地鐵基坑開挖中建筑物差異沉降影響分析

王 萍

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

中國工程院院士王夢恕從“可持續(xù)發(fā)展”的高度，提出了“21世紀(jì)是隧道及地下空間大發(fā)展的年代”的觀點(diǎn)。同時(shí)面臨著地鐵建設(shè)附近有大量建筑物的問題，施工中如何解決和控制建筑物的沉降是一直以來的難題[1-5]。本文針對南京地鐵三號線常府街站工程的實(shí)際情況，依據(jù)現(xiàn)場沉降監(jiān)測結(jié)果和Plaxis 2D 軟件，分析地鐵站基坑開挖對鄰近建筑太平商場南、北樓的差異沉降的影響。

1工程概況

1.1車站概況

在建南京地鐵三號線常府街站位于常府街與太平南路路口的南側(cè)，車站沿太平南路設(shè)置，為地下兩層的島式車站。車站標(biāo)準(zhǔn)段線間距13.7 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬度19.65 m，底板厚度0.9 m，墊層及防水保護(hù)層厚度0.25 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深約17.28 m。車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐的支護(hù)形式，半蓋挖順作法施工，即開挖至基坑底之后順作車站底、中、頂板及側(cè)墻和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。根據(jù)基坑功能，結(jié)合地質(zhì)及周邊環(huán)境，依據(jù)江蘇省和南京地區(qū)建筑基坑支護(hù)的有關(guān)技術(shù)規(guī)范和規(guī)定，該基坑變形控制等級為一級。

1.2地質(zhì)條件

場地地貌單元屬秦淮河古河道區(qū)，地形起伏較小，場地普遍分布有較厚的填土(厚度2.8～7.0 m )，填土層之下分布有厚層的粉性土和砂性土，地下水埋藏淺，且水量豐富。對于深基坑工程而言，其工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件不良[6]。

表1 基坑土層的分布情況及物理力學(xué)參數(shù)

土層分布的主要特點(diǎn)：①層填土密實(shí)度、均勻性差，結(jié)構(gòu)松散，自穩(wěn)性差，透水性好，開挖易出現(xiàn)涌水、坍塌現(xiàn)象，②-1c3 層稍密粉土、②-3d3 層稍密(局部松散)粉砂、②-3b3-4+d3 層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉砂為主要含水層，滲透性良好，土體開挖時(shí)易擾動，強(qiáng)度降低，并在水頭差的作用下易產(chǎn)生流砂現(xiàn)象。

本車站基坑土層的分布情況及物理力學(xué)參數(shù)見表1。

1.3車站周邊環(huán)境條件

常府街站位于太平南路，常府街以南、小火瓦巷以北。太平南路、常府街交叉路口西北側(cè)為綠柳居，東北側(cè)為混1～混 2的臨街商鋪及舊民居，東南側(cè)為臨街商鋪及太平商場。西側(cè)為待開發(fā)地塊，正在拆遷中。小火瓦巷南側(cè)為商業(yè)及辦公用房(市日雜用品總公司)，東南角為2～3 層臨街商鋪及舊民居。

太平商場始建于1947年，1950年年初歇業(yè)。1982年太平商場正式復(fù)業(yè)，1984年全面擴(kuò)大開業(yè)。1996年9月太平商場新大樓即太平商場南大樓落成開業(yè)，總面積26 000 m2，上下共九層。2008年完成擴(kuò)建改造，南北樓實(shí)現(xiàn)全面貫通。北樓地面三層，距離車站主體側(cè)墻外邊7.1 m，基礎(chǔ)形式不詳。南樓，地下一層地面八層，鉆孔灌注樁，樁長約 35 m ，樁徑800 mm，持力層為粉砂質(zhì)泥巖，距離基坑外邊約6.5 m。

