富水砂层邻近老旧建筑物基坑开挖变形研究

姜 皓 （中交隧道工程局有限公司，北京 100102）

1 引言

近年来，我国日益增长的经济促使交通飞速发展，地铁的大量修建大大满足了城市交通的畅通性，并且在一定程度上缓解了地上交通的压力[1]。其中，地铁车站的修建涉及深基坑的开挖与支护[2～3]。在临近老旧建筑物富水砂地层上修建地铁，首先要考虑到富水砂层土质[4～5]流动性大、稳定性及承载力差的特点，开挖极易产生地表塌陷沉降，其次要考虑到密集的建筑群会让基坑周围环境的复杂程度大大提升，施工作业区狭窄，土体开挖时很有可能对周围建筑物地基基础、管线及地下结构造成影响[6]。因此，富水砂层临近老旧建筑物地铁基坑施工难度较大，对施工工艺及技术要求较高。

截至目前，我国学者针对富水砂层条件下城市地铁深基坑开挖与支护施工进行了研究，并取得了一些成果。吴波、许杰[7]以福州地铁站盾构工程为例，采用正交试验的方法，运用Plaxis 3D建立富水砂层土体硬化模型，并对各刚度参数进行分析，确定土体硬化模型各刚度参数敏感性和显著性，研究结果较好地预测了地表沉降最大值，为富水砂层土体开挖及盾构施工提供理论基础。李艳春[8]以深圳地铁富水砂层基坑施工为例，对施工过程进行数值模拟，得出了地面沉降、围护结构变形等一系列变化规律，说明了围护结构顺逆作法能够很好控制地面沉降以及围护结构变形。冯翔[9]以某实际工程为例，针对富水砂层基坑围护结构选型进行了对比，并对基坑开挖对长江大堤的影响进行了有限元分析，得出了基坑开挖对其影响较小的结论。张向文[10]对邻近建筑物基坑开挖造成建筑物破坏案例进行分析，并依据各类破坏机理提出有效的管控指标。

以上学者针对富水砂层基坑开挖与支护及邻近建筑物基坑施工，均进行了大量研究，但对富水砂层基础上邻近老旧建筑物基坑开挖变形研究较少。本文以哈尔滨市靖宇五道街站工程为背景，对富水砂层邻近老旧建筑物基坑开挖围护结构施工方案进行了研究，并对基坑开挖变形进行分析，为今后类似工程提供借鉴。

2 工程概况

哈尔滨靖宇五道街站为地下岛式车站，基坑开挖深度为25.9m。车站位于哈尔滨市松花江南岸，沿靖宇街东西向布置，站两侧为密集建筑群和商业建筑，同时还有大量历史悠久的保护建筑，空间狭小，另外建筑物地下还设有复杂的地下管线。

3 狭小空间基坑主体结构关键部位施工

3.1 围护结构施工

由于车站所处位置属于富水砂层，且处于狭小空间的密集建筑群当中，基坑围护结构采用地下连续墙形式。因基坑位于富水砂层，水位较高，故采用水下C35防水混凝土灌注，抗渗等级为P8。并且为防止地连墙渗水导致周边大面积土体塌陷，进而对邻近建筑物造成破坏，在地连墙接缝处十字钢板内侧及接头钢筋笼角部预埋梁根注浆管。

为了提高围护结构施工阶段安全性，在建筑物附近围护结构内外侧施工高压旋喷桩槽壁加固，施工完成后在接缝位置，采用MJS工法桩止水加固。基坑围护结构如图1所示。

图1 基坑围护结构图

3.2 格构柱及立柱桩施工

基坑采用双排610×610格构柱和直径1200mm立柱桩作为支撑结构体系，格构柱所用角钢、钢板均采用Q345钢，标准段格构柱为26根，长度为24m，端头段格构柱为12根，长度为24.51m，外扩段格构柱为4根，长度为24m，格构柱插入立柱桩深度为3m。立柱桩水下混凝土等级为C35，立柱桩插入底板底面下深度为28m。基坑共有5道内撑，为控制基坑变形引起安全隐患，第一、三道内撑采用混凝土支撑，其余为钢支撑加换撑。

4 狭小空间基坑开挖变形分析

4.1 有限元模型建立

基坑处于富水砂层地质，土层物理力学参数如表1所示。

土层物理力学参数 表1

围护结构模型、基坑及周围建筑物整体模型如图2所示。

图2 整体结构模型

4.2 模拟工况设置

施工阶段模型分析运用累加方式，可将靖宇五道街站基坑开挖过程分为7个工况，如表2所示。

基坑开挖工况表 表2

4.3 结果分析

4.3.1 围护结构水平位移分析

水平位移指向坐标方向为正，反之为负。工况1～7围护结构的水平位移结果如图3所示。

图3 不同施工阶段围护结构水平位移云图

由图3可知，工况1、2基坑开挖无内撑，桩顶围护结构的水平位移为4mm。由于工况3～7基坑开挖深度不同，工况3～7围护结构在桩长为21m左右，到达最大水平位移为18.18mm。

图4 不同施工阶段土体竖向位移云图

4.3.2 土体竖向位移结果分析

基坑开挖过程中，会引起基坑底部土体的竖向位移，不同施工阶段土体竖向位移结果如图4所示。

由图4可知，工况1～7，基坑被动区卸土量不断增大，增大的卸土量导致基坑围护结构内外产生了竖向压差，再加上地面上荷载作用导致距离基坑边缘越远，土体沉降量越小，产生基坑底部中心隆起位移现象，并且开挖深度越大，地表竖向沉降量也越大，基坑底部中心隆起越大。距离坑边4m左右，基坑底部地层沉降量最大值为17.20mm。

5 结语

首先对靖宇五道街狭小空间基坑开挖主体结构关键部位施工中围护结构、基坑支撑结构以及基坑土方开挖施工方案进行研究，保证了基坑富水砂层条件下紧邻老旧建筑物基坑开挖施工的顺利进行。接着运用MIDAS GTS NX针对富水砂层地质条件以及基坑所处复杂的周围环境，建立了围护结构及基坑整体有限元模型，对围护结构水平位移和基坑底部土体沉降进行分析计算，得出以下结果。

①通过局部采取高压旋喷桩进行槽壁加固、MJS工法桩在地连墙接缝处止水加固及对建筑物基础下方进行注浆等方式，有效控制基坑周边地表沉降及建筑物变形，取得了良好的实施效果。

②工况7开挖围护结构的水平位移最大为18.18mm，满足围护结构自身变形要求。

③基坑底部中心土体产生隆起位移现象，竖向沉降量随着开挖深度不断变大，基坑底部地层沉降量最大值为17.20mm，满足土体变形要求。

经过对富水砂层狭小空间基坑主体结构关键部位施工方案进行研究，保证了施工安全有序进行。通过有限元分析计算，围护结构以及基坑底部土体沉降量满足施工与构造要求，为今后富水砂层邻近老旧建筑物基坑开挖工程提供了借鉴。