深基坑周邊建（構）筑物沉降分析與控制技術

徐啟鵬，王玥

（中鐵隧道勘察設計研究院有限公司，廣州510000）

1 引言

城市地下空間開發(fā)和高層建筑的建設，產生了大量深基坑工程，其規(guī)模和深度不斷增加。城市中的深基坑工程一般都處在密集的建筑群中，施工場地狹窄，有些工程的基礎緊鄰已有建筑物或構筑物的基礎。這種環(huán)境中的深基坑工程，如果應用現有基坑工程的設計理論(強度控制設計)和常規(guī)施工技術已經難以滿足保護基坑周圍環(huán)境的要求。近年來，雖然許多學者和工程技術人員已經在基坑工程設計的變形控制方面做了很多研究，但在尋找基坑開挖過程中有關基坑支護結構變形、周圍地層位移和近臨建筑物變形三者之間關系的規(guī)律方面仍然存在很多要解決的問題。

利用數值模擬軟件，對基坑開挖及相關施工工藝進行模擬研究，可以很好地對基坑變形及周邊建（構）筑物沉降進行模擬，模擬對象涉及開挖空間效應[1]、支護結構數量和位置[2]、圍護結構參數[3]、滲流場引發(fā)沉降[4]等，但對于注漿加固土體前后進行模擬的研究較少，其加固工藝、加固范圍等參數均對控制基坑周邊建筑沉降有較大影響，利用數值模擬計算進行前后對比分析，對指導基坑工程安全施工有積極的指導意義。

2 工程背景

2.1 工程概況

金湖廣場站位于金湖路與民族大道交叉路口北側，沿金湖路呈南北走向敷設，該站為南寧市軌道交通3 號線工程（科園大道—平樂大道）第14 座車站，為1 號、3 號線通道換乘車站。

本站為地下4 層雙柱3 跨結構，采用島式站臺。車站主體結構外包總長150.0m（不含圍護結構），標準段寬25.1m（不含圍護結構），結構高度為26.92m。車站頂板覆土約3.5m?；娱_挖深度為30.65～32m。本站主體基坑采用明挖順作法施工，采用1200mm 地連墻+內支撐的支護體系。

金湖廣場站周邊建構筑物距離車站基坑較近，且多為高層建筑。東側主要建筑物有現代國際（28 層）、工行金碧苑小區(qū)（22 層）、東方曼哈頓（26 層）；西側為金湖北廣場地下商場（地下2 層，周邊環(huán)境如圖1 所示。

圖1 工程周邊環(huán)境平面圖

2.2 水文地質條件

車站位置屬邕江堆積、河谷階地區(qū)，地形地貌簡單，自然地面平坦。本場地巖土層基本情況如圖2 所示。

圖2 典型地質剖面示意圖

2.2.1 第四系地層

1）人工堆積：主要為第四系全新統(tǒng)人工堆積的①1 圓礫填土、①2 素填土。

2）沖積層：主要為第四系晚更新統(tǒng)望高組沖積的②3-2 粉質填土、③1 粉土、④1-1 粉砂、④2-2 中砂、⑤1-1 圓礫。

2.2.2 古近系地層

根據鉆探揭露，本場區(qū)下伏基巖主要主要為古近系泥巖、泥質粉砂巖（E）。根據其巖性的不同，分為⑦1 層泥巖、⑦2 層泥質粉砂巖和⑦4 層炭質泥巖（泥煤、泥巖）。

擬建場地附近無地表水分布。根據地下水的含水介質、賦存條件、水理性質和水力特征，勘探揭露范圍內場地地下水類型主要是上層滯水、第四紀松散巖類孔隙承壓水和碎屑巖類孔隙裂隙水[5]。

3 三維有限元數值分析

3.1 三維有限元模型的建立

結合基坑的開挖深度、周邊建（構）筑物的布置，選取計算模型尺寸為550m×450m×69m。模型節(jié)點數為250217，六面體實體單元數為232996，板（One Layer Shell）單元數為16579，梁（Beam）單元數為5877，滲透（Seepage）面單元數為18288。

