围护结构变形与相邻建筑物沉降控制措施

孙 勇，常绍杰，杨振平

（中交一航局第四工程有限公司，天津 300456）

1 工程概述

在城市建筑密集区域进行深基坑施工，其围护结构的变形对周围建筑物的安全性能影响十分重大。天津地铁3号线北站站主体基坑支护结构采用钢筋混凝土连续墙和钢支撑组成的内支撑围护结构体系。车站基坑长197 m，宽24.5 m，开挖深度为17.6 m，地连墙厚为0.8 m，深31 m，布置4道钢管支撑；端头井最大开挖深度19.1 m，墙厚为1.0 m，深33.2 m，布置5道钢管支撑；换乘节点处开挖深度25.4 m，墙厚为1.0 m，深45 m，布置8道钢管支撑。入土比均为0.7。车站标准段采用全明挖法施工。相邻建筑为1957年所建3层砖混结构，地基为片石条形扩大基础，基础埋深2.1m，距基坑边10 m，局部仅7.8 m（如图1、图2）。

2 围护结构变形及相邻建筑沉降影响因素分析

影响围护结构变形的主要因素是围护结构所承受的土压力的变化，及围护结构本身对压力的抵抗能力。相邻建筑物的沉降是土压力与围护结构相互作用的结果，它与围护结构的变形有着密切的关系。也就是说土压力随着施工过程的变化始终是变化的，设计和施工时需综合考虑。当围护结构形式确定后，就需要在施工过程中严格控制各个影响因素，以确保围护结构的安全性。

2.1 围护结构的影响

对于地铁车站普遍采用的地下连续墙作为深基坑的围护结构，其影响因素为：

1）围护结构变形的大小取决于围护结构自身的刚度。围护结构的刚度受弹性模量、结构厚度影响。目前，深度15 m以上的地铁车站基坑，地下连续墙的厚度一般在800～1 200 mm，其后者的刚度约为前者的3.375倍，即基坑变形将减少70%；围护结构由于与支撑系统协同工作，地下连续墙的厚度应考虑支撑体系的材料、开挖工艺等综合确定。

2）围护结构的插入深度，直接影响基坑本身的抗隆起稳定性，一般为0.6H～0.8H（H为基坑开挖深度），但是插入深度还受基坑底部承压水层的影响。地下连续墙入土深度设计要结合嵌固深度、各项稳定性、水文地质条件和地下水控制要求等综合考虑。

图1 基坑平面图

图2 基坑剖面图

2.2 支撑的影响

1）支撑刚度越大，对于限制基坑的变形越有利，但是过大的刚度不仅会加大支撑杆件的体积，不便于施工，并且增加工程造价。所以常见的长条形地铁车站深基坑，应该综合考虑支撑的弹性模量、截面积、支撑长度、支撑水平间距等，合理选择支撑刚度。

2）对钢管施加预应力可以消除支撑体系松弛，避免开挖阶段土体内产生过大的剪应力，可有效减少基坑变形。合理的钢支撑预加轴力值就是能让钢支撑、钢围檩、围护结构之间无缝隙接触且共同受力，通常为计算轴力的60%～70%。

3）钢支撑是长细杆结构，重力可使钢支撑极限承载力降低35%左右，其影响不可忽略。安装钢支撑钢管时采用三分点起吊，钢管弯矩最小，变形最小；钢管安装定位后，施加预应力前改由中点单点起吊，使其有一定的向上反挠度，减少重力对钢支撑内力的影响。

4）实测证明钢支撑内力与温度密切相关，温升过高会导致失稳，温降过低会导致支撑失效，温度降低造成的影响要比温度升高严重得多，在架设钢支撑时应当根据当时环境温度、最高环境温度、最低环境温度对所有钢支撑轴力进行必要的调节，轴力的调节量可按下式[1]进行：

式中：k为温度调节系数，见表1；α为钢材的线膨胀系数；Δt为升温或降温温差；E为弹性模量；A为截面积。

表1 温度调节系数k取值表

2.3 基坑开挖的影响

开挖顺序作为支撑的重要施工参数是影响深基坑变形的重要因素，通常包括先挖后撑和先撑后挖2种情况。

开挖方式是影响钢支撑内力与稳定的最重要因素，钢支撑内力绝大部分是由于开挖引起的，按照时空效应规律依“分层开挖、先撑后挖”的原则优化每一层的开挖深度与步距，及时安装钢支撑，科学合理有序的开挖能有效减少开挖过程对钢支撑内力的影响，大大提高基坑的稳定性。

基坑开挖具有明显的时间效应，支撑的架设需要一定的时间，对于土质较差的基坑，采用先挖后撑的方法时，由于支撑的架设时间，基坑可能发生较大的变形，严重时会导致基坑坍塌破坏。因此，先撑后挖是深基坑优先采用的开挖方法。

