代 政

（中鐵十八局集團隧道工程有限公司， 重慶 400700）

隨著軟土地區(qū)地下空間開發(fā)的不斷深入及軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展， 施工單位在城市中心密集區(qū)域會遇到越來越多的深基坑工程。 軟土特有的低強度、 高壓縮性以及顯著流變性等特點及工程周邊密集的建筑群的存在， 不僅極大地增加了基坑施工難度及風(fēng)險， 也對周邊環(huán)境保護提出了較高的要求。 目前， 許多學(xué)者從數(shù)值分析［1-3］、簡化預(yù)測［4-7］、 風(fēng)險評估［8-11］、 實測分析［12-14］等多方面對深基坑工程施工對鄰近建筑物的影響規(guī)律及程度進行了研究。 其中， 實測分析所得出的結(jié)論往往是形成簡化預(yù)測及風(fēng)險評判方法的依據(jù)， 也是驗證數(shù)值模擬準確性的重要參考標準。

在深基坑工程施工過程中， 一般認為由土方開挖施工導(dǎo)致的環(huán)境問題最為突出， 因此目前相關(guān)實測分析多集中于此。 另外， 也有不少學(xué)者認為深基坑工程中圍護施工、 支撐拆除等多個環(huán)節(jié)對周邊環(huán)境有不同程度的影響。

總之， 目前的研究成果多拘泥于深基坑施工中的某一個環(huán)節(jié)， 未見涉及工程全壽命周期的環(huán)境效應(yīng)研究。 本文通過監(jiān)測某地鐵車站主體基坑工程全壽命施工過程， 開展車站基坑施工對鄰近建筑物影響全過程分析。

1 工程概況

研究車站所屬地區(qū)土層分布及土層參數(shù)見表1， 軟土層厚度達12.0m 左右。 坑底主要位于⑤1b 層粉質(zhì)黏土中， 由于場地土層有起伏， 局部位于⑤1t 層黏質(zhì)粉土中。 場地西側(cè)有河， 河寬30m~40m， 水深0.52m~3.53m， 河底淤泥厚度1.10m 左右。

表1 土層參數(shù)表

車站地下部分基坑長268.8m， 寬21.9~26.0m， 深20.16m。 該基坑的支護形式為地下連續(xù)墻 （1m 厚）+內(nèi)支撐， 端頭井段和標準段的支護形式略有差異， 其中： 端頭井段內(nèi)支撐為2 道混凝土+4 道鋼支撐、 連續(xù)墻深42m， 標準段為2道混凝土+3 道鋼支撐、 連續(xù)墻深40m。 為減小基坑施工對周邊環(huán)境的影響， 本工程還在坑底以下3m 進行土體加固， 坑底以上做水泥土弱加固，置換率不低于0.55。 由于車站結(jié)構(gòu)西側(cè)部分位于河道內(nèi)， 該區(qū)域基坑的施工受制于施工場地及河水等因素。 因此， 在車站基坑西側(cè)設(shè)置一排鋼管樁圍護， 這既起到阻隔西側(cè)土體變形的作用， 又保證了基坑西側(cè)有足夠的施工場地。 車站基坑周邊主要建筑物現(xiàn)狀見表2。

表2 鄰近主要建筑物情況一覽表

該車站于2017 年8 月底完成全部地下連續(xù)墻的施作。 本文所研究的工程施工階段為地下連續(xù)墻施工完成后至車站結(jié)構(gòu)頂板施工完成過程中的4 個工況。 相關(guān)工況參見表3。 施工過程中在工程主要部位布設(shè)了建筑沉降觀測點、 地表豎向沉降觀測點。

表3 各工況時間節(jié)點

2 地下連續(xù)墻施工引起周邊建筑沉降分析

地下連續(xù)墻施工包括成槽、 泥漿護壁、 混凝土澆筑與硬化等多個環(huán)節(jié)， 周邊土體不僅要經(jīng)歷復(fù)雜的加、 卸載過程， 還會受到施工的擾動 （如施工機械或混凝土快速灌注對側(cè)壁的沖擊）、 水分遷移與土體軟化、 多樁施工影響的疊加等， 使其變形進一步增大。 此外， 地下連續(xù)墻施工使周邊土體內(nèi)產(chǎn)生正或負的超孔隙水壓力， 由于軟土中超孔隙水壓力消散緩慢， 導(dǎo)致工后仍會產(chǎn)生長期的變形。

