基坑开挖对周边建筑物影响的实测研究 ①

张世民， 任印文， 孙银锁， 章丽莎

(1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001；2.浙江大学城市学院土木工程系，浙江 杭州 310015)

0 引 言

基坑开挖引起邻近建筑物变形影响这一问题，国内外学者以及工程技术人员主要采用数值模拟[1-6]和现场监测分析[7-8]这两种方法进行研究。施有志[1]采用PLAXIS3D研究基坑开挖对邻近建筑物结构变形影响。俞建霖[2]采用PLAXIS研究深基坑开挖对周边环境的影响。李伟强[3]采用数值模拟方法研究深基坑与邻近既有建筑物地基基础的相互影响。刘建荣[4]采用FLAC-3D技术研究基坑开挖对紧邻建筑物的影响。周晋[5]研究基坑开挖对邻近病房楼及既有地下污水池的影响。吴朝阳[6]采用数值模拟预测的坑外最大沉降值略微偏小。张治国[7]对某基坑监测数据进行分析，研究基坑施工对邻近建筑物的沉降影响。施有志[8]运用某地铁站的监测数据，研究地铁车站深基坑开挖对周边环境的影响。为了研究在砂性富水地层条件下基坑开挖对邻近既有建筑物的影响。以杭州地铁5号线江城路站基坑开挖工程为实例，结合不同施工时期和工况下的监测数据，分析在砂性富水地层条件下基坑开挖对周边建筑物的影响机理。

1 工程概况

工程位于杭州市上城区江城路和河坊街丁字路口。工程周边状况：江城路与河坊街道路红线宽均为30m，江城路西侧是7层居民楼建国南苑，东侧为14层社区以及12层上城区国税局，距离较远的为陆家河头小区。车站平面示意图见图1。受基坑开挖影响较大的主要邻近建筑物及结构形式见表1。

表1 车站基坑周边主要建筑物结构形式及监测点数

车站标准段为框架结构，车站基坑总长194.6m，标准段宽21.3m，盾构井宽25.4m，换乘节点宽30m；标准段深度为16.8m，端头井深度约17.8m，换乘节点深度约25m。工程场地的承压含水层水头埋深在8m左右。

图1 江城路站平面位置示意图

2 监测方案

由于工程紧邻老旧建筑物，因此，地下连续墙围护结构施工、基坑开挖、支撑施工按照设计文件进行，以降低施工对周围建筑物的影响。地下连续墙施工分三个阶段进行，第一阶段施工江城路道路盖板西侧地下连续墙63幅，第二阶段施工剩余地下连续墙34幅，第三阶段为附属围护结构。首先进行江城路道路盖板以西地下连续墙施工，共计63幅。第二阶段：进行盖板以东地下连续墙施工，共计34幅。第三阶段：附属围护结构施工。

结合江城路站平面位置示意图(图1)，主要选取距离基坑较近的建国南苑26栋、西牌楼社区的监测点进行分析。建筑物监测点布置如图2所示。建国南苑26栋布置了16个监测点，西牌楼社区布置12个监测点，上城区国税局布置了6个监测点，邻近房屋侧共布置了5个地连墙水平位移监测孔，如图2。

图2 建筑物监测点布置图

3 监测数据分析

3.1 监测数据分析阶段划分

根据工程工况情况，主要分为两个阶段进行房屋沉降监测数据具体分析：第一阶段为围护结构施工阶段；第二阶段为基坑开挖至底板施工完成阶段。

3.2 围护结构施工阶段建筑物的位移分析

3.2.1 建筑物沉降的时间效应

26栋：监测点JGC13,JGC14,JGC15,JGC16沉降量较大，其中JGC13达到10.28mm，JGC14达到13.05mm，JGC15达到10.35mm，JGC16达到11.39mm(图3)。 根据建国南苑26栋的整个结构形式看(图2)，这些监测点位都在离基坑中部较近的位置，分析可知，由于地连墙施工对该区域产生了扰动，其他监测点数值变化不大，总体上看处于微沉。说明离基坑地连墙位置越近，受到地连墙开槽卸载的影响就越大，其他的监测点也产生了一定的沉降量，但沉降不大，说明离施工位置越远影响越小，体现了地连墙施工对邻近建筑物影响的“近大远小”的规律。

图3 建国南苑26栋沉降变化

西牌楼社区(图4)：西牌楼社区总体处于下沉趋势，其中监测点JGC3-1,JGC3-2沉降较大，从监测点布置图可以看出，这两点离基坑较近，而在较远点的沉降值较小，说明建筑物有向地连墙施工场地倾斜的趋势。

