高层建筑地下室施工对邻近建筑的影响监测

栾桂汉，张若弛，李 钊，徐晓攀，李 欣

（1.奥来国信（北京）检测技术有限责任公司，北京 100121；2.北京市建设工程质量第二检测所有限公司，北京 100045；3.济南市城乡规划编制研究中心，山东 济南 250099）

0 引言

近年来，随着我国社会经济的发展和科学技术的进步，城市面貌日新月异，高楼大厦如雨后春笋般地拔地而起，深基坑工程发展迅速。在国内如北京上海等特大型城市，建设土地日益稀缺，市区内建（构）筑物日益密集，高层建筑和超高层建筑日益增多，建（构）筑物间的净距日益缩小。因此，在工程设计和施工过程中，需要考虑新建（构）筑物的施工对邻近建（构）筑物的影响，保证周围建（构）筑物的安全和正常使用，深基坑工程对邻近建（构）筑物的影响尤为显著。

在深基坑工程的施工过程中，基坑监测是整个施工过程的重要环节，它对于保证整个基坑以及周边建（构）筑物的安全有重要的意义，目前国内施工企业对基坑监测都比较重视。但是，目前在进行深基坑施工过程时，很少有单位对周边建（构）筑物进行监测。在深基坑施工过程中经常发生邻近建（构）筑物发生开裂、变形等现象，甚至出现严重倾斜和坍塌，尤其是与邻近建（构）筑物距离较近或邻近建（构）筑物年代较为久远，抵抗变形能力较差时［1，2］。

本文通过在某一实际深基坑工程施工过程中对邻近框架结构的梁柱构件的表面应变以及框架填充墙体的裂缝宽度进行监测，总结归纳深基坑开挖对邻近建筑影响的一般性的规律，供相关工程人员参考。

1 工程概况

某科研楼主楼地上 13 层，地下 3 层，建筑高度 60 m，东侧裙房为地上 3 层，建筑高度 14.95 m，下设整体地下车库。车库地下 3 层；外围设 2 层纯地下车库，上覆土厚约 0.6 m。整个建筑的平面轮廓如图 1 所示。本工程主体结构采用现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构，在横向布置屈曲约束支撑（BRB），局部采用型钢混凝土框架结构，利用型钢混凝土梁进行受力转换。本工程采用梁板式筏形基础，采用结构自重平衡式抗浮，基础埋深约 15.55 m，开挖面积约 11 090 m2。

图1 某科研楼项目平面轮廓图

在该工程西侧距离基坑边缘 4 m 处为一混凝土框架结构办公楼。该办公楼地上 5 层，无地下室，平面沿东西方向大致呈矩形布置，建筑物长度为 66 m，宽度为29.4 m，首层层高 3 900 mm，2～4 层层高 3 600 mm，5 层层高 3 490 mm，结构形式为框架结构，建筑平面示意图如图 2 所示。该建筑填充墙体采用 200 mm 厚加气混凝土砌块砌筑，填充墙体和主体框架之间设置了拉结钢筋。本工程采用柱下独立基础，持力层为层轻亚黏土，基础埋深为 3.9 m。

图2 西侧办公楼平面轴网示意图（单位：mm）

根据本工程的岩土工程勘察报告可知，场地（48 m）深度范围内的地层划分为人工填土层、新近沉积层、一般第四纪沉积土层三大类，并按地层岩性和物理力学指标进一步划分为 8 个大层，按照自上而下的顺序分别为：①黏质粉土填土②黏质粉土、砂质粉土③粉质黏土④细砂、粉砂⑤卵石、圆砾⑥粉质黏土、重粉质黏土⑦卵石、圆砾⑧卵石、圆砾。在勘查范围内，实际测量到 2 层地下水，地下水类型为上层滞水及第四系地层中的孔隙潜水。其中上层滞水的埋深为 5.36～10.30 m，潜水的埋深为 18.22～18.40 m。

该科研楼的基坑开挖深度为 15.55 m，开挖面积约 11 090 m2，属超大深基坑工程，在基坑周边分布有办公楼、住宅楼、锅炉房以及部分未探明具体位置的管线等构筑物，因此，为了保证基坑自身的施工安全和周边构筑物的安全，本工程基坑采用“局部土钉墙+护坡桩+锚杆”的支护方式，共设置 3 个支护剖面，基坑侧壁等级为一级，重要性系数γ0=1.1。基坑西侧围护桩长为 19.8 m，嵌固深度为 4.75 m，桩径 0.8 m，桩间距为1.6 m，设置 4 道预应力锚杆，锚杆标高分别为-3.5、-7.0、-10.0、-13.0 m，锚杆直径均为 150 mm，总长分别为 25.0、23.0、21.0、19.0 m，锚杆锁定值分别为 540、540、530、475 kN。

