地铁车站基坑施工对邻近建筑物的影响分析

2022-03-05孙娜

辽宁省交通高等专科学校学报 2022年6期

孙娜

（中铁十八局集团第四工程有限公司，天津 300000）

1 引言

针对地铁车站基坑施工对周边建筑物的影响问题，越来越多的科研工作者开展一系列的研究。吴朝阳等［1］利用数值模拟软件建立三维模型，模拟了基坑开挖全过程，获得了施工过程中临近建筑物的沉降变形规律，并结合现场实测数据，研究了不同施工工序对建筑物的变形影响。閤超等［2］以某临近既有建筑物的深基坑工程为背景，现场监测了施工过程中各阶段建筑物的沉降，针对影响较大的施工工序，制定对应的控制措施。龚江飞等［3］基于某历史保护建筑边的深基坑工程，利用PLAXIS 3D 软件建立三维数值模型，模拟了深基坑开挖过程，分析了基坑施工对既有建筑物的影响，评估了施工过程中建筑物的安全性。李大鹏等［4］基于深基坑空间效应机理，以某深基坑工程为例，研究了基坑开挖过程中土压力的变化规律及其对周边环境的影响。成怡冲等［5］以软土地区地铁工程为研究对象，提出了其施工引起的临近建筑物沉降的预测方法。张治国等［6］通过对临近某历史保护建筑物深基坑施工全过程的监测，获得了基坑施工过程中建筑物的沉降变形曲线。基于建筑物沉降变形规律，提出了相应的控制措施以减小建筑物的变形。史春乐等［7］现场监测了某深基坑工程开挖引起的周边环境的变形，针对邻近建筑群大变形损坏，分析了其变形破坏原因，并提出了一系列合理的保护措施。

以某地铁车站工程为研究对象，对车站基坑施工过程中引起的周边建筑物沉降及地表沉降进行现场监测，获得了基坑施工对周边环境的影响规律。

2 工程概况

某地铁车站基坑长度为215.8m，标准段宽度为22.6m，端头井宽度为24.8m。标准段基坑的开挖深度为17.2m，两侧端头井的开挖深度达到19.2m。由于车站范围内土层起伏，基坑底部主要土层为淤泥质粉质黏土，基坑局部位于粉质黏土。

该车站基坑围护结构采用地下连续墙，其中标准段地下连续墙埋深为39m，端头井准段地下连续墙埋深为40m，地下连续墙厚度为0.8m。端头井共设6 道支撑，其中一道混凝土支撑、五道钢支撑，标准段共设5 道支撑，其中一道混凝土支撑、四道钢支撑。

3 临近建筑物沉降监测结果

3.1 施工工序及监测内容

2018年8月17日，该车站基坑的围护结构施工完成，随后进行开挖施工，主要研究3 个时间阶段车站基坑开挖引起的周边地表及临近建筑物沉降。 3 个时间阶段分别为：围护结构施工完成（下称第一阶段）、车站基坑开挖到主体底板施工完毕（下称第二阶段）、车站主体结构施工至顶板施工完毕（下称第三阶段）。在周边临近建筑物及地表布置观测点。

3.2 第一阶段施工的影响

车站基坑地下连续墙围护结构在成槽浇筑阶段，会导致土体应力平衡状态被破坏，土体为了达到新的平衡状态，土体和泥浆护壁压力联合作用导致槽壁后方土体存在倾覆趋势，从而导致周边建筑物出现或多或少的沉降。此外，围护结构进行混凝土灌注时会挤压围护结构周边土体，当挤压作用较大时会产生一个向上的作用力承托周边建筑物，并且越临近围护结构这种向上的作用力愈显著，从而导致临近建筑物呈向上隆起的趋势且导致其出现远离围护结构的倾斜。因此施工地下连续墙阶段，周边建筑物呈现出既隆起又下沉的现象。表1 和表2 分别给出了临近车站的建筑物沉降及倾斜监测结果（建筑物向上位移为“-”，建筑物向下位移为 “+”，建筑物远离围护结构的倾斜为“-”，建筑物靠近围护结构的倾斜为 “+”）。