2.4 施工降水与地下水位影响

施工降水会引起土体的固结变形。由太沙基固结理论可知，土的变形速率取决于孔隙水的排出速率，即孔隙水的消散速率。基坑内施工期间的降水，会引起坑内土体的沉降变形，此时如果基坑外部水位不发生变化，围护结构内外的水力压差会对围护结构产生压力。由于围护结构的刚度和土体的支撑作用，此时围护结构的变形不大。但如果围护结构对外部土体内的水没有形成封闭时，外部土体内的水就会渗流到基坑内被排出，此时基坑外的土体也会产生沉降，围护结构变形加大。因此坑内降水时围护结构的严密性对周围建筑的影响很大。

2.5 开挖深度

基坑内土体开挖深度的变化直接导致围护结构外土压力的变化，随着开挖深度H的增加，围护结构的变形逐步增加，基坑周围地面的沉降会越来越大，最大沉降发生的位置不在紧靠墙体处，而是有一定距离，一般为0.3 H～H。

3 相邻建筑物沉降与围护结构变形关系

围护结构的变形和基坑底隆起是基坑周围地表沉降和相邻建筑物沉降产生的直接原因。根据地层损失原理，基坑开挖引起周围地层移动的主要原因是坑底的土体隆起和周围墙的位移；基坑周围地层移动进而影响周围的建筑物、地下管线和其它市政设施的安全；另外，基坑降水使原有地下水位降低，饱和土孔隙水压力的逐渐消散及在外荷载作用下土层产生压缩固结，也增加了建筑物沉降。基坑附近有效影响范围内建筑物的存在，也对基坑围护结构增加了附加荷载，增加了围护结构的变形。

地面沉降曲线影响范围内地基的沉降将导致建筑物的沉降，其沉降大小与建筑物基础型式、深度密切相关。建筑物沉降控制的关键是相邻观测点的差异沉降是否导致结构的破坏。对于本工程，基础底面埋深很浅，地面沉降基本与建筑物沉降一致。实测建筑物倾斜率在0.188%～0.226%之间，小于0.3%的控制标准。其沉降情况见图3。

图3 邻近基坑办公室沉降三维图

4 主要控制措施

4.1 围护结构采取的措施

4.1.1 监控测量

通过对以下项目的监测，及时分析和掌控施工过程的各项数据，达到对围护结构变形与相邻建筑沉降的预控目的。

1） 围护体定向水平位移监测（测斜）；

2） 钢支撑轴力监测；

3） 地下水位监测；

4）基坑周围地表沉降监测；

5）基坑隆起监测；

6）基坑周围建筑物沉降变形监测；

7）基坑周围地下管线沉降变形监测；

8）围护体钢筋应力监测；

9）地下孔隙水压力、土压力监测；

10）分层沉降监测。

4.1.2 地下连续墙施工控制

导致基坑围护结构漏水的原因很多，主要有相邻两幅地连墙“劈叉”、接头刷壁不彻底、混凝土灌注夹渣等。

1）成槽垂直度是施工中容易忽略的渗漏原因。一般规范规定地下连续墙的垂直控制标准为不大于1/150，若相邻的两幅分别向坑内和坑外倾斜，两者的相对偏差的最大限制值为1/75。以本工程为例，若地下连续墙在基坑底部的相对错开为车站标准段区234 mm（基坑深度约为17.6 m），端头井段区255 mm（基坑深度约19.1 m），换乘节点段区339 mm（基坑深度约25.4 m），均在规范允许范围内，但墙厚将分别比设计墙厚减少29.25%、25.5%和28.25%。可以看出相邻两幅地下连续墙的“劈叉”将大大缩短接缝渗水路径，增加渗漏的可能。因此，在挖槽机具挖土时，悬吊机具的钢丝绳一定要呈垂直张紧状态，这是保证挖槽垂直精度的关键。本工程使用宝峨GB-34成槽机配置GCS成槽监控系统，开挖过程中能记录、显示和打印输出成槽的深度和斜度（见图4），并及时利用纠正系统纠偏，实现了成槽质量的实时控制。

图4 GCS测量系统

2）不同墙深的地连墙相接形成高低墙。如果先施工的深墙锁口管全深度设置，拔出后下部可能出现和井管一样的渗水通道，这对于基坑风险很大，极易出现承压水管涌现象。应先施工浅墙，锁口管设置深度以满足浅墙深度即可。

3）各种接头均采用强制性刷壁器进行刷壁，刷壁往复次数应不少于10次，直到刷干净为止。重要部位要进行超声波检查，必须旁站监督。如果安装锁口管向钢筋笼侧倾斜，会导致无法进行有效地刷壁，需在基坑外侧采取加固止水措施。

4）如果沉渣过厚，浇灌混凝土时，沉渣会翻到混凝土上面，并随着混凝土面上升，当遇到密集的接驳器锚固钢筋时，部分沉渣会被锚固钢筋挡住而形成夹泥。当地连墙接头有不平整或浇灌混凝土面上升不同步时，沉渣会滞留在接头处形成接头夹泥，因此控制沉渣厚度对减少地连墙夹泥现象非常有效。在刷壁、下放钢筋笼后和浇灌混凝土前，应对孔底泥浆及槽深进行检测，如果测试指标及槽深达不到要求，必须再次进行清底置换。特别对于超过40 m以上的深墙，泥浆中含沙量大，有必要采取泥浆分离系统。