模型的邊界條件為：頂部自由，四周及底部限制法向位移，底邊限制3 個方向的位移。四周為透水邊界，底部為不透水邊界。

基坑整體的支護結構由地下連續(xù)墻、對撐梁、腰梁、斜撐梁、立柱及立柱樁組成，基坑支護體系結構與周邊建筑物關系如圖3 所示[6～8]。

圖3 支護結構與地鐵隧道之間的位置關系

3.2 分層開挖施工計算分析

直接采取逐層開挖的方法進行施工，利用數值模擬進行計算。圖4 為基坑開挖過程中圍護結構和周邊建筑物的整體變形云圖。最大沉降發(fā)生在現代國際臨基坑側，地墻最大變形為35.1mm。金湖廣場側地墻變形較小，約為25.8mm. 端頭井因為空間效應，地墻的變形較標準段小，約為26mm?；幼冃闻c開挖深度的比值約為0.12%，即基坑開挖引起的地墻變形約為開挖深度的0.12%倍。綜合來看，圍護結構變形較小。

圖4 圍護結構及現代國際、工行金碧苑小區(qū)地下室整體變形云圖（單位：m）

圖5 為建筑物關鍵節(jié)點編號。對數值計算的相應節(jié)點沉降隨施工過程發(fā)展進行數據提取，結果如圖6 所示。工行金碧苑在基坑開挖過程中的傾斜增量為0.00028，現代國際在基坑開挖過程中的傾斜增量為0.00027。

圖5 建筑物關鍵節(jié)點示意圖

圖6 關鍵節(jié)點沉降隨施工過程發(fā)展折線圖

3.3 土體注漿加固計算分析

為防止成槽時的塌孔，采用袖閥管對地墻周邊土體進行加固。數值分析中，對地墻與建筑物之間的土體采用參數提高的方法模擬加固效果。

圖7 為基坑開挖過程中圍護結構和周邊建筑物的整體變形云圖。加固后最大沉降發(fā)生在工行金碧苑小區(qū)臨基坑側，地墻最大變形為30.4mm，金湖廣場側地墻變形較小，約為22.3mm. 端頭井因為空間效應，地墻的變形較標準段小，約為25.3mm?；幼冃闻c開挖深度的比值約為0.10%。綜合來看，圍護結構變形較小。

相對于未加固及未分段開挖工況，地墻最大變形減小13.4%。

圖7 圍護結構及現代國際、工行金碧苑小區(qū)地下室整體變形云圖（單位：m）

對數值計算的相應節(jié)點沉降隨施工過程發(fā)展進行數據提取，結果如圖8 所示。工行金碧苑在基坑開挖過程中的傾斜增量為0.00023?，F代國際在基坑開挖過程中的傾斜增量為0.00019?；娱_挖施工引起的沉降增量平均值約為10.1mm，沉降增量占沉降允許值約5.05%；傾斜增量約占傾斜允許量的9.2%，增量相對較小。與不考慮加固及分段施工的情況相比，工行金碧苑最大沉降量減小7.96%；現代國際最大沉降量減小22.18%。加固后，建筑物的沉降控制較不進行加固有一定的改善。

圖8 關鍵節(jié)點沉降隨施工過程發(fā)展折線圖

3.4 分層分段開挖+土體加固的計算分析

為更好地控制對周邊環(huán)境的擾動，采用分層分段開挖并施工支撐的施工方式，同時考慮土體注漿加固后，注漿區(qū)域參數的改善，并進行數值模擬計算。

圖9 為基坑開挖過程中圍護結構和周邊建筑物的整體變形云圖?？梢娮畲蟪两蛋l(fā)生在現代國際臨基坑側，最大沉降變形為11.98mm。地墻的整體變形云圖顯示，地墻最大變形為24.5mm，基坑變形與開挖深度的比值約為0.08%，即基坑開挖引起的地墻變形約為開挖深度的0.08%倍。綜合來看，圍護結構變形較小。

圖9 圍護結構及現代國際、工行金碧苑小區(qū)地下室整體變形云圖（單位：m）

相對于未加固及未分段開挖工況，地墻最大變形減?。?5.1-24.5）/35.1×100=30.2%。

對數值計算的相應節(jié)點沉降隨施工過程發(fā)展進行數據提取，結果如圖10 所示。工行金碧苑在基坑開挖過程中的傾斜增量為0.00012，現代國際在基坑開挖過程中的傾斜增量為0.0008。

