软弱地层狭长深基坑开挖对邻近建筑变形稳定性分析——以成都30号线玉石站为例

陈富翔, 谢志恒

(1.中交第二航务工程局有限公司, 武汉 430040;2.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心, 武汉 430040;3.中交城市投资控股有限公司, 广州 510000)

随着我国经济的不断向前发展,大中型城市建设规模不断扩大,伴随而来的城市人口密度的不断增加进而对地面交通产生一定的压力。地铁作为城市中重要的交通工具之一,在缓解地面交通压力中扮演重要的角色,通常地铁车站修建在方便人员出行及人口密度较大的居民区、学校及商场周边,随着车站数量增多与之伴随而来深基坑工程越来越多,尤其是在建筑物周边进行深基坑工程建设极易引起对周边建筑产生一定影响。建筑物一旦发生不均匀沉降,容易造成结构产生裂缝,进而影响结构正常使用,严重时会造成建筑物坍塌,产生较大的经济损失和不良影响。针对此类问题相关学者开展类似研究,侯胜男等[1]针对上海某历史建筑物邻近深基坑工程,采用新型组合桩对老建筑物基础进行托换加固,有效地减少基坑开挖对周边建筑的影响;徐中华等[2]分析全逆做法深基坑施工对周边建筑物的影响,通过全过程现场监测分析得出,基坑开挖前期所施工的围护结构、工法桩及降水作业对周边建筑物影响较大,后期采用逆作法施工对周边建筑影响较小;应宏伟等[3]通过研究隔断墙作为主动保护邻近建筑物的方式得出隔断墙可有效降低坑外地表的最大沉降量,同时降低地表沉降槽的面积,最终减小对周边建筑物的影响。然而上述学者针对车站深基坑全过程施工对自身结构及邻近建筑物的稳定性分析较少。

本文依托成都30号线玉石站邻近建筑物的狭长深基坑工程,对施工过程中自身结构及建筑物稳定性进行研究,分析总结结构变形控制标准、基坑自身结构、周边地表及建筑物的沉降规律和施工预处置措施,其结论可为类似工程提供借鉴和参考。

1 工程概况

1.1 车站概况

成都30号线玉石站结构形式为地下两层框架结构,车站总长为280.2 m,标准段总宽为21.1 m,站台有效长为118 m,车站顶板覆土厚度约为4.98 m,基坑开挖深度约为22 m,采用明挖顺作法施工。基坑周边建筑主要以居民小区和学校为主,其中受基坑开挖影响大的建筑物为北侧洪景丽苑小区,基础形式为柱下独立基础,距基坑周边距离为2.4 m。其余建筑物距基坑周边位置适中。本文着重对北侧建筑物进行模拟分析,具体该建筑物与基坑的位置关系如图1所示。

图1 基坑与周边建筑物位置关系

1.2 工程地质情况

依据工程地勘资料可知,场地开挖深度范围内自上至下土层分别由第四系全新统人工填筑土层(Q4ml)、黏土、黏土夹卵石及泥岩组成。其中地下水位埋深为3.5～6.6 m。场地内自上至下各个地层的物理力学指标如表1所示。

表1 车站主要地层物理力学指标参数

2 设计方案及建筑物变形控制标准

由于车站场地选址位于建筑物密集区,周边建筑物与基坑距离较近,且建筑物均为居民住宅楼对沉降变形要求极高。为此通过对建筑物自身结构及基础型式结合计算分析[4-9]和施工经验提出针对性的建筑物沉降和倾斜控制标准。考虑到洪景丽苑小区距基坑北侧最小净距为2.4 m。因此建筑物变形控制标准需进一步提高。最终将该工程变形控制标准定为一级,基坑最大沉降量≤0.15%H(H为基坑开挖深度),即为小于33 mm,现场定为最大沉降量控制在20 mm内;基坑最大水平位移量≤0.2%H,即为小于44 mm,现场定为最大水平位移量控制在30 mm[10-13]。