表1 建筑物沉降监测结果（mm）

表2 建筑物倾斜监测结果（%）

从表1 及表2 可以看出，在围护结构施工完毕以及基坑底板施工完毕时，建筑物C 的变形比建筑物A 和建筑物B 的变形大很多，这是由于车站西面离北端45m 区域内既有管线在围护结构施工期间进行改迁工作，且在对管线改迁时为保护周边建筑物，导致周边建筑物在施工阶段发生较大沉降。因此，在后文分析中剔除由于该原因导致的变形。

图1 及图2 分别给出了围护结构施工阶段周边建筑物沉降及倾斜随距地铁车站水平距离的关系。图中沉降及倾斜仅由围护结构施工引起的。从图1 中可以看出，由围护结构施工导致的建筑物沉降峰值约为3.3mm，沉降平均值约为1.3mm，随着距地铁车站水平距离的增大，建筑物总体沉降呈逐渐减小的趋势，建筑物沉降峰值发生的位置约距地铁车站10m，围护结构施工对周边环境的影响范围约为1 倍围护结构深度。同一观测点下围护结构施工导致建筑物沉降占车站基坑施工导致的建筑物总沉降的比例约为7.83%。从图2中可以看出，围护结构施工导致的建筑物倾斜峰值约为0.16‰，倾斜平均值约为0.09‰。同一观测点下围护结构施工导致建筑物倾斜值占车站基坑施工导致的建筑物总倾斜值的比例约为16.5%，且建筑物倾斜随距地铁车站水平距离的关系呈现一定的离散性。

图1 围护结构施工阶段周边建筑物沉降

图2 围护结构施工阶段周边建筑物倾斜

上述分析可以看出，围护结构施工导致的建筑物沉降及倾斜量比较大。围护结构施工是车站基坑施工的第一步，其施工引起建筑物较大变形不利于后续施工的进行，因此在实际施工时应引起足够的重视。可以采取以下措施降低由围护结构施工产生的影响：

（1）依据现场实际情况以及试验，明确合理的水泥品种和泥浆比重，地连墙槽壁施工能保证其自身稳定性，并且削弱应力平衡被破坏带来的地连墙变形。

（2）地连墙设计深度最好超过软土土层，在泥浆护壁施工时，槽壁加固体能减小软土的侧向位移。同时在混凝土浇筑施工时，减小混凝土对土层的挤压作用。

（3）尽量缩短静置泥浆的时长，提早进行混凝土浇筑，限制因软土蠕变导致的围护结构槽壁变形。

（4）地连墙间隔成槽可以限制多幅施工的影响。

3.3 第二阶段施工的影响

本节所研究的建筑物沉降及倾斜由第二阶段施工引起的建筑物沉降及倾斜增量。图3 及图4分别给出了该阶段施工周边建筑物沉降及倾斜随距地铁车站水平距离的关系。同样图中建筑物沉降及倾斜仅由基坑开挖施工引起的。

从图3 中可以看出，由建筑物沉降及倾斜引起的建筑物沉降峰值约为18.3mm，沉降平均值约为7.7mm，且随着距地铁车站水平距离的增大，建筑物总体沉降呈逐渐减小的趋势。进一步观察，在距车站1.5 倍基坑深度区域内，建筑物沉降总体都大于沉降平均值7.7mm。可见，车站基坑开挖对该区域内建筑物的影响较为显著。超过2.5 倍基坑深度区域外，车站基坑开挖对该区域内建筑物的影响有限。从图4 中可以看出，基坑开挖施工导致的建筑物倾斜峰值约为0.62‰，倾斜平均值约为0.34‰。且建筑物倾斜随距地铁车站水平距离的关系同样呈现一定的离散性。

