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(yùn)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(jì)的不斷向前發(fā)展,大中型城市建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大,伴隨而來的城市人口密度的不斷增加進(jìn)而對(duì)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(chǎng)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(jìn)行深基坑工程建設(shè)極易引起對(duì)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(jìn)而影響結(jié)構(gòu)正常使用,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成建筑物坍塌,產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失和不良影響。針對(duì)此類問題相關(guān)學(xué)者開展類似研究,侯勝男等[1]針對(duì)上海某歷史建筑物鄰近深基坑工程,采用新型組合樁對(duì)老建筑物基礎(chǔ)進(jìn)行托換加固,有效地減少基坑開挖對(duì)周邊建筑的影響;徐中華等[2]分析全逆做法深基坑施工對(duì)周邊建筑物的影響,通過全過程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析得出,基坑開挖前期所施工的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、工法樁及降水作業(yè)對(duì)周邊建筑物影響較大,后期采用逆作法施工對(duì)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(dòng)保護(hù)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(shí)降低地表沉降槽的面積,最終減小對(duì)周邊建筑物的影響。然而上述學(xué)者針對(duì)車站深基坑全過程施工對(duì)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(hào)線玉石站鄰近建筑物的狹長(zhǎng)深基坑工程,對(duì)施工過程中自身結(jié)構(gòu)及建筑物穩(wěn)定性進(jìn)行研究,分析總結(jié)結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)、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(hào)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(zhǎng)為280.2 m,標(biāo)準(zhǔn)段總寬為21.1 m,站臺(tái)有效長(zhǎng)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(dú)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(duì)北側(cè)建筑物進(jìn)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(chǎng)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(chǎng)地內(nèi)自上至下各個(gè)地層的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 車站主要地層物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)

2 設(shè)計(jì)方案及建筑物變形控制標(biāo)準(zhǔn)

由于車站場(chǎng)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(duì)沉降變形要求極高。為此通過對(duì)建筑物自身結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)型式結(jié)合計(jì)算分析[4-9]和施工經(jīng)驗(yàn)提出針對(duì)性的建筑物沉降和傾斜控制標(biāo)準(zhǔn)。考慮到洪景麗苑小區(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(biāo)準(zhǔn)需進(jìn)一步提高。最終將該工程變形控制標(biāo)準(zhǔn)定為一級(jí),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(chǎng)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(chǎng)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(duì)建筑物影響的計(jì)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(shí)為準(zhǔn)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(xiǎn)情,降低施工風(fēng)險(xiǎn),避免工程成本增加,故采用有限元數(shù)值分析軟件對(duì)基坑開挖進(jìn)行預(yù)分析[14-16]?？紤]到基坑長(zhǎng)寬比很大,同時(shí)受影響較大的房屋為單體建筑,為重點(diǎn)研究基坑開挖對(duì)房屋建筑的影響,同時(shí)減少程序運(yùn)行時(shí)間,故設(shè)置基坑計(jì)算長(zhǎng)度設(shè)定為60 m,寬度仍為21.1 m?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)采用直徑為1.2 m灌注樁,樁長(zhǎng)為24.5 m。不考慮地下水對(duì)施工的影響,同時(shí)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(duì)計(jì)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(zhǎng)、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(duì)基坑開挖過程中引起鄰近建筑物的沉降變化影響進(jìn)行分析計(jì)算,建模時(shí)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(shí)對(duì)模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)定:模型底部固定約束,頂部為自由面;左右兩面進(jìn)行X方向約束;前后兩面進(jìn)行Y方向約束。考慮到在分析過程中將采用預(yù)注漿對(duì)房屋基礎(chǔ)采取加固措施[17-20],具體建立計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算基坑模型

根據(jù)地勘資料及工程經(jīng)驗(yàn),在進(jìn)行數(shù)值分析驗(yàn)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(biāo)參數(shù)

3.2 基坑開挖分析工況設(shè)定

基坑進(jìn)行土方開挖時(shí)易對(duì)周邊土體產(chǎn)生一定的擾動(dòng)進(jìn)而造成對(duì)周邊建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生一定影響,當(dāng)影響程度較低時(shí),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(huì)出現(xiàn)一定險(xiǎn)情。因此本次模擬分析主要考慮兩種工況進(jìn)行研究:①基坑開挖前不對(duì)建筑物基礎(chǔ)進(jìn)行注漿保護(hù),利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身的作用進(jìn)行分析研究;②基坑開挖前對(duì)建筑物基礎(chǔ)進(jìn)行注漿加固,研究基坑開挖對(duì)其建筑物的沉降變形影響。

3.3 計(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)施工、基坑內(nèi)土體開挖以及后期圍護(hù)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(duì)圍護(hù)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(shí)圍護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)自身作用分析對(duì)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(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移。選取基坑北(近建筑物)、南(遠(yuǎn)離建筑物)兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)處的分析點(diǎn)研究基坑開挖階段各個(gè)工況條件引起圍護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移值變化趨勢(shì)較為一致,同時(shí)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(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)而作用在其上有很大的關(guān)系。同時(shí),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(hù)支撐結(jié)構(gòu)單元