2建筑物沉降監(jiān)測方案

根據(jù)基坑周邊建筑物環(huán)境特點(diǎn)和《工程測量規(guī)范》(GB50026-2007)的建筑沉降觀測要求，沉降點(diǎn)位宜選在建筑的四角、沿外墻每10～20 m處或每隔2～3根柱基上及高低層建筑、新舊建筑、縱橫墻等交接處的兩側(cè)。具體布置如下：在基坑施工影響范圍內(nèi)的長短邊設(shè)置監(jiān)測斷面，測點(diǎn)水平間距15～20 m。共設(shè)置1～3排，與基坑邊距依次為2.5 m、5.5 m、10.5 m，范圍按設(shè)計(jì)要求執(zhí)行。北樓：6個(gè)點(diǎn)，JCJ19～JCJ24；南樓：8個(gè)點(diǎn)，JCJ11～JCJ18。

3 不同施工階段建筑物沉降分析

基坑自2013年1月6日開始施工，自南向北進(jìn)行開挖，由于工期需要，本基坑采用分號段施工，太平商場對面的基坑部分屬于中間號段，1月6日至3月10日最南端基坑開挖完畢，3月11日至4月21日土方開挖階段，4月22日至7月7日結(jié)構(gòu)施工階段。

自元月份基坑施工以來的太平商場沉降曲線如圖1所示，南樓、北樓沉降量差異較大，每棟建筑呈現(xiàn)出明顯不同的變化規(guī)律，累計(jì)沉降量-96.97～4.96 mm。整體而言，南樓沉降曲線變化相對較平緩，北樓開始下沉較大，變化量大，現(xiàn)已經(jīng)逐步趨于穩(wěn)定。

建筑物在基坑的施工過程中通常會產(chǎn)生較大沉降量，但是施工的不同階段對周邊的建筑會產(chǎn)生不同的沉降影響，下面就具體不同的施工階段對太平商場南樓、北樓分別進(jìn)行沉降數(shù)據(jù)分析。

3.1 最南段基坑開挖階段

一般來說，隔壁號段的基坑開挖對周圍建筑的沉降變形量與本號段基坑開挖所引起的變形量相比是較小的，不明顯的。

從這段時(shí)間沉降觀測數(shù)據(jù)來看，南樓沉降量變化較小，JCJ15達(dá)到最大的累計(jì)沉降值1.54 mm，土體隆起；最小的累計(jì)沉降值為JCJ14，-0.07 mm。JCJ16平均沉降速率為0.28 mm/d 為南樓測點(diǎn)中最大值，南樓在該階段所有測點(diǎn)的平均沉降速率為0.18 mm/d?？梢钥闯?，施工對南樓土體擾動較小。

北樓所有觀測點(diǎn)累計(jì)沉降值于3月6日均超過施工方案設(shè)定的累計(jì)沉降報(bào)警值20 mm。JCJ20達(dá)到最大的累計(jì)沉降值-33.52 mm；最小的累計(jì)沉降值為JCJ24的-20.98 mm。JCJ22平均沉降速率為0.665 mm/d 為北樓測點(diǎn)中最大值，北樓在該階段所有測點(diǎn)的平均沉降速率為0.434 mm/d 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于南樓。北樓建于上世紀(jì)八十年代，建筑地基基礎(chǔ)較淺，由于歷史原因，該區(qū)域填土層厚度較大，達(dá)到2.8～7.0 m，建筑基礎(chǔ)部分的土體多為素填土、粉土及粉砂，工程性質(zhì)不良，開挖易坍塌、流沙從而造成地上建筑地基明顯沉降。南樓為新建建筑，采用鉆孔灌注樁技術(shù)，樁長達(dá)到35 m，并且采用地下連續(xù)墻作為地下室圍護(hù)結(jié)構(gòu)，墻體剛度大，可承受很大的土壓力，有效的減少了地基沉降。由此可見，南、北樓的不同地基基礎(chǔ)，使得建筑物呈現(xiàn)不同的沉降速率，從而加劇了太平商場的差異沉降。

3.2土方開挖階段

太平商場鄰近號段的基坑土方于3月11日開挖，隨著基坑開挖深度逐漸增大，太平商場南樓、北樓的沉降量逐漸增大，靠近北樓與東側(cè)7層商住樓沉降縫的JCJ23、JCJ24變化尤其突出。

從太平商場到基坑邊緣之間的測斜點(diǎn)TS20的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總可以看出(見圖2),在基坑開挖之前，土體水平位移較小，自3月11日土體開挖后，水平位移逐漸增大，與之前未開挖時(shí)最大水平位移相差40 mm左右，這就間接解釋了為什么建筑沉降會變大。