图3 基坑开挖施工阶段周边建筑物沉降

图4 基坑开挖施工阶段周边建筑物倾斜

图5 为周边建筑物沉降随距车站北端距离的变化曲线，并分别给出东西两侧的结果。从图中可以看出，地铁车站东面的建筑物沉降呈现出“两端小，中间大” 的现象，具有空间效应。这是因为地铁车站两端的土拱效应减小了周边土层的土压力，进而减小施工引起的地连墙变形及周边建筑物沉降。车站南侧的建筑物沉降相较于车站北侧的建筑物沉降较小，这是因为地铁车站从北侧向南侧开挖，导致北侧基坑暴露时间更久。在施工开挖时应规划合理的开挖顺序，注重先开挖段的保护，尤其是及时安装先开挖的支撑。且地铁车站西面北端的建筑物变形也显著，这是由时间效应导致的。另一方面，地铁车站西面中间部位的建筑物沉降小，这是因为该范围内附属基坑围护墙线施工，从而形成了隔离作用。该围护墙能承受周边土体对其摩擦力，同时能将这种摩擦力进行扩散，从而控制周边土体及建筑物的变形。

图5 周边建筑物沉降随距车站北端距离的变化曲线

3.4 第三阶段施工的影响

本节所研究的建筑物沉降及倾斜由第三阶段施工引起的建筑物沉降及倾斜增量。在车站主体向上施工期间，车站结构需要拆除、替换支撑，会引起周边土体的扰动，从而导致土体产生固结变形。承受车站周边土体的土压力由钢支撑变成了地铁车站主体结构，因此这两个结构的刚度有差别，会导致车站周边土体发生一定程度的变形。

图6 及图7 分别给出了第三阶段施工周边建筑物沉降及倾斜随距地铁车站水平距离的关系。从图6 中可以看出，该阶段建筑物发生的沉降峰值约为9.9mm，沉降平均值约为10.57mm，随着距地铁车站水平距离的增大，建筑物总体沉降呈逐渐减小的趋势，同一观测点下车站向上施工导致建筑物沉降占车站基坑施工导致的建筑物总沉降的比例约为33.2%。从图7 中可以看出，车站向上施工导致的建筑物倾斜峰值约为0.18‰，倾斜平均值约为0.11‰。同一观测点下车站向上施工导致建筑物倾斜值占车站基坑施工导致的建筑物总倾斜值的比例约为20.18%，且可以发现建筑物倾斜随距地铁车站水平距离的关系呈现一定的离散性。

图6 第三阶段施工阶段周边建筑物沉降

图7 第三阶段施工阶段周边建筑物倾斜

图8 给出了第三阶段建筑物沉降占车站施工整个过程中建筑物总沉降的比例随距车站水平距离的关系。从图中可以看出，第三阶段这种占比随着距车站水平距离的增大而增大，这说明在地铁车站施工前期，对离得越近的建筑物影响越大；在地铁车站施工后期，对离得越近的建筑物影响越小。对离得越远的建筑物影响相反，即地铁车站施工对周边建筑物的影响呈现滞后性。

图8 第三阶段建筑物沉降占车站施工整个过程中建筑物总沉降的比例随距车站水平距离的关系

综上可见，第三阶段施工完毕后周边建筑物沉降已较大，但该阶段施工引起的建筑物变形不能忽略。可以采取以下措施降低因第三阶段施工引起的影响：

（1）加快施工地铁车站中板和顶板，使车站结构尽快形成一个大刚度的体系；

（2）换撑和拆除支撑措施应合理，以减小拆除支撑导致的建筑物沉降；

3.5 地铁车站施工建筑物沉降与地表沉降对比

为对比整个施工过程中基坑周边建筑物沉降与地表沉降，图9 和图10 分别给出了两种不同建筑物基础工况。从图中可以看出，围护结构施工完毕，当建筑物基础为浅基础时，其沉降呈向下的趋势（下沉），当建筑物基础为桩基础时，其沉降呈向上的趋势（隆起），两工况下地表沉降均既有下沉又有隆起。浅基础建筑物竖向变形与对应的地表竖向变形相差较小，桩基础建筑物竖向变形小于对应的地表竖向变形，这是因为围护结构施工时，灌注混凝土会挤压周边土体，进而导致土体的竖向变形，但浅基础建筑物因基础较浅，对周边土体变形更加敏感，而桩基础建筑物因基础持力层深，抵抗变形能力更强。第二阶段开始施工至第三阶段施工完毕期间，建筑物及地表竖向变形均逐渐变大，其变形规律（即浅基础建筑物竖向变形与对应的地表竖向变形相差较小，桩基础建筑物竖向变形小于对应的地表竖向变形）也愈加显著。