3 基坑全过程开挖自身结构变形及对建筑物影响的计算与分析

为减少在基坑施工过程中所出现的土体产生过大变形且不可控制,同时为准确分析基坑在开挖过程中出现何种问题以便预先采取相应措施,减少工程险情,降低施工风险,避免工程成本增加,故采用有限元数值分析软件对基坑开挖进行预分析[14-16]。考虑到基坑长宽比很大,同时受影响较大的房屋为单体建筑,为重点研究基坑开挖对房屋建筑的影响,同时减少程序运行时间,故设置基坑计算长度设定为60 m,宽度仍为21.1 m。基坑围护结构采用直径为1.2 m灌注桩,桩长为24.5 m。不考虑地下水对施工的影响,同时为便于建模将灌注桩等刚度代换为地连墙的厚度,折减后为1 m。为消除边界条件对计算结果的影响,最终定为模型的尺寸为既定基坑尺寸的3～5倍,即模型边界条件长、宽、高分别为150 m×60 m×50 m。

3.1 模型建立及参数的设定

利用有限元软件对基坑开挖过程中引起邻近建筑物的沉降变化影响进行分析计算,建模时将土层设定为摩尔-库伦本构模型,其他结构设定为弹性模型。同时对模型的边界条件进行设定:模型底部固定约束,顶部为自由面;左右两面进行X方向约束;前后两面进行Y方向约束。考虑到在分析过程中将采用预注浆对房屋基础采取加固措施[17-20],具体建立计算模型如图2所示。

图2 计算基坑模型

根据地勘资料及工程经验,在进行数值分析验证过程中采用的岩土力学参数及相应的加固措施物理力学参数如表2所示。

表2 车站所处土层及加固措施物理力学指标参数

3.2 基坑开挖分析工况设定

基坑进行土方开挖时易对周边土体产生一定的扰动进而造成对周边建筑物基础产生一定影响,当影响程度较低时,周边建筑物的沉降在允许范围之内,一旦影响程度较大则周边建筑物的沉降超过允许值则会出现一定险情。因此本次模拟分析主要考虑两种工况进行研究:①基坑开挖前不对建筑物基础进行注浆保护,利用围护结构自身的作用进行分析研究;②基坑开挖前对建筑物基础进行注浆加固,研究基坑开挖对其建筑物的沉降变形影响。

3.3 计算结果分析

基坑工程中周边建筑物出现下沉甚至开裂多数是由于基坑施工期间引起的,其主要的影响因素为围护结构施工、基坑内土体开挖以及后期围护结构刚度的减小和土体蠕变。考虑到该工程周边建筑物距基坑距离很近,主要采用地层预注浆形成隔断墙以保证基坑开挖期间周边建筑不至于产生过大的变形[21-23]。数值分析主要分析地层加固与否对围护结构及建筑物变形产生的影响。

3.3.1 未注浆加固时围护结构及建筑物变形分析

采用基坑开挖过程中利用围护结构自身作用分析对周边建筑物影响,分析过程中提取不同工况条件下沿着基坑深度方向围护结构侧向位移及垂直基坑方向基坑周边地表、建筑物的沉降变化。

(1)围护结构侧向位移。选取基坑北(近建筑物)、南(远离建筑物)两侧围护结构处的分析点研究基坑开挖阶段各个工况条件引起围护结构侧向位移变化情况如图3和图4所示。基坑两侧围护结构侧向位移值变化趋势较为一致,同时两侧地连墙在基坑开挖过程中所产生的位移变化均朝向基坑内侧,且北侧靠近建筑物处位移值的变化峰值大于南侧,这与北侧处建筑物荷载传递至围护结构进而作用在其上有很大的关系。同时,随着基坑开挖及内支撑的施作,地连墙侧向位移值逐渐增大且峰值下移。

图3 围护支撑结构单元

图4 基坑两侧围护结构侧向位移值

总体上基坑北侧邻近建筑物处侧向位移峰值相较南侧增量为37%,且北侧围护结构位移峰值超过此前预先制定的建筑物变形控制标准30 mm。因此需要对围护结构与建筑物之间采取一定的加固措施,以保证围护结构变形在控制范围之内。