與不考慮加固及不考慮分段施工的情況相比，工行金碧苑最大沉降量減小53.98%；現代國際最大沉降量減小66.26%?？梢姡庸毯头侄问┕ず?，建筑物的沉降得到了很好的控制。

實測結果顯示，三維數值模擬較好地對施工全過程進行了模擬，進一步說明了數值模擬分析是制訂施工方案并進行優(yōu)化評價的重要輔助手段。

4 周邊建筑物保護技術及其應用

4.1 精細化施工

圖10 關鍵節(jié)點沉降隨施工過程發(fā)展折線圖

本車站基坑周邊環(huán)境復雜，建筑物較多，對基坑變形控制要求嚴格?；娱_挖過程中需嚴格按照相關規(guī)程進行施工，控制基坑位移，確保施工安全，將對周邊環(huán)境的影響降至最低?；娱_挖遵循“時空效應”理論，根據圍護結構及主體結構施工需要，基坑土方開挖總體堅持水平分層、縱向分段的原則進行施工。水平分層是為了便于機械在基坑內修筑臨時便道作業(yè)，便于混凝土支撐施工；縱向分段是為了保證主體結構盡快進行施工，使土方開挖與主體施工形成依托[9，10]。

4.2 注漿加固基坑周邊土體

采用袖閥管加固基坑與建筑物間土體，將基坑與建筑物間土體加固成一整體，增加土體自穩(wěn)性，以減小地連墻成槽和基坑開挖過程中建筑物沉降和變形，其中地連墻內側1 排，外側3 排；加固范圍為地面以下4.0m 至袖閥管底。注漿袖閥管采用φ48mm PVC 管，排距1.0m，縱向間距1.0m，梅花形布置，袖閥管打設深度為進入泥巖不小于1m；漿液采用復合型漿液。視閥管注漿布置圖如11 所示。

4.3 加固建筑物基礎持力層

圖11 袖閥管注漿布置圖

采用鋼花管加固建筑物基礎持力層，提高靜壓樁的摩擦力和支承力，提高建筑物基礎土體的自穩(wěn)性，以減小基坑開挖過程中建筑物沉降和變形，鋼花管水平間距1.0m，鋼花管距建筑物地下室結構邊線距離按不小于2.0m 進行控制，所有鋼花管一次預埋到位，先期按隔一注一的加固方式進行預注漿加固。剩余未注鋼花管根據建筑物沉降、變形情況進行跟蹤注漿。鋼花管加因布置平剖面圖如圖12 所示。

圖12 鋼花管加固布置圖

5 結語

1）對金湖廣場站基坑施工對周邊環(huán)境的影響進行了三維數值分析，基坑工程的施工對既有現代國際和工行金碧苑小區(qū)的影響計算結果匯總如下：（1）在基坑采用分層開挖，分層支護，未采取地墻及建筑物間土體加固以及未分區(qū)分段施工的情況下，基坑的開挖施工導致的地墻變形以及周邊沉降均基本可控；（2）在采取了地墻及建筑物間土體加固以及分段施工的情況下，地墻變形得到了很好地控制，滿足關于一級基坑地控制要求，同時，也較大地減小了既有建筑的沉降和傾斜增量，有助于降低施工過程中的風險；（3）采用沿地墻外側的坑外加固，對控制坑外土體變形以及減少建筑物沉降有一定效果，但程度有限。

因此，按本工程的基坑支護設計及施工方案進行基坑開挖支護施工對周邊既有建筑的影響較小，可有效確保施工過程中建筑物的安全。

2）基于地墻施工過程中的現場實測結果，以及數值分析結果，項目參與各方經過深入討論，確定采取相應的周邊建筑物保護措施，主要包括：（1）基坑開挖遵循“時空效應”理論，根據圍護結構及主體結構施工需要，基坑土方開挖總體堅持：水平分層、縱向分段的原則進行施工；（2）采用袖閥管加固基坑與建筑物間土體，將基坑與建筑物間土體加固成一整體，增加土體自穩(wěn)性，以減小地連墻成槽和基坑開挖過程中建筑物沉降和變形；（3）采用鋼花管加固建筑物基礎持力層，提高靜壓樁的摩擦力和支承力，提高建筑物基礎土體的自穩(wěn)性，以減小基坑開挖過程中建筑物沉降和變形。

通過以上措施的采取，確保了基坑開挖施工的順利進行。