張世民， 任印文， 孫銀鎖， 章麗莎

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.浙江大學(xué)城市學(xué)院土木工程系，浙江 杭州 310015)

0 引 言

基坑開挖引起鄰近建筑物變形影響這一問題，國內(nèi)外學(xué)者以及工程技術(shù)人員主要采用數(shù)值模擬[1-6]和現(xiàn)場監(jiān)測分析[7-8]這兩種方法進行研究。施有志[1]采用PLAXIS3D研究基坑開挖對鄰近建筑物結(jié)構(gòu)變形影響。俞建霖[2]采用PLAXIS研究深基坑開挖對周邊環(huán)境的影響。李偉強[3]采用數(shù)值模擬方法研究深基坑與鄰近既有建筑物地基基礎(chǔ)的相互影響。劉建榮[4]采用FLAC-3D技術(shù)研究基坑開挖對緊鄰建筑物的影響。周晉[5]研究基坑開挖對鄰近病房樓及既有地下污水池的影響。吳朝陽[6]采用數(shù)值模擬預(yù)測的坑外最大沉降值略微偏小。張治國[7]對某基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，研究基坑施工對鄰近建筑物的沉降影響。施有志[8]運用某地鐵站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究地鐵車站深基坑開挖對周邊環(huán)境的影響。為了研究在砂性富水地層條件下基坑開挖對鄰近既有建筑物的影響。以杭州地鐵5號線江城路站基坑開挖工程為實例，結(jié)合不同施工時期和工況下的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析在砂性富水地層條件下基坑開挖對周邊建筑物的影響機理。

1 工程概況

工程位于杭州市上城區(qū)江城路和河坊街丁字路口。工程周邊狀況：江城路與河坊街道路紅線寬均為30m，江城路西側(cè)是7層居民樓建國南苑，東側(cè)為14層社區(qū)以及12層上城區(qū)國稅局，距離較遠的為陸家河頭小區(qū)。車站平面示意圖見圖1。受基坑開挖影響較大的主要鄰近建筑物及結(jié)構(gòu)形式見表1。

表1 車站基坑周邊主要建筑物結(jié)構(gòu)形式及監(jiān)測點數(shù)

車站標準段為框架結(jié)構(gòu)，車站基坑總長194.6m，標準段寬21.3m，盾構(gòu)井寬25.4m，換乘節(jié)點寬30m；標準段深度為16.8m，端頭井深度約17.8m，換乘節(jié)點深度約25m。工程場地的承壓含水層水頭埋深在8m左右。

圖1 江城路站平面位置示意圖

2 監(jiān)測方案

由于工程緊鄰老舊建筑物，因此，地下連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)施工、基坑開挖、支撐施工按照設(shè)計文件進行，以降低施工對周圍建筑物的影響。地下連續(xù)墻施工分三個階段進行，第一階段施工江城路道路蓋板西側(cè)地下連續(xù)墻63幅，第二階段施工剩余地下連續(xù)墻34幅，第三階段為附屬圍護結(jié)構(gòu)。首先進行江城路道路蓋板以西地下連續(xù)墻施工，共計63幅。第二階段：進行蓋板以東地下連續(xù)墻施工，共計34幅。第三階段：附屬圍護結(jié)構(gòu)施工。

結(jié)合江城路站平面位置示意圖(圖1)，主要選取距離基坑較近的建國南苑26棟、西牌樓社區(qū)的監(jiān)測點進行分析。建筑物監(jiān)測點布置如圖2所示。建國南苑26棟布置了16個監(jiān)測點，西牌樓社區(qū)布置12個監(jiān)測點，上城區(qū)國稅局布置了6個監(jiān)測點，鄰近房屋側(cè)共布置了5個地連墻水平位移監(jiān)測孔，如圖2。

圖2 建筑物監(jiān)測點布置圖

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析階段劃分

根據(jù)工程工況情況，主要分為兩個階段進行房屋沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)具體分析：第一階段為圍護結(jié)構(gòu)施工階段；第二階段為基坑開挖至底板施工完成階段。

3.2 圍護結(jié)構(gòu)施工階段建筑物的位移分析

3.2.1 建筑物沉降的時間效應(yīng)

