深基坑周边建（构）筑物沉降分析与控制技术

徐启鹏，王玥

（中铁隧道勘察设计研究院有限公司，广州510000）

1 引言

城市地下空间开发和高层建筑的建设，产生了大量深基坑工程，其规模和深度不断增加。城市中的深基坑工程一般都处在密集的建筑群中，施工场地狭窄，有些工程的基础紧邻已有建筑物或构筑物的基础。这种环境中的深基坑工程，如果应用现有基坑工程的设计理论(强度控制设计)和常规施工技术已经难以满足保护基坑周围环境的要求。近年来，虽然许多学者和工程技术人员已经在基坑工程设计的变形控制方面做了很多研究，但在寻找基坑开挖过程中有关基坑支护结构变形、周围地层位移和近临建筑物变形三者之间关系的规律方面仍然存在很多要解决的问题。

利用数值模拟软件，对基坑开挖及相关施工工艺进行模拟研究，可以很好地对基坑变形及周边建（构）筑物沉降进行模拟，模拟对象涉及开挖空间效应[1]、支护结构数量和位置[2]、围护结构参数[3]、渗流场引发沉降[4]等，但对于注浆加固土体前后进行模拟的研究较少，其加固工艺、加固范围等参数均对控制基坑周边建筑沉降有较大影响，利用数值模拟计算进行前后对比分析，对指导基坑工程安全施工有积极的指导意义。

2 工程背景

2.1 工程概况

金湖广场站位于金湖路与民族大道交叉路口北侧，沿金湖路呈南北走向敷设，该站为南宁市轨道交通3 号线工程（科园大道—平乐大道）第14 座车站，为1 号、3 号线通道换乘车站。

本站为地下4 层双柱3 跨结构，采用岛式站台。车站主体结构外包总长150.0m（不含围护结构），标准段宽25.1m（不含围护结构），结构高度为26.92m。车站顶板覆土约3.5m。基坑开挖深度为30.65～32m。本站主体基坑采用明挖顺作法施工，采用1200mm 地连墙+内支撑的支护体系。

金湖广场站周边建构筑物距离车站基坑较近，且多为高层建筑。东侧主要建筑物有现代国际（28 层）、工行金碧苑小区（22 层）、东方曼哈顿（26 层）；西侧为金湖北广场地下商场（地下2 层，周边环境如图1 所示。

图1 工程周边环境平面图

2.2 水文地质条件

车站位置属邕江堆积、河谷阶地区，地形地貌简单，自然地面平坦。本场地岩土层基本情况如图2 所示。

图2 典型地质剖面示意图

2.2.1 第四系地层

1）人工堆积：主要为第四系全新统人工堆积的①1 圆砾填土、①2 素填土。

2）冲积层：主要为第四系晚更新统望高组冲积的②3-2 粉质填土、③1 粉土、④1-1 粉砂、④2-2 中砂、⑤1-1 圆砾。

2.2.2 古近系地层

根据钻探揭露，本场区下伏基岩主要主要为古近系泥岩、泥质粉砂岩（E）。根据其岩性的不同，分为⑦1 层泥岩、⑦2 层泥质粉砂岩和⑦4 层炭质泥岩（泥煤、泥岩）。

拟建场地附近无地表水分布。根据地下水的含水介质、赋存条件、水理性质和水力特征，勘探揭露范围内场地地下水类型主要是上层滞水、第四纪松散岩类孔隙承压水和碎屑岩类孔隙裂隙水[5]。

3 三维有限元数值分析

3.1 三维有限元模型的建立

结合基坑的开挖深度、周边建（构）筑物的布置，选取计算模型尺寸为550m×450m×69m。模型节点数为250217，六面体实体单元数为232996，板（One Layer Shell）单元数为16579，梁（Beam）单元数为5877，渗透（Seepage）面单元数为18288。