在基坑施工过程中采取坑外降水坑内疏干的方式对地下水进行控制，并对基坑施工进行监测。

在该项目基坑施工过程中，发现基坑西侧办公楼部分填充墙体出现严重开裂，墙体裂缝均为斜向裂缝，开裂的墙体包括纵墙和横墙，开裂现状如图 3 所示。

图3 西侧办公楼填充墙体开裂现状

现场查看，墙体裂缝主要集中在办公楼东侧三跨范围内，向西逐渐减弱，8 轴以西各跨基本未出现墙体开裂现象，1～5 层各层的填充墙体均出现开裂现象。现场实测，填充墙体的裂缝宽度范围为 0.02～0.48 mm。

2 监测方法及设备

为了保证基坑西侧办公楼的安全，业主单位对该办公楼进行了结构监测。为达到对本项目实时监测，保证结构的时刻安全，同时方便监测人员及时有效地对监测数据及时进行了解、分析及处理，本项目的监测采集数据采用长距离无线传输模块进行实时的远距离传输，同时能够通过无线模块对采集模块的工作状态进行异地的实时监控。在远程控制端可以设置报警值，当现场测试值超过报警值时，远程控制服务器会进行报警。在本工程的监测过程中，由于填充墙体为非结构承重构件，参考委托单位和使用单位的要求并结合相关规程，填充墙体裂缝的报警值设置为 2 mm。混凝土应变的报警值参考 GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》（2016 年版）设置为 0.02。

根据本工程的实际情况，采用表面式振弦传感器测量裂缝的宽度和混凝土构件的表面应变［3］。表面式振弦传感器内置温度传感器，可以根据环境的不同自动对应变数据进行温度修正。

本次现场监测工作选用分布式全自动多点综合静态数据采集系统，该系统由上位机（计算机）、采集单元、系统软件等组成，系统采用分布式结构，每个采集单元可接入 8～64 个传感器，上机位与采集单元的数据传输采用无线网络传输的方式，传输不受距离限制。

在本工程的监测过程中，根据实际情况，分别在结构东侧靠近基坑的三跨范围内（8 轴至 11 轴范围内）开裂的填充墙体及其附近的框架梁柱表面安装裂缝传感器和应变传感器，其中裂缝传感器安装在裂缝宽度较大位置处，传感器的方向垂直裂缝的方向；应变传感器安装在混凝土构件的表面应变或应力变化较大的部位，主要是混凝土柱顶部平行于结构横向的表面和纵向混凝土梁靠近梁柱节点部位的顶部或底部［4］。

由于本次监测开始时基坑已经开挖完毕，并且开始进行地下工程施工，无法确认基坑开挖以前的原始状态，因此在监测过程中以开始监测的状态为初始状态。在仪器安装调试完毕以后，对所有裂缝安装传感器的位置附近的裂缝宽度进行测量记录，并对测量位置以及裂缝的两端位置进行标记。在停止监测时，对标记位置处的裂缝宽度进行测量。

监测开始以前对墙体裂缝进行普查，所有裂缝表面裂茬均无灰尘，符合新出现裂缝特征。

3 监测结果

本次监测的周期为 6 个月，每天采集 4 次数据，采集间隔为 6 h。为了便于比较和分析，对每天的监测数据选取 0∶00、6∶00、12∶00 和 18∶00 采集的数据。

在本文中选取在监测前后数据变化幅度较大的 9 个测点进行比较分析，包含 3 个裂缝宽度测点、3 个混凝土柱应变测点和 3 个混凝土梁应变测点。各测点的具体位置如表 1 所示。

