深基坑施工對(duì)緊鄰既有建筑的變形影響和控制研究

曹 琛

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

近年來(lái)，中心城區(qū)地下空間開發(fā)常常會(huì)遇到緊鄰既有商業(yè)建筑、歷史保護(hù)建筑、地鐵和市政管線的情況，基坑設(shè)計(jì)和施工需要關(guān)注強(qiáng)度和變形控制兩方面，更加嚴(yán)格地控制基坑變形和周邊環(huán)境影響[1-2]。因此，合理評(píng)估深基坑施工對(duì)周邊既有建筑結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)于安全開發(fā)城市地下空間是非常重要的[3]。

丁勇春等[4]研究了上海軌交10號(hào)線南京東路車站深基坑施工過程中鄰近歷史建筑的變形控制技術(shù)，探討了隔斷樁設(shè)置對(duì)土體側(cè)向變形的影響。魏道江[5]基于結(jié)構(gòu)可靠性理論提出了一種基坑支護(hù)優(yōu)化方法，較好地應(yīng)用于長(zhǎng)沙地鐵3號(hào)線車站深基坑對(duì)鄰近既有建筑的保護(hù)。李偉強(qiáng)[6]在上海某醫(yī)院改擴(kuò)建工程中優(yōu)化了深基坑支護(hù)方案，施工全過程較好地保護(hù)了鄰近歷史保護(hù)建筑和院內(nèi)原有建筑。

本文以上海軌交13號(hào)線某車站深基坑工程為例，利用數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，探討施工控制措施對(duì)一幢緊鄰的商業(yè)酒店的變形影響，為相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況

上海軌交13號(hào)線某車站基坑分為南端頭井、南段、中間段、北段以北端頭井，設(shè)計(jì)深度24～26 m，某商業(yè)酒店鄰近基坑圍護(hù)3～4 m（圖1）。本深基坑共設(shè)5道鋼筋混凝土支撐：第2道為800 mm×1 000 mm；其余均為1 000 mm×1 000 mm。靠近該商業(yè)酒店設(shè)置厚1 000 mm、深53 m的地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻接縫采用雙高壓旋噴樁止水，深度17～34 m。車站基坑采用寬3～8 m的裙邊加固和寬3 m的抽條加固，加固范圍為坑底以下3 m及第4道混凝土支撐以下2 m。

圖1 車站深基坑和緊鄰建筑平面示意

該商業(yè)酒店為4層建筑，總高約17 m，東西長(zhǎng)約79 m，南北寬約17 m，東西向中間分為2個(gè)分區(qū)，底層高4.50 m，2、3層高4.00 m，西區(qū)4層高4.65 m，東區(qū)4層高4.00 m。東、西兩區(qū)均為混凝土框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)布局基本規(guī)則，柱距一般為5～8 m，柱截面為450 mm×500 mm，混凝土強(qiáng)度C20，中部結(jié)構(gòu)縫寬約100 mm。兩分區(qū)基礎(chǔ)相互連接，為整體式梁筏基礎(chǔ)，筏板厚度300 mm，地基埋深約2.0 m，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度C20，設(shè)計(jì)時(shí)地基承載力不足，采用深層水泥攪拌樁進(jìn)行地基加固。經(jīng)過先期周邊基坑的開挖，房屋當(dāng)前總體上傾斜變形不大，損傷主要是填充墻體的開裂和吊頂裝修與填充墻接觸部分的脫開，混凝土主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件未發(fā)現(xiàn)明顯的裂縫損傷。房屋當(dāng)前總體上基本完好，但抗震縫周圍局部構(gòu)件損壞嚴(yán)重，當(dāng)前裂縫損傷尚不影響主體結(jié)構(gòu)的安全性。因此，基于目前房屋的情況，深基坑施工時(shí)須對(duì)該房屋采取保護(hù)性措施。

2 深基坑施工關(guān)鍵控制技術(shù)

2.1 增設(shè)臨時(shí)鋼支撐

為減少混凝土支撐養(yǎng)護(hù)期間的基坑變形，在第3～5層土方開挖過程中增設(shè)φ609 mm臨時(shí)鋼管支撐（圖2），預(yù)加軸力為1 500 kN/根。臨時(shí)鋼支撐中心標(biāo)高位于每道混凝土支撐底部以上2 m，每幅地下連續(xù)墻設(shè)置2根鋼支撐。臨時(shí)鋼支撐在每道混凝土支撐形成前使用，混凝土支撐澆筑完成并養(yǎng)護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%，即24 MPa后，該道臨時(shí)鋼支撐可拆除，并流轉(zhuǎn)下層土開挖使用。為測(cè)試早期強(qiáng)度，每根支撐澆筑完成后，須多做2組混凝土試塊。

圖2 臨時(shí)鋼支撐布置

2.2 加大混凝土支撐剛度

原設(shè)計(jì)的支撐間跨度達(dá)12 m，通過采用3種措施適當(dāng)提高混凝土支撐剛度，以控制基坑變形：正對(duì)既有商業(yè)酒店處增加2根混凝土直撐；混凝土支撐端部八字撐改為大板撐；混凝土強(qiáng)度等級(jí)由C30提高至C40。