26棟：監(jiān)測點JGC13,JGC14,JGC15,JGC16沉降量較大，其中JGC13達到10.28mm，JGC14達到13.05mm，JGC15達到10.35mm，JGC16達到11.39mm(圖3)。 根據(jù)建國南苑26棟的整個結(jié)構(gòu)形式看(圖2)，這些監(jiān)測點位都在離基坑中部較近的位置，分析可知，由于地連墻施工對該區(qū)域產(chǎn)生了擾動，其他監(jiān)測點數(shù)值變化不大，總體上看處于微沉。說明離基坑地連墻位置越近，受到地連墻開槽卸載的影響就越大，其他的監(jiān)測點也產(chǎn)生了一定的沉降量，但沉降不大，說明離施工位置越遠影響越小，體現(xiàn)了地連墻施工對鄰近建筑物影響的“近大遠小”的規(guī)律。

圖3 建國南苑26棟沉降變化

西牌樓社區(qū)(圖4)：西牌樓社區(qū)總體處于下沉趨勢，其中監(jiān)測點JGC3-1,JGC3-2沉降較大，從監(jiān)測點布置圖可以看出，這兩點離基坑較近，而在較遠點的沉降值較小，說明建筑物有向地連墻施工場地傾斜的趨勢。

圖4 西牌樓社區(qū)沉降變化

從以上各個建筑物的監(jiān)測點沉降隨時間變化趨勢來看，建筑物沉降總體處于波動式變化。不同的監(jiān)測點沉降量不同，表現(xiàn)為建筑物離施工擾動區(qū)越近，沉降越大，離擾動區(qū)越遠沉降量越小。在圍護結(jié)構(gòu)施工時，開挖卸荷使土體應(yīng)力場和位移場發(fā)生變化，使得周圍土體在上部荷載作用下向下壓縮沉降，進而使建筑物發(fā)生沉降。

3.2.2 建筑物位移的空間效應(yīng)

為了研究地連墻施工階段，建筑物的不同位置沉降變化與基坑位置在空間上的關(guān)系，取建筑物不同位置監(jiān)測點的沉降數(shù)據(jù)進行對比分析。圖2中可以看出：監(jiān)測點JGC2,JGC3,JGC4,JGC5,JGC14,JGC16,JGC3-1,JGC3-2,JGC4-1,JGC4-2在同一直線上，共計10個，且都沿基坑的長邊布置，故取這些點為研究組。另外，取監(jiān)測點JGC10,JGC9,JGC8,JGC7,JGC26,JGC24,JGC3-6,JGC3-5,JGC4-6,JGC4-25這10個點為對比組，S1-S10分別代表研究組與對比組對應(yīng)點的水平位移值(如，S1=JGC2-JGC10為一個水平位移監(jiān)測組)，圍護結(jié)構(gòu)不同位置處，鄰近建筑沉降值和水平位移值分別如圖5和圖6所示。

圖5 研究組各監(jiān)測點沉降

圖6 各監(jiān)測組的水平位移

從圖中可以看出：研究組的監(jiān)測數(shù)據(jù)在沿基坑長邊位置大致呈拋物線型變化，中間大，兩邊小，離圍護結(jié)構(gòu)長邊的中部越近，監(jiān)測點的沉降數(shù)據(jù)越大，從基坑中部向基坑兩端沉降值逐漸減小。表明：離基坑長邊中部越近的建筑物受到的影響越大，越遠影響越小，這是由于基坑的長邊方向較為薄弱，對土壓力的抵抗力較小，所以鄰近中部的建筑物沉降較大。從監(jiān)測組的水平位移值也可以看出：監(jiān)測組的各測點水平位移沿基坑長邊方向也是呈拋物線變化趨勢。

3.3 基坑開挖階段建筑物的位移分析

3.3.1 建筑物沉降的時間效應(yīng)