地下連續(xù)墻施工期間建筑沉降與車站基坑距離的關(guān)系見圖1。 地下連續(xù)墻施工期間鄰近建筑物建筑沉降占基坑施工全過程建筑沉降的百分比與離車站基坑距離的關(guān)系見圖2。 從實測情況看， 地下連續(xù)墻施工階段建筑豎向位移表現(xiàn)為 “有隆有沉” 的特點， 這是因為地下連續(xù)墻成槽與澆筑混凝土是交替進行的， 混凝土的澆筑效果相當于在墻體上作用一個側(cè)向力， 一般認為墻體在該側(cè)向壓力作用下， 發(fā)生背向開挖面的位移， 使其周圍土體遭受被動土壓力作用，從而使得緊鄰基坑的建筑物有抬升的趨勢。 本文僅統(tǒng)計地下連續(xù)墻施工引起建筑發(fā)生豎向沉降的相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖1 地下連續(xù)墻施工期間建筑沉降與距離的關(guān)系

圖2 地下連續(xù)墻施工期間建筑沉降占比

由圖1 可知， 地下連續(xù)墻施工期間引起的最大建筑沉降為2.70mm； 工程樁樁長大于50m 的樁基礎(chǔ)建筑沉降均值約1.46mm， 工程樁樁長小于20m 的樁基礎(chǔ)建筑沉降均值約1.67mm， 淺基礎(chǔ)建筑沉降均值約2.15mm。 因本工程周邊建筑以樁基礎(chǔ)建筑為主， 基坑施工對其地基基礎(chǔ)變形影響相對較小。 建筑沉降基本呈現(xiàn)隨著與車站基坑距離增大而減小的規(guī)律， 最大建筑沉降監(jiān)測點與坑邊的距離與約1 倍軟土層厚度相當， 地下連續(xù)墻施工主要影響區(qū)域為距坑邊約1.5 倍墻深范圍內(nèi)。 由圖2 可知， 地下連續(xù)墻施工期間引起的建筑沉降與基坑施工全過程引起的建筑沉降之比的均值約19.12%， 其中工程樁樁長大于50m 的樁基礎(chǔ)建筑沉降占比較大。

3 車站基坑開挖施工引起周邊建筑沉降分析

地下連續(xù)墻施工完成后至站結(jié)構(gòu)底板完成期間建筑物沉降與車站距離的關(guān)系見圖3。 基坑開挖的周期內(nèi)引起的最大建筑沉降達到了14.20mm； 工程樁樁長大于50m 的樁基礎(chǔ)和淺基礎(chǔ)的建筑沉降均小于2mm， 工程樁樁長小于20m的樁基礎(chǔ)建筑沉降在6mm~14mm 之間。 建筑沉降基本呈現(xiàn)隨著與車站基坑距離增大而減小的規(guī)律。 最大建筑沉降監(jiān)測點與坑邊的距離與約1 倍基坑開挖深度相當， 基坑開挖施工主要影響區(qū)域為距坑邊約3 倍開挖深度范圍內(nèi)。

圖3 基坑開挖期間建筑沉降與距離的關(guān)系

結(jié)合表2 相關(guān)信息可知， 住宅A、 大酒店和公建建筑均為樁基礎(chǔ)建筑， 而住宅A 由基坑開挖引起的建筑沉降要大于后兩者的相應(yīng)變形量， 這主要是由于建筑工程樁剛度及長度等因素的影響， 即住宅A 的工程樁剛度較小且樁長較短， 樁端持力層較淺， 相應(yīng)的建筑抗變形能力較弱， 而后兩者的工程樁剛度較大， 且樁長較長， 雖然還未嵌巖， 但已有較好的樁端持力層， 故其建筑抗變形能力較強。 這與文獻［12］所提出的嵌巖樁基礎(chǔ)建筑沉降小于摩擦樁基礎(chǔ)建筑的結(jié)論基本相符。 而住宅B 基礎(chǔ)形式為淺基礎(chǔ)， 其建筑變形量要小于住宅A 的建筑變形量， 其主要原因除了前者與基坑距離較遠外， 還有前者處于基坑的端部， 該位置“坑角效應(yīng)” 顯著。

考慮到樁基為隱蔽工程， 相關(guān)數(shù)據(jù)難以測量， 進一步采用數(shù)值模擬的方法分析車站主體基坑施工對樁基礎(chǔ)的影響， 所建立的模型如圖4 所示。 有限元計算結(jié)果顯示， 車站主體基坑開挖施工引起大酒店建筑沉降較?。?.6mm）， 與實際測得變形情況相符； 但其工程樁樁頂水平位移接近變形控制值， 且樁身彎矩較大， 接近樁身開裂彎矩。 因此， 車站主體基坑施工對樁基礎(chǔ)建筑的影響控制不應(yīng)僅針對建筑沉降， 還需要對如樁頂水平位移及樁身彎矩等加以重視。