图4 西牌楼社区沉降变化

从以上各个建筑物的监测点沉降随时间变化趋势来看，建筑物沉降总体处于波动式变化。不同的监测点沉降量不同，表现为建筑物离施工扰动区越近，沉降越大，离扰动区越远沉降量越小。在围护结构施工时，开挖卸荷使土体应力场和位移场发生变化，使得周围土体在上部荷载作用下向下压缩沉降，进而使建筑物发生沉降。

3.2.2 建筑物位移的空间效应

为了研究地连墙施工阶段，建筑物的不同位置沉降变化与基坑位置在空间上的关系，取建筑物不同位置监测点的沉降数据进行对比分析。图2中可以看出：监测点JGC2,JGC3,JGC4,JGC5,JGC14,JGC16,JGC3-1,JGC3-2,JGC4-1,JGC4-2在同一直线上，共计10个，且都沿基坑的长边布置，故取这些点为研究组。另外，取监测点JGC10,JGC9,JGC8,JGC7,JGC26,JGC24,JGC3-6,JGC3-5,JGC4-6,JGC4-25这10个点为对比组，S1-S10分别代表研究组与对比组对应点的水平位移值(如，S1=JGC2-JGC10为一个水平位移监测组)，围护结构不同位置处，邻近建筑沉降值和水平位移值分别如图5和图6所示。

图5 研究组各监测点沉降

图6 各监测组的水平位移

从图中可以看出：研究组的监测数据在沿基坑长边位置大致呈抛物线型变化，中间大，两边小，离围护结构长边的中部越近，监测点的沉降数据越大，从基坑中部向基坑两端沉降值逐渐减小。表明：离基坑长边中部越近的建筑物受到的影响越大，越远影响越小，这是由于基坑的长边方向较为薄弱，对土压力的抵抗力较小，所以邻近中部的建筑物沉降较大。从监测组的水平位移值也可以看出：监测组的各测点水平位移沿基坑长边方向也是呈抛物线变化趋势。

3.3 基坑开挖阶段建筑物的位移分析

3.3.1 建筑物沉降的时间效应

取2018年2月1 日的监测点累计值为起点进行分析。根据施工记录：2018年2月1日为基坑开挖的开始时间，同年5月18日基坑底板施工完成。2月1日到2月8日第一层土方开挖完成，2月12日第二道钢支撑架设完成，2月12日到3月6日，第二层土方开挖完成，3月6日到3月17日，第三道混凝土支撑施工完成，3月17日到4月9日，第三层土方开挖完成，4月9日到16日第四道钢支撑架设完成并预加轴力，4月17日到4月30日，第四层土方开挖结束并完成第五道钢支撑架设，5月1日到5月18日，第五层土方开挖并完成底板施工。在基坑开挖阶段，从监测数据分析图(图7、图8)可以看出，建筑物总体处于下沉趋势，但趋势较为平缓，说明基坑开挖对邻近建筑物有一定的影响，但影响不大，这是由于围护结构的存在以及在开挖施工过程中及时进行了支撑。从单个监测点数据来看26栋的JGC13,JGC14,JGC15,JGC16以及西牌楼社区的JGC3-1,JGC3-2,JGC3-3为沉降量较大点。离基坑越近的监测点，沉降量越大，远离基坑的监测点处于微隆微沉反复变化，总体趋于微沉，反映基坑开挖对建筑物影响程度的“近大远小”的规律。

图7 建国南苑26栋沉降变化(开挖阶段)

第三道混凝土支撑位于地面以下8m左右，此位置也是地下水位的埋深，建国南苑26栋下部桩基底部与第三道混凝土支撑位置大致在一个深度。第三道混凝土于2018年3月17日施工完成，根据以上的监测分析可知，自土方开挖至第三道砼支撑这个时间节点，距离基坑较近的监测点均发生了较大的沉降突变,这是由于在开挖到第三道支撑时，进行了基坑降水工作，由于砂性富水地层，土的渗透性较大，在降水过程中水流速度较快，容易带走土中的砂，地下水的降低使土体压缩沉降。在后续下部的第三、四、五层土方开挖的过程中，建筑物沉降趋于稳定，沉降速率减慢，这是由于集中抽取了地下水，使土体颗粒、骨架重排列完成，土体基本稳定。通过以上实际监测数据分析得知，在常规情况下，基坑开挖对邻近建筑物的影响主要是在房屋基础以上的基坑内土方开挖，在保证上部支撑体系预加轴力满足要求的情况下，再向下开挖，围护结构会产生向外的挤压效应，这是由于对富水地层进行降水使基坑地连墙外的土体水土压力减小，支撑体系的预加轴力大于地连墙外的水土压力，向外挤压土体，这在一定程度上对建构筑物沉降控制有利。

图8 西牌楼社区沉降变化(开挖阶段)

