软土地区地铁车站深基坑施工全过程对邻近建筑物影响实测分析*

2021-06-23汤继新成怡冲龚迪快蓝建中

建筑结构 2021年10期

郑翔，汤继新，成怡冲，龚迪快，蓝建中

(1 浙江华展工程研究设计院有限公司，宁波 315012； 2 宁波市轨道交通集团有限公司，宁波 315101)

0 引言

软土地区城市轨道交通不仅需要穿过密集的建筑群和纵横交错的管线网，同时还要面对具有低强度、高压缩性以及显著流变性的软土地质条件，工程难度和风险极大，工程环境保护要求也极为严格。深基坑工程涉及围护施工、土方开挖、基坑降水、支撑拆除等多个环节，由于挖土施工导致的环境问题最为突出，故目前关于软土地区深基坑开挖对邻近建筑的影响的研究已形成较多成果[1-4]。需要指出的是，不同环节施工对邻近建筑的影响规律和程度亦不同。龚江飞等[5]以天津某深基坑工程为例，研究了软土地区深基坑开挖对周边文物建筑沉降的影响，结果表明土方开挖、基坑降水、施工扰动都是导致其不均匀沉降的原因。朱宁[6]依托苏州地铁某车站基坑地下连续墙施工，以3幅相邻且连续的地下连续墙槽段为研究对象，展开地下连续墙施工全阶段监测，结果表明地下连续墙施工对浅层土体扰动较大，对深层土体扰动较小，桩基础建筑对地下连续墙施工引起的建筑沉降起到抑制作用。张治国等[7]则以上海在建工程为例，分析了基坑施工对周边建筑物结构沉降的影响，结果表明，随拆除支撑施工进度的推进，邻近建筑物的沉降逐渐增大，但变化速率较为平稳。总体而言，目前关于深基坑施工影响问题的实测研究多关注于某一施工环节，对于深基坑施工全过程导致的环境效应问题的实测研究较少，各环节的施工影响之间的对比及分阶段控制措施研究更是鲜有报道。本文以宁波轨道交通4号线双东路地铁车站为例，通过车站基坑施工全过程的跟踪监测，开展车站基坑施工全过程对邻近建筑物的影响实测分析，并针对各施工环节提出了变形控制建议。

图2 基坑支护剖面图(端头井)

图3 基坑支护剖面图(标准段)

1 工程概况

宁波市双东路地铁车站地下部分基坑长214.6m，宽22.6～24.8m，标准段基坑深度为17.15m，端头井基坑深度为19.16m。站区内土层分布及土层物理力学见表1，典型剖面见图1。坑底主要位于④1b淤泥质粉质黏土层中，由于场地土层有起伏，局部位于④2b粉质黏土层中。

车站主体基坑围护结构为墙厚800mm的地下连续墙，标准段围护深度为39m、端头井围护深度为40m。车站基坑采用地下连续墙+支撑的支护形式，其中端头井采用一道钢筋混凝土支撑结合五道钢支撑，标准段采用一道钢筋混凝土支撑结合四道钢支撑，基坑支护典型剖面图见图2和图3，其中δ为钢支撑厚度。基坑平面布置图见图4。

土层物理力学参数表1

图1 典型地质剖面图

为减小基坑施工对周边环境的影响，本工程还采取了以下加固措施：在坑底以下3m进行土体加固，坑底以上做水泥土弱加固，置换率不低于0.8；邻近浅基础建筑区域的基坑第三道及以下支撑均采用钢支撑轴力伺服系统(图2中虚线以北)；车站主体基坑开挖前先行施工附属基坑围护墙(φ850@600SMW工法桩，桩长25m，隔一插二，内插H型钢，型钢长24.5m)作为隔离墙。车站主体基坑施工期间的周边主要建筑物有莱茵堡门楼，莱茵堡别墅区1#～7#楼、双东路别墅区1#～5#楼，其中典型建筑物情况见表2。

图4 基坑平面及监测点布置图

邻近主要建筑物情况表2

2 周边建筑沉降实测分析

2.1 施工流程与监测内容

车站基坑于2017年7月16日完成地下连续墙施工，之后向下开挖施工，本文主要研究地下连续墙施工结束(时间节点为2017年7月16日)、车站主体基坑开挖至车站结构底板施工结束(简称车站基坑开挖施工，时间段为2017年7月17日至2017年12月20日)、车站结构向上施工至车站结构顶板施工结束(简称车站结构向上施工，时间段为2017年12月21日至2018年5月7日)3个典型工况下周边建筑及地表的变形情况。在各典型建筑物角点布设建筑沉降点，并在邻近建筑的地表布设土体竖向位移监测点，具体监测点布置如图4所示。

