地铁车站深基坑施工对周边建筑影响的全过程分析

代 政

（中铁十八局集团隧道工程有限公司， 重庆 400700）

随着软土地区地下空间开发的不断深入及轨道交通建设的快速发展， 施工单位在城市中心密集区域会遇到越来越多的深基坑工程。 软土特有的低强度、 高压缩性以及显著流变性等特点及工程周边密集的建筑群的存在， 不仅极大地增加了基坑施工难度及风险， 也对周边环境保护提出了较高的要求。 目前， 许多学者从数值分析［1-3］、简化预测［4-7］、 风险评估［8-11］、 实测分析［12-14］等多方面对深基坑工程施工对邻近建筑物的影响规律及程度进行了研究。 其中， 实测分析所得出的结论往往是形成简化预测及风险评判方法的依据， 也是验证数值模拟准确性的重要参考标准。

在深基坑工程施工过程中， 一般认为由土方开挖施工导致的环境问题最为突出， 因此目前相关实测分析多集中于此。 另外， 也有不少学者认为深基坑工程中围护施工、 支撑拆除等多个环节对周边环境有不同程度的影响。

总之， 目前的研究成果多拘泥于深基坑施工中的某一个环节， 未见涉及工程全寿命周期的环境效应研究。 本文通过监测某地铁车站主体基坑工程全寿命施工过程， 开展车站基坑施工对邻近建筑物影响全过程分析。

1 工程概况

研究车站所属地区土层分布及土层参数见表1， 软土层厚度达12.0m 左右。 坑底主要位于⑤1b 层粉质黏土中， 由于场地土层有起伏， 局部位于⑤1t 层黏质粉土中。 场地西侧有河， 河宽30m~40m， 水深0.52m~3.53m， 河底淤泥厚度1.10m 左右。

表1 土层参数表

车站地下部分基坑长268.8m， 宽21.9~26.0m， 深20.16m。 该基坑的支护形式为地下连续墙 （1m 厚）+内支撑， 端头井段和标准段的支护形式略有差异， 其中： 端头井段内支撑为2 道混凝土+4 道钢支撑、 连续墙深42m， 标准段为2道混凝土+3 道钢支撑、 连续墙深40m。 为减小基坑施工对周边环境的影响， 本工程还在坑底以下3m 进行土体加固， 坑底以上做水泥土弱加固，置换率不低于0.55。 由于车站结构西侧部分位于河道内， 该区域基坑的施工受制于施工场地及河水等因素。 因此， 在车站基坑西侧设置一排钢管桩围护， 这既起到阻隔西侧土体变形的作用， 又保证了基坑西侧有足够的施工场地。 车站基坑周边主要建筑物现状见表2。

表2 邻近主要建筑物情况一览表

该车站于2017 年8 月底完成全部地下连续墙的施作。 本文所研究的工程施工阶段为地下连续墙施工完成后至车站结构顶板施工完成过程中的4 个工况。 相关工况参见表3。 施工过程中在工程主要部位布设了建筑沉降观测点、 地表竖向沉降观测点。

表3 各工况时间节点

2 地下连续墙施工引起周边建筑沉降分析

地下连续墙施工包括成槽、 泥浆护壁、 混凝土浇筑与硬化等多个环节， 周边土体不仅要经历复杂的加、 卸载过程， 还会受到施工的扰动 （如施工机械或混凝土快速灌注对侧壁的冲击）、 水分迁移与土体软化、 多桩施工影响的叠加等， 使其变形进一步增大。 此外， 地下连续墙施工使周边土体内产生正或负的超孔隙水压力， 由于软土中超孔隙水压力消散缓慢， 导致工后仍会产生长期的变形。

地下连续墙施工期间建筑沉降与车站基坑距离的关系见图1。 地下连续墙施工期间邻近建筑物建筑沉降占基坑施工全过程建筑沉降的百分比与离车站基坑距离的关系见图2。 从实测情况看， 地下连续墙施工阶段建筑竖向位移表现为 “有隆有沉” 的特点， 这是因为地下连续墙成槽与浇筑混凝土是交替进行的， 混凝土的浇筑效果相当于在墙体上作用一个侧向力， 一般认为墙体在该侧向压力作用下， 发生背向开挖面的位移， 使其周围土体遭受被动土压力作用，从而使得紧邻基坑的建筑物有抬升的趋势。 本文仅统计地下连续墙施工引起建筑发生竖向沉降的相关数据。

图1 地下连续墙施工期间建筑沉降与距离的关系

图2 地下连续墙施工期间建筑沉降占比

由图1 可知， 地下连续墙施工期间引起的最大建筑沉降为2.70mm； 工程桩桩长大于50m 的桩基础建筑沉降均值约1.46mm， 工程桩桩长小于20m 的桩基础建筑沉降均值约1.67mm， 浅基础建筑沉降均值约2.15mm。 因本工程周边建筑以桩基础建筑为主， 基坑施工对其地基基础变形影响相对较小。 建筑沉降基本呈现随着与车站基坑距离增大而减小的规律， 最大建筑沉降监测点与坑边的距离与约1 倍软土层厚度相当， 地下连续墙施工主要影响区域为距坑边约1.5 倍墙深范围内。 由图2 可知， 地下连续墙施工期间引起的建筑沉降与基坑施工全过程引起的建筑沉降之比的均值约19.12%， 其中工程桩桩长大于50m 的桩基础建筑沉降占比较大。