(2)基坑周边地表变形。在研究过程中基坑围护结构产生变形最直接的影响就是造成周边地表产生一定位移。选取基坑北侧围护结构处的分析点研究基坑开挖阶段各个工况条件引起地表沉降的位移变化情况如图5所示,由图5可知,不同开挖深度条件下基坑周边地表沉降曲线变化趋势大致相同,且每次土体开挖结束后地表沉降峰值点逐渐远离基坑边,但是离散速率值逐渐减小,在基坑开挖见底后所影响的地表沉降最大值为22 mm,距基坑边约为12 m,约为基坑开挖深度的0.55倍。

图5 不同开挖深度下基坑周边地表沉降曲线

(3)基坑周边建筑物变形。分析基坑开挖对距基坑边距离约为2.4 m民用建筑的变形影响,选取建筑物一侧四处分析点研究基坑分次开挖下引起的建筑物沉降变化趋势如图6所示。由图6可知,随着基坑开挖深度增加,每处分析点的位移值均逐渐增加,但增加的趋势逐渐减缓,主要原因为随着基坑开挖深度的增加对周边土体扰动进一步加大,导致沉降分析点位移值逐渐增加,后期随着围护结构与土层之间亦有一定的摩擦作用限制土体的进一步位移,因此建筑物沉降增加趋势由大逐渐减小。四个分析点在同一开挖步作用下,位移值也逐渐增加,这与分析点距基坑边的垂直距离有一定的联系。从图6中也可以得出监测点4在基坑开挖见底后,建筑物底部的沉降值为19.97 mm,几乎接近建筑物沉降控制值,因此,在基坑开挖前期要预先进行基坑与建筑物间的加固措施是至关重要的。

图6 建筑物监测点不同开挖步作用下位移值

3.3.2 注浆加固时围护结构及建筑物变形分析

考虑到基坑与邻近建筑物之间间距过小,同时在施工过程中仅依靠围护结构自身作用将无法保证基坑开挖过程中临近基坑围护结构侧向位移、周边建筑物及地表的安全性。因此在开挖前期需要采取一定的预加固措施,为不影响周边居民正常居住,考虑现场实际情况及现有措施的可操作性,对基坑临近周边房屋进行袖阀管预注浆加固,袖阀管采用斜向打入建筑物基础底部,间距为1.5 m,呈梅花形布置形成隔断墙以保证基坑开挖期间周边建筑不至于产生过大的变形。加固后分析过程中提取不同工况条件下沿着基坑深度方向围护结构侧向位移及垂直基坑方向基坑周边地表、建筑物的沉降变化。

(1)加固后围护结构侧向位移。依据基坑开挖前期对建筑物地基采取预加固措施,分析基坑开挖过程中引起围护结构的侧向位移变化情况如图7所示。由图7可知,围护结构侧向位移变化趋势与未加固时的侧向位移变化曲线趋势大体一致,但整体位移变化峰值均较前期未加固时有一定的缩小;整体上每一步开挖后引起的侧向位移峰值较未加固时缩小了50%以上。由此可以得出基坑开挖前进行建筑物基础加固对减缓围护结构侧向位移有一定的作用。同时,为保证基坑过程中围护结构的安全性,建议及时补浆。

图7 加固后基坑两侧围护结构侧向位移值

(2)加固后基坑周边地表变形。建筑物基础加固后,研究基坑开挖对周边的地表变形分析曲线如图8所示。由图8可知,基坑开挖过程中随着距基坑边的距离增加,其地表沉降量逐渐增大且沉降速率逐渐增加,但当距基坑边达到一定距离后,地表沉降量逐渐减小。整体上地表沉降峰值为14.58 mm,相较基础未加固时地表沉降量减少33.7%。因此进一步分析表明基础前期预加固对基坑开挖过程中影响地表沉降有一定的减缓作用。