模型的边界条件为：顶部自由，四周及底部限制法向位移，底边限制3 个方向的位移。四周为透水边界，底部为不透水边界。

基坑整体的支护结构由地下连续墙、对撑梁、腰梁、斜撑梁、立柱及立柱桩组成，基坑支护体系结构与周边建筑物关系如图3 所示[6～8]。

图3 支护结构与地铁隧道之间的位置关系

3.2 分层开挖施工计算分析

直接采取逐层开挖的方法进行施工，利用数值模拟进行计算。图4 为基坑开挖过程中围护结构和周边建筑物的整体变形云图。最大沉降发生在现代国际临基坑侧，地墙最大变形为35.1mm。金湖广场侧地墙变形较小，约为25.8mm. 端头井因为空间效应，地墙的变形较标准段小，约为26mm。基坑变形与开挖深度的比值约为0.12%，即基坑开挖引起的地墙变形约为开挖深度的0.12%倍。综合来看，围护结构变形较小。

图4 围护结构及现代国际、工行金碧苑小区地下室整体变形云图（单位：m）

图5 为建筑物关键节点编号。对数值计算的相应节点沉降随施工过程发展进行数据提取，结果如图6 所示。工行金碧苑在基坑开挖过程中的倾斜增量为0.00028，现代国际在基坑开挖过程中的倾斜增量为0.00027。

图5 建筑物关键节点示意图

图6 关键节点沉降随施工过程发展折线图

3.3 土体注浆加固计算分析

为防止成槽时的塌孔，采用袖阀管对地墙周边土体进行加固。数值分析中，对地墙与建筑物之间的土体采用参数提高的方法模拟加固效果。

图7 为基坑开挖过程中围护结构和周边建筑物的整体变形云图。加固后最大沉降发生在工行金碧苑小区临基坑侧，地墙最大变形为30.4mm，金湖广场侧地墙变形较小，约为22.3mm. 端头井因为空间效应，地墙的变形较标准段小，约为25.3mm。基坑变形与开挖深度的比值约为0.10%。综合来看，围护结构变形较小。

相对于未加固及未分段开挖工况，地墙最大变形减小13.4%。

图7 围护结构及现代国际、工行金碧苑小区地下室整体变形云图（单位：m）

对数值计算的相应节点沉降随施工过程发展进行数据提取，结果如图8 所示。工行金碧苑在基坑开挖过程中的倾斜增量为0.00023。现代国际在基坑开挖过程中的倾斜增量为0.00019。基坑开挖施工引起的沉降增量平均值约为10.1mm，沉降增量占沉降允许值约5.05%；倾斜增量约占倾斜允许量的9.2%，增量相对较小。与不考虑加固及分段施工的情况相比，工行金碧苑最大沉降量减小7.96%；现代国际最大沉降量减小22.18%。加固后，建筑物的沉降控制较不进行加固有一定的改善。

图8 关键节点沉降随施工过程发展折线图

3.4 分层分段开挖+土体加固的计算分析

为更好地控制对周边环境的扰动，采用分层分段开挖并施工支撑的施工方式，同时考虑土体注浆加固后，注浆区域参数的改善，并进行数值模拟计算。

图9 为基坑开挖过程中围护结构和周边建筑物的整体变形云图。可见最大沉降发生在现代国际临基坑侧，最大沉降变形为11.98mm。地墙的整体变形云图显示，地墙最大变形为24.5mm，基坑变形与开挖深度的比值约为0.08%，即基坑开挖引起的地墙变形约为开挖深度的0.08%倍。综合来看，围护结构变形较小。

图9 围护结构及现代国际、工行金碧苑小区地下室整体变形云图（单位：m）

相对于未加固及未分段开挖工况，地墙最大变形减小（35.1-24.5）/35.1×100=30.2%。

对数值计算的相应节点沉降随施工过程发展进行数据提取，结果如图10 所示。工行金碧苑在基坑开挖过程中的倾斜增量为0.00012，现代国际在基坑开挖过程中的倾斜增量为0.0008。

与不考虑加固及不考虑分段施工的情况相比，工行金碧苑最大沉降量减小53.98%；现代国际最大沉降量减小66.26%。可见，加固和分段施工后，建筑物的沉降得到了很好的控制。