3 车站基坑开挖施工引起周边建筑沉降分析

地下连续墙施工完成后至站结构底板完成期间建筑物沉降与车站距离的关系见图3。 基坑开挖的周期内引起的最大建筑沉降达到了14.20mm； 工程桩桩长大于50m 的桩基础和浅基础的建筑沉降均小于2mm， 工程桩桩长小于20m的桩基础建筑沉降在6mm~14mm 之间。 建筑沉降基本呈现随着与车站基坑距离增大而减小的规律。 最大建筑沉降监测点与坑边的距离与约1 倍基坑开挖深度相当， 基坑开挖施工主要影响区域为距坑边约3 倍开挖深度范围内。

图3 基坑开挖期间建筑沉降与距离的关系

结合表2 相关信息可知， 住宅A、 大酒店和公建建筑均为桩基础建筑， 而住宅A 由基坑开挖引起的建筑沉降要大于后两者的相应变形量， 这主要是由于建筑工程桩刚度及长度等因素的影响， 即住宅A 的工程桩刚度较小且桩长较短， 桩端持力层较浅， 相应的建筑抗变形能力较弱， 而后两者的工程桩刚度较大， 且桩长较长， 虽然还未嵌岩， 但已有较好的桩端持力层， 故其建筑抗变形能力较强。 这与文献［12］所提出的嵌岩桩基础建筑沉降小于摩擦桩基础建筑的结论基本相符。 而住宅B 基础形式为浅基础， 其建筑变形量要小于住宅A 的建筑变形量， 其主要原因除了前者与基坑距离较远外， 还有前者处于基坑的端部， 该位置“坑角效应” 显著。

考虑到桩基为隐蔽工程， 相关数据难以测量， 进一步采用数值模拟的方法分析车站主体基坑施工对桩基础的影响， 所建立的模型如图4 所示。 有限元计算结果显示， 车站主体基坑开挖施工引起大酒店建筑沉降较小（0.6mm）， 与实际测得变形情况相符； 但其工程桩桩顶水平位移接近变形控制值， 且桩身弯矩较大， 接近桩身开裂弯矩。 因此， 车站主体基坑施工对桩基础建筑的影响控制不应仅针对建筑沉降， 还需要对如桩顶水平位移及桩身弯矩等加以重视。

图4 主体基坑及周边建筑三维有限元模型

4 车站结构向上施工引起周边建筑沉降分析

车站基坑拆除支撑、 进行换撑时改变了原有支护结构的受力平衡状态， 以及长条形车站基坑换撑的先后顺序所引起的 “时间效应”， 又进一步引起坑外土体变形。 图5、 图6 为车站主体结构施工过程中邻近建筑物的沉降变化曲线及其全过程建筑沉降的百分比与离车站基坑距离的关系。

图5 车站结构向上施工期间建筑沉降与距离的关系

图6 车站结构向上施工期间建筑沉降占比

由图5 可知， 车站结构向上施工期间引起的最大建筑沉降为11.10mm； 工程桩桩长大于50m的桩基础建筑沉降均值约1.74mm， 工程桩桩长小于20m 的桩基础建筑沉降均值约4.88mm， 浅基础建筑沉降均值约4.48mm， 即车站结构向上施工对工程桩桩长小于20m 的桩基础建筑沉降影响最大。 与前两个施工阶段相同， 该阶段建筑沉降随着离车站基坑距离增大而减小。 此外， 该阶段最大建筑沉降监测点与坑边的距离及施工主要影响区域与基坑开挖阶段基本相同。

由图6 可知， 该环节引起的建筑沉降与基坑施工全过程的建筑沉降之比的均值约为34.55%，远离车站的位置该比例越小。 表明： 基坑周边建筑物在基坑施工前中期的影响远远小于施工后期的影响， 但是离基坑较近的建筑物则反之。

可见， 虽然车站结构底板完成后邻近建筑物建筑变形量已达到一个较大值， 但车站结构向上施工期间的建筑变形量同样不容忽视。

5 车站基坑施工全过程地表沉降与建筑沉降对比分析

以两个典型剖面为例 （天海大酒店和宁波大公馆）， 分别绘制对应的基坑外地表建筑沉降槽，见图7 和图8。

图7 基坑外地表建筑沉降槽 （大酒店， 桩基础）

图8 基坑外地表建筑沉降槽 （公建建筑， 桩基础）

由图可知， 地下连续墙施工结束后， 地表竖向沉降大于建筑桩基沉降， 主要是由于建筑桩基为深基础， 持力层一般较深或位于坚硬岩土层上， 抵抗变形的能力较强； 而地表浅层土体受基坑地下连续墙施工的挤土效应影响易发生形变；同理， 自基坑开始开挖至车站结构顶板完成期间， 地表竖向变形逐渐增大， 建筑竖向变形则基本不变。

6 结论

本文基于某地铁站主体基坑工程， 就地铁车站深基坑施工全过程（地下连续墙施工、 车站基坑开挖施工、 车站结构向上施工） 对邻近建筑物影响进行实测分析， 结果表明：

（1） 由于本工程周边建筑以桩基础为主， 总体上施工对建筑影响较小。 地下连续墙、 基坑开挖、 车站结构向上施工对建筑的影响都表现为随着与车站基坑的距离增大而减小。 三个施工阶段引起邻近建筑物建筑沉降分别占到基坑施工全过程相应变形量的19.12%、 46.33%和34.55%。 三个施工阶段中， 地下连续墙施工主要影响区域为距坑边约1.5 倍墙深范围内， 后两者施工主要影响区域较为相近， 为距坑边约3 倍开挖深度范围内。

（2） 对于采用刚度小、 长度短的摩擦型桩基础， 其抵抗由车站基坑施工引起的竖向位移的能力较弱， 沉降相对较大， 需引起足够重视。

（3） 在车站基坑施工全过程中， 地表沉降逐渐增大； 施工对具有较好持力层的桩基础建筑沉降影响极小， 但应关注对工程桩桩顶水平位移和桩身内力的影响。