2.3 優(yōu)化基坑施工流程

總體挖土順序由北到南，分層開挖，每層先開挖標(biāo)準(zhǔn)段北段，后開挖標(biāo)準(zhǔn)段中間段。

標(biāo)準(zhǔn)段北段場(chǎng)地條件較好，可兩邊出土，安排2個(gè)工作面。基坑寬34.8 m，按支撐布置情況分7塊挖土，單塊寬約8.5 m，由東向西分塊挖土。第3層土深4.5 m，單塊土體量約1 330 m3。按挖土能力，24 h挖土約1 400 m3，單塊土體應(yīng)在24 h內(nèi)完成挖土。單根混凝土支撐施工時(shí)間約12 h。挖土與混凝土支撐施工不沖突，則標(biāo)準(zhǔn)段北段第3層土開挖可在8 d內(nèi)完成。標(biāo)準(zhǔn)段中間段設(shè)置棧橋，為單邊出土，標(biāo)準(zhǔn)段中間段基坑寬34.8 m，按支撐布置情況分5塊挖土，單塊寬約12 m，由東向西分塊挖土。第3層土深4.5 m，單塊土體量約1 900 m3。按挖土能力，24 h挖土約1 400 m3，單塊土體應(yīng)在36 h內(nèi)完成挖土。每塊設(shè)4根鋼支撐，需8 h完成安裝。單根混凝土支撐施工時(shí)間約12 h。挖土與鋼支撐、混凝土支撐施工相沖突，則標(biāo)準(zhǔn)段中間段第3層土開挖可在12 d內(nèi)完成。

2.4 水平注漿

對(duì)緊鄰建筑東側(cè)下部土層進(jìn)行水平注漿：

1）在基坑內(nèi)，第2道混凝土支撐以上500～1 000 mm處（梅花形布置）打設(shè)注漿孔至坑外，注入水泥漿，為加快凝結(jié)速度，摻入水玻璃（水泥漿水灰比0.5，水玻璃質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%），注漿位置為坑外1 m處；孔距2 m，范圍至鄰近建筑南北兩邊各6 m，數(shù)量約為16孔。

2）第3道混凝土支撐以上注漿位置：坑外2 m處，孔數(shù)及孔距與第2道混凝土支撐相同。

3）第4道混凝土支撐以上注漿位置：坑外3 m處，孔數(shù)及孔距與第2道混凝土支撐相同。

16孔全部打完后，需要進(jìn)行注漿時(shí)打開閥門，插入注漿管進(jìn)行注漿。在混凝土支撐完成7 d后開始注漿，計(jì)算近期沉降引起的土體缺失量，按1.5倍計(jì)算漿液用量，逐孔注入漿液。采用2套設(shè)備注漿，注漿壓力0.3～0.5 MPa，以注漿壓力上升至1.0 MPa或計(jì)算漿量用完后停止注漿。觀測(cè)沉降值，近期沉降超過2 mm時(shí)再次注漿。

4）實(shí)施信息化施工，若該建筑單次上抬超過2 mm時(shí)停止注漿。

3 數(shù)值模擬與分析

運(yùn)用有限元軟件建立在建工程和鄰近建筑的有限元模型。基坑在開挖前場(chǎng)地存在初始應(yīng)力場(chǎng)，按土體自重應(yīng)力場(chǎng)來(lái)模擬場(chǎng)地存在的初始應(yīng)力場(chǎng)。關(guān)于鄰近建筑物超載對(duì)初始應(yīng)力狀態(tài)的影響，運(yùn)用生死單元法[7]，在基坑開挖前激活鄰近建筑物模型和荷載，考慮其對(duì)初始應(yīng)力場(chǎng)的影響。基坑開挖過程運(yùn)用生死單元法模擬，通過分步激活支撐和殺死土體單元，模擬各道支撐架設(shè)和土體開挖的全過程。

基坑開挖至基底時(shí)最大變形為88.4 mm，在靠近鄰近建筑物側(cè)，符合設(shè)計(jì)要求，合理調(diào)整基坑施工流程和基坑支護(hù)形式能夠較好地控制基坑變形。算例考慮3種工況：未水平注漿僅考慮優(yōu)化施工流程和支護(hù)形式，水平注漿提高土體強(qiáng)度50%和100%。以有限元分析得知，開挖至基坑底部時(shí)，鄰近建筑豎直位移沉降為86.4 mm，水平位移向坑內(nèi)方向變形17.5 mm；采取注漿措施加固后，分別提高土體剛度50%和100%后，其最大沉降分別在79.9 mm和77.5 mm，側(cè)移為17.2 mm和17.0 mm。地基注漿加固漿液注入率為20%，最大沉降基本可以控制在80.00 mm之內(nèi)。監(jiān)測(cè)結(jié)果中，施工至底板，鄰近建筑沉降為67.75 mm，小于預(yù)測(cè)值。因此，通過注漿加固增大土體剛度，結(jié)合提高支撐剛度等措施，可有效地緩解地基沉降變化速率過快的問題。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以鄰近既有建筑的地鐵車站深基坑工程為例，提出了控制既有建筑變形的措施，運(yùn)用數(shù)值模擬手段，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)論證了保護(hù)措施的有效性，主要有以下結(jié)論：

1）綜合采用增加混凝土支撐剛度、增加鋼支撐、優(yōu)化開挖流程等方案，能較好地控制基坑和鄰近建筑的變形。

2）運(yùn)用水平注漿提高土體強(qiáng)度超過50%時(shí)，數(shù)值預(yù)測(cè)能夠控制鄰近建筑沉降在80.00 mm以內(nèi)。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，底板施工完成后最大沉降值為67.75 mm，小于預(yù)測(cè)值，水平注漿能夠有效控制鄰近建筑沉降。