3.3.2 建筑物沉降的空间效应

为了研究基坑开挖阶段，建筑物的不同位置沉降变化与基坑位置在空间上的关系，依旧取建筑物监测点JGC2,JGC3,JGC4,JGC5,JGC14,JGC16,JGC3-1,JGC3-2,JGC4-1,JGC4-2为研究组，监测点JGC10,JGC9,JGC8,JGC7,JGC26,JGC24,JGC3-6,JGC3-5,JGC4-6,JGC4-25这10个点为对比组，K1-K10分别代表基坑开挖研究组与对比组对应点的水平位移值，围护结构不同位置处，邻近建筑沉降值和水平位移值分别如图9、图10所示。研究组的监测数据在沿基坑长边位置大致呈抛物线型变化，离基坑长边中部越近，监测点的沉降量越大，从基坑长边中部向两端沉降量逐渐减小。监测组的水平位移值可以看出：监测组的各水平位移值沿基坑长边方向也是呈抛物线变化，所以基坑长边的中部建筑物容易受到扰动，基坑中部在开挖施工时要注意多加支撑，控制好施工过程中的水平位移。

图9 基坑长边侧监测点的沉降值

图10 基坑长边侧建筑物水平位移值

图11 地连墙墙体深层水平位移与深度的关系

3.4 墙体测斜分析

选取建筑物沉降最大点位地连墙墙体深层水平位移监测孔ZQT4进行分析，监测点的水平位移见图11。基坑开挖深度为约16m，从地连墙范围上看，位移最大的位置在12-13m左右，最大位移达到18.87mm，变形较大的区域为8m～20m，大致成抛物线；从发生的时间上来看，自第三道支撑施工完成后，随着开挖深度的增加，在坑外土体侧向压力作用下，围护结构逐步向坑内位移，开挖至底板后，达到最大值。车站第一道为砼支撑，对地连墙顶部位移限制作用较为明显，因此在开挖至基底后，墙顶水平位移基本无变化，而在12-13m位置地连墙变形最大，这是由于顶部混凝土支撑作用和底板嵌固作用。

3.5 墙体水平位移与建筑物沉降的关系

根据建筑物沉降情况以及地连墙水平位移情况，选取建筑物沉降较大的监测点JGC13,JGC14,JGC15,JGC16和建筑物沉降较大位置地连墙墙体深层水平位移监测孔ZQT3,ZQT4,ZQT5的较大水平位移12m处的监测数据进行相关性分析，建筑物沉降变化与地连墙水平位移变化如图12。建筑物沉降与地连墙水平位移是随基坑开挖深度的增加而增大的。开工后的前8天，由于土方开挖不深，地连墙内外的土压力差值不是很大，墙体的水平位移并不明显，开挖一个月，由于对砂性富水地层的基坑降水，造成了建筑物的沉降突变。继续开挖，地下连续墙水平位移增大，开挖至底板浇筑完成，监测点水平位移达到最大值。建筑物的沉降在开挖过程中也一直是增长的，但是增长缓慢。从图中还可以看出，土的压缩沉降变化与地连墙的水平位移变化在时间上是不同步的：前期，土体压缩沉降量增长而地连墙水平位移几乎不增长，这是由于前期主要是建筑物压缩土体发生均匀沉降，建筑物向基坑侧的倾斜度较小；后期，建筑物沉降变化缓慢而地连墙水平位移增长较快，是由于进行了砂性富水地层基坑降水，使坑内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，从而使建筑物产生向基坑的倾斜。

4 结 论

结合杭州地铁5号线江城路站基坑工程监测数据，分析了砂性富水地层基坑施工对周边建筑物的影响，总结出以下结论：

(1) 围护结构水平位移随着开挖的变化而变化，而且具有明显的时空效应。在基坑的设计、施工以及监测要充分考虑时空效应。

(2) 建筑物的沉降会随着与基坑距离的增加而衰减，其衰减规律与开挖深度有显著的关系。随着开挖深度的增加 ，距离基坑较近的建筑物衰减速度越快，越远衰减速度越慢。

图12 建筑物沉降变化与地连墙水平位移变化

(3) 邻近建筑物侧的地铁车站基坑开挖会引起建筑物向基坑方向的明显位移，总体上建筑物位移沿基坑长边方向呈抛物线型。所以，在基坑施工过程中，建议在基坑的长边中部一定范围内增加支承刚度或者增大支撑的预加轴力，可以有效减小周边建筑物的位移。

(4)在常规情况下，基坑开挖对邻近建筑物的影响主要是在房屋基础以上的基坑内土方开挖，在保证上部支撑体系预加轴力满足要求的情况下，再向下开挖，围护结构会产生向外的挤压效应，在一定程度上对建构筑物沉降控制有利。在基坑开挖过程中要及时架设支撑，必要时对支撑轴力进行复加，能够在一定程度上减小地连墙位移。