土方開挖進(jìn)行到三月底，由于太平商場南樓、北樓兩個(gè)高、低層建筑發(fā)生過大差異沉降，導(dǎo)致靠近沉降縫的南樓七層觀光電梯玻璃外罩出現(xiàn)大面積水平裂縫，截止到4月6日，北樓JCJ23達(dá)到最大累計(jì)沉降值61.99 mm，平均累計(jì)沉降值52.84 mm。南樓最大累計(jì)沉降值為1.65 mm，地面微量隆起，平均累計(jì)沉降值0.812 mm。通過沉降觀測數(shù)據(jù)可以清楚的看到，兩個(gè)不同基礎(chǔ)的建筑物隨著開挖深度逐漸增加，差異沉降呈逐漸增大的趨勢。

3月11日至4月6日，北樓JCJ23、JCJ24在該階段平均沉降速率達(dá)到1.48 mm/d 、1.49 mm/d ，北樓在這28 d內(nèi)所有測點(diǎn)的平均沉降速率為0.897 mm/d 。通過數(shù)據(jù)分析，造成觀光電梯玻璃外罩損壞的主要原因是南樓沉降小而北樓沉降大。施工方鑒于施工安全和施工成本的考慮，提出了相應(yīng)的解決方案：加快施工進(jìn)度，提高開挖土方開挖速度，同時(shí)對北樓采取“止沉”措施，即重加軸力、加密鋼支撐，控制其絕對沉降量，縮小與南樓的差異沉降量。在采取措施之前，我們在計(jì)算機(jī)上應(yīng)用Plaxis 2D軟件模擬現(xiàn)場施工環(huán)境，驗(yàn)證增加鋼支撐數(shù)量對沉降減少的效果明顯與否。圖3為基坑開挖中架設(shè)三道鋼支撐的垂直位移變化情況，圖4為在相同條件下，在原來第二道支撐和第三道支撐增加一道支撐后的垂直位移變化情況，可以清晰的看出垂直位移量明顯減小，由47.88 mm變?yōu)?.34 mm，即證明該措施是可行的，可以應(yīng)用于實(shí)際施工。

該基坑所在的七號段、八號段的第三道鋼支撐ZL07-03、ZL08-03自4月7日起逐漸加大軸力，累計(jì)軸力值分別從3231.13 kN加壓至3842.25 kN ，2973.28 kN加壓至4032.21 kN ，同時(shí)八號段、九號段分別增加了一道鋼支撐。開挖結(jié)束，北樓沉降量已經(jīng)逐步趨于穩(wěn)定，南、北樓差異沉降已經(jīng)得到有效控制。

3.3墊層、結(jié)構(gòu)施工階段

2013年4月21日完成所有的土方開挖后進(jìn)入墊層、結(jié)構(gòu)施工階段，7月上旬完成結(jié)構(gòu)頂板施工，北樓至7月6日各階段沉降速率及累計(jì)沉降值見表2。

根據(jù)上表測量數(shù)據(jù)變化情況分析，北樓在該階段的沉降速率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于土方開挖階段，同時(shí)累計(jì)沉降值逐漸趨于穩(wěn)定。南樓所有測點(diǎn)一直保持±0～2 mm累計(jì)沉降值，變化較小。雖然南樓、北樓累計(jì)沉降值相距較大，但是隨著基坑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的逐漸加強(qiáng)，兩者差異沉降變大的趨勢已經(jīng)得到有效的控制。

4結(jié)論

1)在相同的基坑開挖的條件下，同一場地建設(shè)的高、低建筑，不同的基礎(chǔ)形式、基礎(chǔ)持力層是引起建筑差異沉降的主要原因。

2)當(dāng)建筑在基坑開挖中產(chǎn)生的差異沉降過大時(shí)，應(yīng)分析具體原因采取相應(yīng)加固措施，避免不必要的建筑設(shè)施損壞，同時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)分析、上報(bào)。

3)因基礎(chǔ)形式不同而引起的建筑差異沉降，重加軸力、加密鋼支撐是一個(gè)有效、節(jié)約的施工措施。

表2 北樓各階段沉降速率表

參考文獻(xiàn)：

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