2.2 地下连续墙施工对建筑变形的影响

地下连续墙的成槽施工会破坏原有土体的应力平衡状态，为达到新的平衡，在护壁泥浆压力和土压力的共同作用下槽壁后土体产生变形，并进一步造成邻近房屋不同程度的沉降和倾斜；而地下连续墙混凝土灌注又对周边土体有挤压作用，影响较大时会对邻近建筑物产生一定的向上托力，且这种上托作用越靠近地下连续墙越明显，即房屋发生竖向隆起(即建筑物沉降小于0)及背离地下连续墙的倾斜(即倾斜小于0)。故在地下连续墙施工期间邻近建筑物竖向变形表现出“有隆有沉”的特点。监测结果见表3和表4。

双东路站基坑邻近建筑物沉降实测结果/mm 表3

双东路站基坑邻近建筑物倾斜实测结果/‰ 表4

由表3、表4可知，双东路别墅区建筑变形在地下连续墙施工结束及底板施工结束时均比其他邻近建筑物变形要大得多，这是因为基坑西侧离车站北端40m范围内(双东路别墅区3#～5#楼)的管线在地下连续墙施工及基坑开挖期间进行了改迁挖槽工作，且该改迁挖槽时并未对邻近建筑进行特殊保护，致使该范围内的建筑沉降在此期间有较大增幅。对于这些数据异常点，在本文后续各施工环节实测分析中予以剔除。

图5和图6分别为地下连续墙施工期间邻近建筑物沉降和倾斜与离车站基坑距离的关系，图中仅统计地下连续墙施工引起的建筑最大沉降及朝向地下连续墙的最大倾斜的相关数据。

图5 地下连续墙施工期间建筑沉降与离车站基坑距离的关系

由图5可知，地下连续墙施工期间引起的建筑最大沉降达到了9.87mm，均值约3.91mm，建筑沉降基本呈现随着离车站基坑距离增大而减小的规律，建筑最大沉降点离基坑边的距离与约1倍软土层底部埋深相当，地下连续墙施工影响区域为距基坑边约1倍地下连续墙墙底埋深相当。同一测点显示的该阶段引起的建筑沉降与该测点显示的基坑施工全过程引起的建筑沉降之比的均值约7.82%。

图6 地下连续墙施工期间建筑倾斜与离车站基坑距离的关系

由图6可知，地下连续墙施工期间引起的建筑最大倾斜达到了0.47‰，均值约0.27‰。同一测点显示的该阶段引起的建筑倾斜与该测点显示的基坑施工全过程引起的建筑倾斜之比的均值约16.47%，建筑倾斜与离车站基坑距离的关系呈现出一定的离散性。

由此可见，地下连续墙施工引起的建筑变形量相当可观。地下连续墙施工作为基坑工程的初始环节，其施工期间引起的邻近建筑变形越大，则后续环节中建筑的安全余量越小，应引起重视。建议实际施工中采取下列措施减少地下连续墙施工的影响：

(1)根据现场试验合理确定泥浆比重及水泥品种，在保证地下连续墙槽壁稳定的同时减小应力不平衡导致的槽壁变形。

(2)地下连续墙槽壁的加固深度宜穿透软土层，利用槽壁加固体限制泥浆护壁阶段软土向槽内的变形及混凝土浇筑阶段混凝土向软土层的挤压和冲击作用。

(3)减小泥浆静置时间，尽早浇筑混凝土，减小由于软土蠕变引起的地下连续墙槽壁变形。

(4)采用间隔成槽的施工顺序以减小多幅地下连续墙连续施工的叠加影响。

2.3 车站基坑开挖施工对建筑变形的影响

本节所提及的建筑沉降与整体倾斜均为在上一工况(地下连续墙施工)产生的建筑变形基础上的变形增量。车站基坑开挖施工阶段自地下连续墙施工结束时开始，以车站结构底板施工完成时结束。图7和图8分别为车站基坑开挖施工期间邻近建筑物沉降及倾斜与离车站基坑距离的关系，图中仅统计车站基坑开挖施工引起的建筑最大竖向沉降及朝向地下连续墙的最大倾斜的相关数据。