表1 测点详细情况表

上述各测点在整个监测过程中的数据如图 4～12所示。

图4 4 层墙 1/10 轴×H 轴-G 轴裂缝宽度数据

图5 5 层墙 F 轴×1/10 轴-11 轴裂缝监测数据

图6 5 层墙 F 轴×9 轴-10 轴裂缝宽度数据

图7 1 层梁 H 轴×10 轴-1/10 轴表面应变数据

图8 4 层梁 H 轴×10 轴-1/10 轴表面应变监测数据

图9 5 层梁 F 轴×10 轴-11 轴表面应变数据

图10 2 层柱 11 轴×F 轴表面应变数据

图11 5 层柱 11 轴×F 轴表面应变数据

图12 4 层柱 10 轴×G 轴表面应变数据

在监测过程中，对填充墙体的裂缝发展进行观测，在整个监测过程中，未发现墙体裂缝向两端继续发展，裂缝长度基本保持稳定；未发现新出现的墙体裂缝。

4 监测数据分析

对上述监测数据进行分析比较，可以看出在基坑开挖完毕到主体结构封顶的过程中，监测区域范围内的填充墙体表面的裂缝宽度以及梁柱混凝土构件的表面应变均在持续变化，但是变化幅度较小，而且从整个监测数据时程可以发现，混凝土构件的表面应变的变化趋势大致是呈线形的，监测后期基本趋于稳定，整个监测过程中未发现构件表面应变出现较大的跳跃；填充墙体表面的裂缝的宽度数据存在波动，有明显的波峰和波谷，波动幅度较大，裂缝宽度的变化幅度不超过 4 mm。

监测过程中对混凝土构件外观现状进行检查，在整个监测过程中未发现混凝土构件表面出现开裂现象，这与检测结果基本一致。根据实测结果可知，混凝土梁表面应变量大致为 28～55με，对应的应力变化范围为 0.84～1.65 N/mm2；混凝土柱表面应变量大致为32～43 με，对应的应力变化范围为 0.96～1.29 N/mm2。

对整个时程进行查看，填充墙体表面的裂缝和混凝土构件的表面应变在邻近建筑的施工过程中不是同步变化的，而梁柱的表面应变基本是同步变化的。

对上述现象进行分析，主要原因是框架结构在施工过程中采用构造措施（如拉结钢筋等）将填充墙体与主体结构拉结在一起，但是二者之间并没有形成刚性连接，当填充墙体周边的主体结构发生变形时，必然会引起填充墙体的变形，因此填充墙体变形要滞后于主体结构。由于填充墙体是由砌块和砂浆砌筑而成，属于非匀质材料，同时砂浆的强度离散性较大，在实际工程中可以发现墙体裂缝有时与砌块灰缝重合，有时砌块发生受剪开裂。由于砌体材料均为脆性材料，当砌体所受剪力达到砌体的抗剪强度时，砌体就会开裂，应力发生重分配，墙体达到新的平衡状态。当外界产生的应力继续聚集时，裂缝两端未开裂的墙体会继续开裂，裂缝宽度增大，裂缝长度向外发展。

地基变形会导致基础出现不均匀沉降，从而引起上部结构出现变形和开裂，因此，在邻近基坑施工过程中，地基出现沉降时最先受到影响的是相关范围内的框架柱，框架结构是整体浇筑的，因此混凝土柱和梁表面应变基本是同步变化的。

此外，通过本次监测可以看出，在地下结构施工过程中对周边结构的影响还继续存在，周边结构的地基变形还在继续发展，只是随着施工的向上进展以及结构出地面以后对肥槽的回填，周边结构的地基变形发展趋于稳定。

5 结论

为了充分了解某一实际的深基坑工程在施工过程中对邻近建筑物的影响，保证邻近建筑物的安全使用，对该建筑进行了施工过程中的监测。根据现场监测结果并对监测数据进行分析，主要结论如下。

1）在基坑开挖完毕至主体结构施工封顶的过程中，深基坑周边建筑物的地基仍在继续发生变形，变形量很小并逐渐趋于稳定；

2）在监测过程中，混凝土构件表面应变大致呈线性变化，填充墙体表面裂缝的宽度变化波动较大，这是由于填充墙体的自身受力特点和自身材料特点决定的；

3）框架结构建筑物的地基发生变形时，框架柱和框架梁的变化基本是同步的。

为了充分了解和研究深基坑对周边建（构）筑物的影响，保证邻近建（构）筑物的安全使用，建议在基坑施工以前请有资质的检测机构对周边建筑进行宏观检查，重点检查记录构件表面的裂缝位置、形态、最大宽度以及两端端点位置，并留下影像资料；确定沉降观测点，做好沉降观测，并对建筑的垂直度进行观测记录，在基坑施工过程中对基坑及临近建筑进行全过程监测。Q