图5 北站站基坑开挖流向图

4.1.3 开挖与支撑施工

基坑开挖采用从上到下、分层分段、留土护坡、阶梯式流水、随挖随撑的开挖方法。每段开挖长度约25 m，每段开挖中又分4层，每层分成6 m一小段，8 h之内挖去6 m的一小段，在暴露的地连墙上尽快安装2根φ609×16 mm的钢支撑。开挖到底也是每一小块及时浇筑垫层以起底撑作用。按此施工参数进行开挖支撑，能合理地利用土体自身在开挖过程中控制位移的潜力而达到控制坑周地层位移的目的，见图5。

土层开挖与支撑施工控制，必须先撑后挖，而不能利用土体“时空效应”进行土方超挖、抢工期。“时空效应”应用的困难在于，对于不同的土质其土体应力和变形随时间的消散关系难以确定，因而无法确定开挖后在多长时间内变形达到最大，同时施工中不确定因素较多，即使准确掌握了控制时间，也很难在要求的时间内做到对围护结构的支撑，从而难以控制结构变形。

4.2 对已有建筑物采取的措施

4.2.1 控制降水

“控制降水”即根据深基坑实际开挖顺序、土方开挖工况和结构回筑工况，动态地确定疏干井的降深及运行数量，采用分段分层降水，不进行挖方的土体不再降水，精确控制建筑物周围的地下水位，防止地基固结沉降，达到控制建筑物沉降的目的。

开挖前仅提前3 d降水，以能开挖为度，避免对周围土体的干扰。开挖过程中保证水位在每层开挖面以下1 m即可。采用高精度水位控制系统，可将水位严格控制在设计降深的±10 cm以内，做到实际降深曲线与理论计算基本一致。

4.2.2 增加止水帷幕以解决承压水问题

根据地质报告，基坑潜水与第一承压水、第二承压水层存在水力联系，且附近建筑物距离基坑不足10 m，原设计地下连续墙没有穿透第二承压水层。为此，采用围护、降水一体化设计，优化围护结构深度，采取加深地连墙长度以直接隔断第二层承压水补给；同时采用增加双高压旋喷止水帷幕加强地下连续墙分幅接缝的防渗。通过止水帷幕施工前后抽水试验，抽水量减少为之前的1/9～1/4，止水帷幕作用显著。

4.2.3 提高围护结构刚度

围护结构刚度与位移大小有着直接关系。刚度参数与支撑间距h的4次方成正比，所以当墙厚已定时，加密支撑可有效控制位移。施工前对临近办公楼的地连墙进行优化设计，增加一道钢支撑，理论计算表明基坑围护最大水平位移由24.2 mm减小为16.6 mm，临近基坑7 m处楼房的地面沉降值由18 mm减小为13 mm，图6为地连墙的水平位移曲线，最大位移17.2 mm，由此看出增加一道钢支撑后对于基坑变形、地面沉降的控制作用明显。

图6 地连墙深度位移图

4.2.4 基坑开挖超前探测

基坑开挖时，严格执行“先探后挖”的原则，在每层土方开挖前先探测地连墙接缝有无渗漏水，每次采用洛阳铲探挖至开挖面以下3 m，在确认没有漏水时方可进行分层开挖。挖机挖土前先在施工缝处挖深1 m，没有异常后继续开挖。地下连续墙有渗水时，采用双高压旋喷止水帷幕进行堵漏。

5 结语

深基坑围护结构的变形与邻近建筑物的沉降密切相关，保证施工期间邻近建筑物的安全必须系统地综合考虑地质、设计和施工的每一个过程，本工程能够达到基坑无水施工和建筑物沉降安全，重点关注了以下几个方面：

1）围护结构地连墙的设计和施工是邻近建筑物沉降安全的前提条件，抓住施工质量关键控制点，如垂直度、刷壁等环节。

2）土方开挖的方法、顺序是确保基坑围护稳定性的关键，采用钢支撑的深基坑，应当关注支撑刚度损失因素，特别应注意温差对轴力的影响，尤其在冬末春初季节。

3）采用降水最小化设计和施工，做到按需降水，分层降水，精确控制建筑物周围的地下水位，防止地基固结沉降，达到控制建筑物沉降的目的。

4）开挖过程中的基坑监测和信息化施工是确保基坑稳定、周围管线和建筑物安全的重要措施。

5）开挖前根据施工记录和探摸了解地下连续墙的缺陷，及时采取帷幕等措施防止基坑渗漏水，是保证邻近建筑物安全的有效控制方法。

总之，采取上述基本原则，使天津地铁3号线北站站换乘节点25 m深基坑成为无渗漏基坑的一个典型，确保了基坑和周边建筑物的安全。

[1] 王光明.地铁深基坑钢支撑内力影响因素分析[D].北京：北京市政工程研究院，2005.

[2] 樊听龙，常绍杰，刘国强，王广建，杨建峰.地铁深基坑支撑与开挖技术[R].天津：中交一航局第四工程有限公司，2010.