图7 基坑开挖期间建筑沉降与离车站基坑距离的关系

图8 基坑开挖期间建筑倾斜与离车站基坑距离的关系

图9 基坑开挖期间建筑沉降与离车站基坑北端距离的关系

由图7可知，基坑开挖期间引起的建筑最大沉降达到了54.86mm，均值约23.07mm，建筑沉降基本呈现随着离车站基坑距离增大而减小的规律；距基坑边约1.5倍开挖深度范围内的建筑沉降基本大于其均值23.07mm，即基坑开挖施工对该范围内的建筑沉降影响较大；而基坑开挖施工对距基坑边2.5倍开挖深度范围外的建筑沉降影响较小。由图8可知，基坑开挖期间引起的建筑最大倾斜达到了1.84‰，均值约0.99‰，建筑倾斜与离车站基坑距离的关系呈现一定的离散性。

图9给出了车站基坑开挖施工引起的不同位置处邻近建筑物沉降与离车站基坑北端距离的关系，图中仅统计车站基坑开挖施工引起的建筑最大竖向沉降。由图9可知，车站基坑东侧邻近建筑沉降呈现出一定的“空间效应”，即“端部小、中间大”。文献[8]指出车站基坑端部处存在土拱效应的“屏蔽作用”，该作用导致土压力的减小，从而导致围护结构及周边环境变形的减小。邻近车站基坑北端的建筑沉降要大于邻近车站基坑南端的建筑沉降，这主要是由于车站基坑采用由北至南的开挖顺序，先挖段往往暴露时间长，导致建筑变形的时间效应更为显著。实际施工中建议合理安排施工顺序，增强先开挖区域的保护措施，如在先挖段及时设置支撑和底板及采取向上施工，减小无支撑无底板暴露时间。而车站基坑西侧北端的邻近建筑沉降也较大，这一方面是由于时间效应引起的，另一方面是由于该侧管线改迁施工的影响。此外，车站基坑西侧中段的邻近建筑变形较小，这是由于该区域先行施工的附属基坑围护墙起到了隔离墙的作用(图2)，隔离墙不仅能较好地承受土体对墙体产生的摩擦力且能将摩擦力进行纵向扩散，控制了墙体前后土体的竖向变形[9]，从而限制邻近建筑物沉降。

图10 建筑沉降随施工时间变化曲线

分别选取有钢支撑轴力伺服系统区域对应的支护结构测斜点(CX4)与无钢支撑轴力伺服系统区域对应的支护结构测斜点(CX19)。自设置钢支撑轴力伺服系统(2017年8月13日)至车站结构底板施工结束(2017年12月20日)期间的测点CX4与CX19的水平变形量分别为8.26mm与55.66mm，后者变形量为前者的6.74倍。同样，分别选取有钢支撑轴力伺服系统区域对应的建筑沉降测点(Jc84，Jc85)与无钢支撑轴力伺服系统区域对应的建筑沉降点(Jc123)。自设置钢支撑轴力伺服系统后至底板施工结束期间的测点Jc84，Jc85，Jc123的沉降变化值分别为24.27， 29.54，28.72mm；而测点Jc84，Jc85对应的房屋基础为浅基础，测点Jc123对应的房屋基础为桩基础；即设置钢支撑轴力伺服系统后，浅基础建筑沉降的增幅接近桩基础建筑沉降的增幅。图10为车站基坑施工期间浅基础建筑(对应测点Jc84)和桩基础建筑(对应测点Jc123)的沉降随施工时间的变化对比曲线。由图可知，建筑沉降随基坑向下开挖而整体增大；在开挖初期建筑沉降变化趋势较为平缓；设置钢支撑轴力伺服系统对应区域的建筑沉降在之后的变化趋势仍较为平滑；无钢支撑轴力伺服系统对应区域的建筑沉降在之后则出现陡变的现象。由此可见，钢支撑轴力伺服系统的设置，不仅能限制支护结构的水平向变形，还能使基坑相应区域的邻近建筑物沉降增幅减小。此外，该陡变现象出现的时间对应的是基坑开挖至坑底，且结构底板施工尚未完成时的工况，由此可见，尽快浇筑结构底板有利于减小基坑开挖对邻近建筑物变形的影响。