圖4 主體基坑及周邊建筑三維有限元模型

4 車站結(jié)構(gòu)向上施工引起周邊建筑沉降分析

車站基坑拆除支撐、 進行換撐時改變了原有支護結(jié)構(gòu)的受力平衡狀態(tài)， 以及長條形車站基坑換撐的先后順序所引起的 “時間效應(yīng)”， 又進一步引起坑外土體變形。 圖5、 圖6 為車站主體結(jié)構(gòu)施工過程中鄰近建筑物的沉降變化曲線及其全過程建筑沉降的百分比與離車站基坑距離的關(guān)系。

圖5 車站結(jié)構(gòu)向上施工期間建筑沉降與距離的關(guān)系

圖6 車站結(jié)構(gòu)向上施工期間建筑沉降占比

由圖5 可知， 車站結(jié)構(gòu)向上施工期間引起的最大建筑沉降為11.10mm； 工程樁樁長大于50m的樁基礎(chǔ)建筑沉降均值約1.74mm， 工程樁樁長小于20m 的樁基礎(chǔ)建筑沉降均值約4.88mm， 淺基礎(chǔ)建筑沉降均值約4.48mm， 即車站結(jié)構(gòu)向上施工對工程樁樁長小于20m 的樁基礎(chǔ)建筑沉降影響最大。 與前兩個施工階段相同， 該階段建筑沉降隨著離車站基坑距離增大而減小。 此外， 該階段最大建筑沉降監(jiān)測點與坑邊的距離及施工主要影響區(qū)域與基坑開挖階段基本相同。

由圖6 可知， 該環(huán)節(jié)引起的建筑沉降與基坑施工全過程的建筑沉降之比的均值約為34.55%，遠離車站的位置該比例越小。 表明： 基坑周邊建筑物在基坑施工前中期的影響遠遠小于施工后期的影響， 但是離基坑較近的建筑物則反之。

可見， 雖然車站結(jié)構(gòu)底板完成后鄰近建筑物建筑變形量已達到一個較大值， 但車站結(jié)構(gòu)向上施工期間的建筑變形量同樣不容忽視。

5 車站基坑施工全過程地表沉降與建筑沉降對比分析

以兩個典型剖面為例 （天海大酒店和寧波大公館）， 分別繪制對應(yīng)的基坑外地表建筑沉降槽，見圖7 和圖8。

圖7 基坑外地表建筑沉降槽 （大酒店， 樁基礎(chǔ)）

圖8 基坑外地表建筑沉降槽 （公建建筑， 樁基礎(chǔ)）

由圖可知， 地下連續(xù)墻施工結(jié)束后， 地表豎向沉降大于建筑樁基沉降， 主要是由于建筑樁基為深基礎(chǔ)， 持力層一般較深或位于堅硬巖土層上， 抵抗變形的能力較強； 而地表淺層土體受基坑地下連續(xù)墻施工的擠土效應(yīng)影響易發(fā)生形變；同理， 自基坑開始開挖至車站結(jié)構(gòu)頂板完成期間， 地表豎向變形逐漸增大， 建筑豎向變形則基本不變。

6 結(jié)論

本文基于某地鐵站主體基坑工程， 就地鐵車站深基坑施工全過程（地下連續(xù)墻施工、 車站基坑開挖施工、 車站結(jié)構(gòu)向上施工） 對鄰近建筑物影響進行實測分析， 結(jié)果表明：

（1） 由于本工程周邊建筑以樁基礎(chǔ)為主， 總體上施工對建筑影響較小。 地下連續(xù)墻、 基坑開挖、 車站結(jié)構(gòu)向上施工對建筑的影響都表現(xiàn)為隨著與車站基坑的距離增大而減小。 三個施工階段引起鄰近建筑物建筑沉降分別占到基坑施工全過程相應(yīng)變形量的19.12%、 46.33%和34.55%。 三個施工階段中， 地下連續(xù)墻施工主要影響區(qū)域為距坑邊約1.5 倍墻深范圍內(nèi)， 后兩者施工主要影響區(qū)域較為相近， 為距坑邊約3 倍開挖深度范圍內(nèi)。

（2） 對于采用剛度小、 長度短的摩擦型樁基礎(chǔ)， 其抵抗由車站基坑施工引起的豎向位移的能力較弱， 沉降相對較大， 需引起足夠重視。

（3） 在車站基坑施工全過程中， 地表沉降逐漸增大； 施工對具有較好持力層的樁基礎(chǔ)建筑沉降影響極小， 但應(yīng)關(guān)注對工程樁樁頂水平位移和樁身內(nèi)力的影響。