圖4 基坑兩側(cè)圍護(hù)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(hù)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(biāo)準(zhǔn)30 mm。因此需要對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)與建筑物之間采取一定的加固措施,以保證圍護(hù)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(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)處的分析點(diǎn)研究基坑開挖階段各個(gè)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(shì)大致相同,且每次土體開挖結(jié)束后地表沉降峰值點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)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(duì)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(diǎn)研究基坑分次開挖下引起的建筑物沉降變化趨勢(shì)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(diǎn)的位移值均逐漸增加,但增加的趨勢(shì)逐漸減緩,主要原因?yàn)殡S著基坑開挖深度的增加對(duì)周邊土體擾動(dòng)進(jìn)一步加大,導(dǎo)致沉降分析點(diǎn)位移值逐漸增加,后期隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土層之間亦有一定的摩擦作用限制土體的進(jìn)一步位移,因此建筑物沉降增加趨勢(shì)由大逐漸減小。四個(gè)分析點(diǎn)在同一開挖步作用下,位移值也逐漸增加,這與分析點(diǎn)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(cè)點(diǎn)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(jìn)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(cè)點(diǎn)不同開挖步作用下位移值

3.3.2 注漿加固時(shí)圍護(hù)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(shí)在施工過程中僅依靠圍護(hù)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(hù)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(chǎng)實(shí)際情況及現(xiàn)有措施的可操作性,對(duì)基坑臨近周邊房屋進(jìn)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(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移。依據(jù)基坑開挖前期對(duì)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(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移變化趨勢(shì)與未加固時(shí)的側(cè)向位移變化曲線趨勢(shì)大體一致,但整體位移變化峰值均較前期未加固時(shí)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(shí)縮小了50%以上。由此可以得出基坑開挖前進(jìn)行建筑物基礎(chǔ)加固對(duì)減緩圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移有一定的作用。同時(shí),為保證基坑過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性,建議及時(shí)補(bǔ)漿。

圖7 加固后基坑兩側(cè)圍護(hù)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(duì)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(dá)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(shí)地表沉降量減少33.7%。因此進(jìn)一步分析表明基礎(chǔ)前期預(yù)加固對(duì)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(duì)建筑物基礎(chǔ)底部進(jìn)行預(yù)處理加固后,分析基坑開挖對(duì)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(cè)點(diǎn)的位移沉降值均在增加,其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)1所監(jiān)測(cè)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(shí)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(qiáng)監(jiān)測(cè)、及時(shí)注漿。

圖9 加固后建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同開挖步作用下位移值沉降曲線

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

為分析基坑開挖支護(hù)過程中對(duì)自身結(jié)構(gòu)及鄰近建筑物影響。在基坑開挖前期,對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)埋設(shè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)、周邊地表埋設(shè)地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及在建筑物外墻上部埋設(shè)建筑物沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行位移監(jiān)測(cè),現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)頻率根據(jù)基坑開挖深度近似22 m,采用2次/d進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)控。

4.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

如圖10所示,從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)基坑圍護(hù)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(hù)的進(jìn)行,基坑圍護(hù)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(duì)墻外側(cè)土層擾動(dòng)導(dǎo)致土層主動(dòng)土壓力增大有很大聯(lián)系。同時(shí)由圖10可知,基坑第四次開挖后近建筑物側(cè)圍護(hù)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(jìn)而降低了基坑開挖過程中被擾動(dòng)情況,使得側(cè)向位移峰值有所降低。同時(shí)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(chǎng)監(jiān)測(cè)位移變化趨勢(shì)較一致,進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值分析的可靠性。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)近建筑物側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移值

4.2 基坑周邊地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

如圖11所示,從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(hù)的進(jìn)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(shí)整個(gè)施工期地表沉降均未超出基坑沉降控制標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)監(jiān)測(cè)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(cè)結(jié)果

車站基坑開挖共歷時(shí)半年時(shí)間,在建筑物底部共埋設(shè)四處沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn),沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖12所示。從監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)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(dòng)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(shí)進(jìn)行補(bǔ)償漿液有很大聯(lián)系。后期進(jìn)行類似臨近基坑建筑物加固時(shí),需要持續(xù)補(bǔ)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(chǎng)監(jiān)測(cè)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(shí),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(duì)鄰近建筑物采取一定預(yù)處置止沉措施,同時(shí)也需要提高基坑施工變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

(2)基坑開挖施工前期進(jìn)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(hù)機(jī)構(gòu)側(cè)向位移峰值,同時(shí)能夠有效抑制周邊建筑物產(chǎn)生過大沉降。

(3)基坑開挖對(duì)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(jìn)行提前加固處理。

(4)對(duì)建筑物沉降進(jìn)行全過程監(jiān)測(cè)結(jié)果表明建筑物變形呈現(xiàn)出先上升后下降趨勢(shì),這與前期注漿抬升及后期未及時(shí)跟進(jìn)注漿聯(lián)系緊密。