图11 车站结构向上施工期间建筑沉降与离车站基坑距离的关系

图12 车站结构向上施工期间建筑倾斜与离车站基坑距离的关系

图13 车站结构向上施工期间建筑沉降占比与离车站基坑距离的关系

2.4 车站结构向上施工对建筑变形的影响

本节所提及的建筑沉降与建筑倾斜均为在上一工况(车站基坑开挖施工)产生的建筑变形基础上的变形增量。由于车站结构向上施工过程中，车站基坑拆除支撑、进行换撑时，扰动周边土体，使其发生新的固结变形；基坑外土压力的受力对象由钢支撑转变为车站主体，由于两个受力对象刚度不同，会在一定程度上引起基坑外土体发生变形。此外，长条形车站基坑换撑的先后顺序所引起的“时间效应”同样是基坑外土体产生变形的影响因素。

图11和图12分别为车站结构向上施工期间邻近建筑物沉降和倾斜与离车站基坑距离的关系。图13为车站结构向上施工期间引起的建筑物沉降占基坑施工全过程引起的建筑沉降的百分比与离车站基坑距离的关系，仅统计车站结构向上施工引起的建筑最大沉降及朝向地下连续墙的倾斜的相关数据。

由图11和图12可知，车站结构向上施工期间引起的建筑最大沉降达到了29.71mm，均值约12.69mm，建筑沉降随着离车站基坑距离增大而减小，同一测点显示的该环节引起的建筑沉降与该测点显示的基坑施工全过程引起的建筑沉降之比的均值约为33.19%；车站结构向上施工期间引起的最大倾斜达到了0.54‰，均值约0.31‰，同一测点显示的该环节引起的建筑倾斜与该测点显示的基坑施工全过程引起的建筑倾斜之比的均值约20.17%，其数据分布较为离散。由图13可知，车站结构向上施工期间引起的建筑沉降的占比随离车站基坑距离增大而增大，这与建筑沉降的变化规律是相反的，说明离车站基坑较近的建筑物沉降在基坑施工前期(地下连续墙施工及基坑开挖施工)的所受影响较大，在施工后期(车站结构向上施工)所受影响较小，离基坑较远的建筑物则反之，即车站基坑施工引起建筑沉降具有一定滞后性特点。

可见虽然车站结构底板施工结束后邻近建筑物变形已达到一个较大值，但车站结构向上施工期间的房屋建筑变形同样不容忽视。建议实际施工中采取下列措施减少车站结构向上施工的影响：1)尽快完成车站结构中板、顶板施工，形成整体刚度大的结构体系；2)采取可靠的换撑措施以控制拆撑时建筑变形；3)采取合理的支撑拆除方式，可减小支撑拆除对周边环境的影响。

2.5 车站基坑施工全过程地表沉降与建筑沉降对比分析

选取不同建筑基础类型(浅基础和桩基础)的两个典型剖面(双东路别墅区4#楼和莱茵堡门楼)，分别绘制浅基础和桩基础对应的基坑外建筑及相邻位置地表的竖向变形，见图14和图15。

图14 基坑外建筑及相邻位置地表的竖向变形(双东路别墅区4#楼，浅基础)

图15 基坑外建筑及相邻位置地表的竖向变形(桩基础)

由图14、图15可知，地下连续墙施工结束时，浅基础房屋建筑竖向变形呈向下沉降，桩基础房屋建筑竖向变形呈向上隆起，地表竖向变形均呈“有隆起有沉降”，浅基础房屋建筑竖向变形与相邻位置的地表竖向变形相差不大，而桩基础房屋建筑竖向变形则小于相邻位置的地表竖向变形。这主要是因为地下连续墙施工时混凝土灌注对周边土体有挤压作用，从而带动周边土体发生竖向变形，浅基础房屋由于基础埋深浅，对土体竖向变形引起的竖向作用相对敏感，而桩基础建筑由于桩基持力层较深，具有较强的抗竖向变形能力，在一定程度上减少了建筑竖向变形，因此建筑竖向变形要小于相邻位置的地表竖向变形；自基坑开始开挖至车站结构顶板施工结束期间，房屋建筑竖向变形及相邻位置的地表竖向变形逐渐增大，竖向变形变化规律(即浅基础房屋建筑竖向变形及变化趋势与相邻位置的地表竖向变形较为一致，而桩基础房屋建筑竖向变形的增幅要小于相邻位置的地表竖向变形增幅)更加明显。可见浅基础建筑可按相邻位置的地表沉降估算其建筑沉降[10]，而桩基础建筑沉降则需考虑对地表沉降进行折减[11]。