图8 加固后不同开挖深度下基坑周边地表沉降曲线

(3)加固后基坑周边建筑物变形。经过对建筑物基础底部进行预处理加固后,分析基坑开挖对建筑物变形的影响曲线如图9所示。由图9可知,随着基坑开挖每一处监测点的位移沉降值均在增加,其中监测点1所监测基础底部沉降值变化较小,这与基础加固的距离近有一定的关系。整体上建筑物基础经加固后,基坑开挖见底建筑物沉降的峰值近似为10 mm,相较未加固时建筑物沉降值缩小49%,降低效果显著。但后期为不影响建筑物的正常施工,施工期间需加强监测、及时注浆。

图9 加固后建筑物监测点不同开挖步作用下位移值沉降曲线

4 现场实测数据

为分析基坑开挖支护过程中对自身结构及邻近建筑物影响。在基坑开挖前期,对基坑围护结构内埋设位移监测点、周边地表埋设地面沉降监测点以及在建筑物外墙上部埋设建筑物沉降监测点对其进行位移监测,现场监测频率根据基坑开挖深度近似22 m,采用2次/d进行各项指标监控。

4.1 围护结构侧向位移现场监测结果

如图10所示,从现场监测基坑围护结构侧向位移变化值可以知,随着基坑每次开挖支护的进行,基坑围护结构产生的位移值逐渐增大且峰值下移,这与基坑开挖深度的增加对墙外侧土层扰动导致土层主动土压力增大有很大联系。同时由图10可知,基坑第四次开挖后近建筑物侧围护结构产生最大位移值为18.9 mm,这与数值分析得出的峰值25.9 mm有所降低,分析为注浆加固使土层的力学性质得到改善,进而降低了基坑开挖过程中被扰动情况,使得侧向位移峰值有所降低。同时由图7和图10的侧向位移变化曲线也可得出数值分析和现场监测位移变化趋势较一致,进一步验证数值分析的可靠性。

图10 现场监测近建筑物侧围护结构侧向位移值

4.2 基坑周边地表沉降监测结果

如图11所示,从现场监测基坑开挖引起地表沉降变化曲线可知,随着基坑每次开挖支护的进行,基坑周边地表沉降量随着距离基坑边的垂直距离先增加后逐渐减小,最后趋于稳定。其中最大沉降量为15.482 mm,距离基坑的垂直距离为基坑开挖深度的0.68倍,沉降峰值相较数值分析最大沉降量14.582 mm有所增加,但增幅不大,同时整个施工期地表沉降均未超出基坑沉降控制标准20 mm,因此基坑开挖期间周边地表沉降处于可控范围内。

图11 现场监测不同开挖深度下基坑周边地表沉降曲线

4.3 建筑物沉降监测结果

车站基坑开挖共历时半年时间,在建筑物底部共埋设四处沉降监测点,沉降监测数据如图12所示。从监测统计数据可以得出建筑物在基坑开挖前期由于地层注浆加固影响建筑物产生轻微抬升,随后随着土层固结及基坑开挖加深扰动土体造成建筑物逐步产生下沉,最大沉降值为13 mm,可能原因与地层注浆加固未及时进行补偿浆液有很大联系。后期进行类似临近基坑建筑物加固时,需要持续补充注浆以保证建筑物在基坑开挖期间变形稳定。

图12 现场监测基坑开挖期间引起建筑物沉降位移曲线

5 结论

(1)在邻近建筑物的基坑工程施工时,基坑开挖容易造成建筑物基础产生不均匀沉降,需要注重对邻近建筑物采取一定预处置止沉措施,同时也需要提高基坑施工变形控制标准。

(2)基坑开挖施工前期进行注浆加固相较未预注浆加固能够有效减小周边地表沉降及围护机构侧向位移峰值,同时能够有效抑制周边建筑物产生过大沉降。

(3)基坑开挖对周边地表影响最大的沉降值距基坑垂直距离近似为基坑开挖深度的0.5倍,本次研究的建筑物距基坑边的距离在此影响范围之内,其建筑物基础沉降受此影响较大,需要进行提前加固处理。

(4)对建筑物沉降进行全过程监测结果表明建筑物变形呈现出先上升后下降趋势,这与前期注浆抬升及后期未及时跟进注浆联系紧密。