取2018年2月1 日的監(jiān)測點累計值為起點進行分析。根據(jù)施工記錄：2018年2月1日為基坑開挖的開始時間，同年5月18日基坑底板施工完成。2月1日到2月8日第一層土方開挖完成，2月12日第二道鋼支撐架設(shè)完成，2月12日到3月6日，第二層土方開挖完成，3月6日到3月17日，第三道混凝土支撐施工完成，3月17日到4月9日，第三層土方開挖完成，4月9日到16日第四道鋼支撐架設(shè)完成并預(yù)加軸力，4月17日到4月30日，第四層土方開挖結(jié)束并完成第五道鋼支撐架設(shè)，5月1日到5月18日，第五層土方開挖并完成底板施工。在基坑開挖階段，從監(jiān)測數(shù)據(jù)分析圖(圖7、圖8)可以看出，建筑物總體處于下沉趨勢，但趨勢較為平緩，說明基坑開挖對鄰近建筑物有一定的影響，但影響不大，這是由于圍護結(jié)構(gòu)的存在以及在開挖施工過程中及時進行了支撐。從單個監(jiān)測點數(shù)據(jù)來看26棟的JGC13,JGC14,JGC15,JGC16以及西牌樓社區(qū)的JGC3-1,JGC3-2,JGC3-3為沉降量較大點。離基坑越近的監(jiān)測點，沉降量越大，遠離基坑的監(jiān)測點處于微隆微沉反復(fù)變化，總體趨于微沉，反映基坑開挖對建筑物影響程度的“近大遠小”的規(guī)律。

圖7 建國南苑26棟沉降變化(開挖階段)

第三道混凝土支撐位于地面以下8m左右，此位置也是地下水位的埋深，建國南苑26棟下部樁基底部與第三道混凝土支撐位置大致在一個深度。第三道混凝土于2018年3月17日施工完成，根據(jù)以上的監(jiān)測分析可知，自土方開挖至第三道砼支撐這個時間節(jié)點，距離基坑較近的監(jiān)測點均發(fā)生了較大的沉降突變,這是由于在開挖到第三道支撐時，進行了基坑降水工作，由于砂性富水地層，土的滲透性較大，在降水過程中水流速度較快，容易帶走土中的砂，地下水的降低使土體壓縮沉降。在后續(xù)下部的第三、四、五層土方開挖的過程中，建筑物沉降趨于穩(wěn)定，沉降速率減慢，這是由于集中抽取了地下水，使土體顆粒、骨架重排列完成，土體基本穩(wěn)定。通過以上實際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得知，在常規(guī)情況下，基坑開挖對鄰近建筑物的影響主要是在房屋基礎(chǔ)以上的基坑內(nèi)土方開挖，在保證上部支撐體系預(yù)加軸力滿足要求的情況下，再向下開挖，圍護結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生向外的擠壓效應(yīng)，這是由于對富水地層進行降水使基坑地連墻外的土體水土壓力減小，支撐體系的預(yù)加軸力大于地連墻外的水土壓力，向外擠壓土體，這在一定程度上對建構(gòu)筑物沉降控制有利。

圖8 西牌樓社區(qū)沉降變化(開挖階段)

3.3.2 建筑物沉降的空間效應(yīng)

為了研究基坑開挖階段，建筑物的不同位置沉降變化與基坑位置在空間上的關(guān)系，依舊取建筑物監(jiān)測點JGC2,JGC3,JGC4,JGC5,JGC14,JGC16,JGC3-1,JGC3-2,JGC4-1,JGC4-2為研究組，監(jiān)測點JGC10,JGC9,JGC8,JGC7,JGC26,JGC24,JGC3-6,JGC3-5,JGC4-6,JGC4-25這10個點為對比組，K1-K10分別代表基坑開挖研究組與對比組對應(yīng)點的水平位移值，圍護結(jié)構(gòu)不同位置處，鄰近建筑沉降值和水平位移值分別如圖9、圖10所示。研究組的監(jiān)測數(shù)據(jù)在沿基坑長邊位置大致呈拋物線型變化，離基坑長邊中部越近，監(jiān)測點的沉降量越大，從基坑長邊中部向兩端沉降量逐漸減小。監(jiān)測組的水平位移值可以看出：監(jiān)測組的各水平位移值沿基坑長邊方向也是呈拋物線變化，所以基坑長邊的中部建筑物容易受到擾動，基坑中部在開挖施工時要注意多加支撐，控制好施工過程中的水平位移。

