482 mm,距離基坑的垂直距離為基坑開挖深度的0.68倍,沉降峰值相較數(shù)值分析最大沉降量14.582 mm有所增加,但增幅不大,同時整個施工期地表沉降均未超出基坑沉降控制標準20 mm,因此基坑開挖期間周邊地表沉降處于可控范圍內(nèi)。

圖11 現(xiàn)場監(jiān)測不同開挖深度下基坑周邊地表沉降曲線

4.3 建筑物沉降監(jiān)測結(jié)果

車站基坑開挖共歷時半年時間,在建筑物底部共埋設(shè)四處沉降監(jiān)測點,沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖12所示。從監(jiān)測統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以得出建筑物在基坑開挖前期由于地層注漿加固影響建筑物產(chǎn)生輕微抬升,隨后隨著土層固結(jié)及基坑開挖加深擾動土體造成建筑物逐步產(chǎn)生下沉,最大沉降值為13 mm,可能原因與地層注漿加固未及時進行補償漿液有很大聯(lián)系。后期進行類似臨近基坑建筑物加固時,需要持續(xù)補充注漿以保證建筑物在基坑開挖期間變形穩(wěn)定。

圖12 現(xiàn)場監(jiān)測基坑開挖期間引起建筑物沉降位移曲線

5 結(jié)論

(1)在鄰近建筑物的基坑工程施工時,基坑開挖容易造成建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降,需要注重對鄰近建筑物采取一定預(yù)處置止沉措施,同時也需要提高基坑施工變形控制標準。

(2)基坑開挖施工前期進行注漿加固相較未預(yù)注漿加固能夠有效減小周邊地表沉降及圍護機構(gòu)側(cè)向位移峰值,同時能夠有效抑制周邊建筑物產(chǎn)生過大沉降。

(3)基坑開挖對周邊地表影響最大的沉降值距基坑垂直距離近似為基坑開挖深度的0.5倍,本次研究的建筑物距基坑邊的距離在此影響范圍之內(nèi),其建筑物基礎(chǔ)沉降受此影響較大,需要進行提前加固處理。

(4)對建筑物沉降進行全過程監(jiān)測結(jié)果表明建筑物變形呈現(xiàn)出先上升后下降趨勢,這與前期注漿抬升及后期未及時跟進注漿聯(lián)系緊密。