实测结果显示，三维数值模拟较好地对施工全过程进行了模拟，进一步说明了数值模拟分析是制订施工方案并进行优化评价的重要辅助手段。

4 周边建筑物保护技术及其应用

4.1 精细化施工

图10 关键节点沉降随施工过程发展折线图

本车站基坑周边环境复杂，建筑物较多，对基坑变形控制要求严格。基坑开挖过程中需严格按照相关规程进行施工，控制基坑位移，确保施工安全，将对周边环境的影响降至最低。基坑开挖遵循“时空效应”理论，根据围护结构及主体结构施工需要，基坑土方开挖总体坚持水平分层、纵向分段的原则进行施工。水平分层是为了便于机械在基坑内修筑临时便道作业，便于混凝土支撑施工；纵向分段是为了保证主体结构尽快进行施工，使土方开挖与主体施工形成依托[9，10]。

4.2 注浆加固基坑周边土体

采用袖阀管加固基坑与建筑物间土体，将基坑与建筑物间土体加固成一整体，增加土体自稳性，以减小地连墙成槽和基坑开挖过程中建筑物沉降和变形，其中地连墙内侧1 排，外侧3 排；加固范围为地面以下4.0m 至袖阀管底。注浆袖阀管采用φ48mm PVC 管，排距1.0m，纵向间距1.0m，梅花形布置，袖阀管打设深度为进入泥岩不小于1m；浆液采用复合型浆液。视阀管注浆布置图如11 所示。

4.3 加固建筑物基础持力层

图11 袖阀管注浆布置图

采用钢花管加固建筑物基础持力层，提高静压桩的摩擦力和支承力，提高建筑物基础土体的自稳性，以减小基坑开挖过程中建筑物沉降和变形，钢花管水平间距1.0m，钢花管距建筑物地下室结构边线距离按不小于2.0m 进行控制，所有钢花管一次预埋到位，先期按隔一注一的加固方式进行预注浆加固。剩余未注钢花管根据建筑物沉降、变形情况进行跟踪注浆。钢花管加因布置平剖面图如图12 所示。

图12 钢花管加固布置图

5 结语

1）对金湖广场站基坑施工对周边环境的影响进行了三维数值分析，基坑工程的施工对既有现代国际和工行金碧苑小区的影响计算结果汇总如下：（1）在基坑采用分层开挖，分层支护，未采取地墙及建筑物间土体加固以及未分区分段施工的情况下，基坑的开挖施工导致的地墙变形以及周边沉降均基本可控；（2）在采取了地墙及建筑物间土体加固以及分段施工的情况下，地墙变形得到了很好地控制，满足关于一级基坑地控制要求，同时，也较大地减小了既有建筑的沉降和倾斜增量，有助于降低施工过程中的风险；（3）采用沿地墙外侧的坑外加固，对控制坑外土体变形以及减少建筑物沉降有一定效果，但程度有限。

因此，按本工程的基坑支护设计及施工方案进行基坑开挖支护施工对周边既有建筑的影响较小，可有效确保施工过程中建筑物的安全。

2）基于地墙施工过程中的现场实测结果，以及数值分析结果，项目参与各方经过深入讨论，确定采取相应的周边建筑物保护措施，主要包括：（1）基坑开挖遵循“时空效应”理论，根据围护结构及主体结构施工需要，基坑土方开挖总体坚持：水平分层、纵向分段的原则进行施工；（2）采用袖阀管加固基坑与建筑物间土体，将基坑与建筑物间土体加固成一整体，增加土体自稳性，以减小地连墙成槽和基坑开挖过程中建筑物沉降和变形；（3）采用钢花管加固建筑物基础持力层，提高静压桩的摩擦力和支承力，提高建筑物基础土体的自稳性，以减小基坑开挖过程中建筑物沉降和变形。

通过以上措施的采取，确保了基坑开挖施工的顺利进行。