圖9 基坑長邊側(cè)監(jiān)測點的沉降值

圖10 基坑長邊側(cè)建筑物水平位移值

圖11 地連墻墻體深層水平位移與深度的關(guān)系

3.4 墻體測斜分析

選取建筑物沉降最大點位地連墻墻體深層水平位移監(jiān)測孔ZQT4進行分析，監(jiān)測點的水平位移見圖11。基坑開挖深度為約16m，從地連墻范圍上看，位移最大的位置在12-13m左右，最大位移達到18.87mm，變形較大的區(qū)域為8m～20m，大致成拋物線；從發(fā)生的時間上來看，自第三道支撐施工完成后，隨著開挖深度的增加，在坑外土體側(cè)向壓力作用下，圍護結(jié)構(gòu)逐步向坑內(nèi)位移，開挖至底板后，達到最大值。車站第一道為砼支撐，對地連墻頂部位移限制作用較為明顯，因此在開挖至基底后，墻頂水平位移基本無變化，而在12-13m位置地連墻變形最大，這是由于頂部混凝土支撐作用和底板嵌固作用。

3.5 墻體水平位移與建筑物沉降的關(guān)系

根據(jù)建筑物沉降情況以及地連墻水平位移情況，選取建筑物沉降較大的監(jiān)測點JGC13,JGC14,JGC15,JGC16和建筑物沉降較大位置地連墻墻體深層水平位移監(jiān)測孔ZQT3,ZQT4,ZQT5的較大水平位移12m處的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，建筑物沉降變化與地連墻水平位移變化如圖12。建筑物沉降與地連墻水平位移是隨基坑開挖深度的增加而增大的。開工后的前8天，由于土方開挖不深，地連墻內(nèi)外的土壓力差值不是很大，墻體的水平位移并不明顯，開挖一個月，由于對砂性富水地層的基坑降水，造成了建筑物的沉降突變。繼續(xù)開挖，地下連續(xù)墻水平位移增大，開挖至底板澆筑完成，監(jiān)測點水平位移達到最大值。建筑物的沉降在開挖過程中也一直是增長的，但是增長緩慢。從圖中還可以看出，土的壓縮沉降變化與地連墻的水平位移變化在時間上是不同步的：前期，土體壓縮沉降量增長而地連墻水平位移幾乎不增長，這是由于前期主要是建筑物壓縮土體發(fā)生均勻沉降，建筑物向基坑側(cè)的傾斜度較小；后期，建筑物沉降變化緩慢而地連墻水平位移增長較快，是由于進行了砂性富水地層基坑降水，使坑內(nèi)的地下水位降低速度快于坑外地下水位的降低速度造成的，從而使建筑物產(chǎn)生向基坑的傾斜。

4 結(jié) 論

結(jié)合杭州地鐵5號線江城路站基坑工程監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了砂性富水地層基坑施工對周邊建筑物的影響，總結(jié)出以下結(jié)論：

(1) 圍護結(jié)構(gòu)水平位移隨著開挖的變化而變化，而且具有明顯的時空效應(yīng)。在基坑的設(shè)計、施工以及監(jiān)測要充分考慮時空效應(yīng)。

(2) 建筑物的沉降會隨著與基坑距離的增加而衰減，其衰減規(guī)律與開挖深度有顯著的關(guān)系。隨著開挖深度的增加 ，距離基坑較近的建筑物衰減速度越快，越遠衰減速度越慢。

圖12 建筑物沉降變化與地連墻水平位移變化

(3) 鄰近建筑物側(cè)的地鐵車站基坑開挖會引起建筑物向基坑方向的明顯位移，總體上建筑物位移沿基坑長邊方向呈拋物線型。所以，在基坑施工過程中，建議在基坑的長邊中部一定范圍內(nèi)增加支承剛度或者增大支撐的預(yù)加軸力，可以有效減小周邊建筑物的位移。

(4)在常規(guī)情況下，基坑開挖對鄰近建筑物的影響主要是在房屋基礎(chǔ)以上的基坑內(nèi)土方開挖，在保證上部支撐體系預(yù)加軸力滿足要求的情況下，再向下開挖，圍護結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生向外的擠壓效應(yīng)，在一定程度上對建構(gòu)筑物沉降控制有利。在基坑開挖過程中要及時架設(shè)支撐，必要時對支撐軸力進行復(fù)加，能夠在一定程度上減小地連墻位移。