近接建筑物深大基坑开挖变形规律及施工控制技术研究.pdf

·隧道／地下工程·收稿日期：２０１６０５０５基金项目：中铁十六局集团有限公司科技研究开发计划项目（Ｋ２０１２１１Ｃ）优先数字出版：本文已于２０１６－０５－１８在中国知网上优先数字出版，数字出版网址ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１１．３３６８．ＴＵ．２０１６０５１８．１４５９．００２．ｈｔｍｌ近接建筑物深大基坑开挖变形规律及施工控制技术研究岳涛涛（中铁十六局集团有限公司北京１０００１８）摘要城市建设和交通改造的步伐越来越快，很多明挖车站出现在人员及建筑物密集区，因此研究超近距建筑物的车站开挖问题显得尤为关键。依托无锡地铁２号线河埒口地铁站深基坑开挖工程，对开挖引起居民楼附近深层墙体、土体水平位移进行监测，同时开展基坑开挖过程的数值模拟，分析了位移变化规律。进一步在给定位移控制条件下，得出了通过采取注浆加固、合理细化施工工序、实时监测等有效施工控制技术措施，确保基坑变形能够满足要求。关键词深基坑既有建筑物变形监测加固中图分类号ＴＵ４３３；Ｕ２３１．３文献标识码Ａ文章编号１００９４５３９（２０１６）１０００４７０５ＳｔｕｄｙｏｎＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎＬａｗａｎｄＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＤｕｒｉｎｇＥｘｃａｖａｔｉｎｇｏｆＤｅｅｐＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＰｉｔＡｄｊａｃｅｎｔｔｏｔｈｅＥｘｉｓｔｉｎｇＢｕｉｌｄｉｎｇＹｕｅＴａｏｔａｏ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ１６ｔｈＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１８，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＡｓｔｈｅｐａｃｅｏｆｕｒｂａｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｓｇｒｏｗｉｎｇｆａｓｔｅｒａｎｄｆａｓｔｅｒ，ａｌｏｔｏｆｏｐｅｎｃｕｔｓｔａｔｉｏｎｓａｒｅｂｕｉｌｔｉｎ隧道／地下工程程／收ａｎｄｂｕｉｌｔｕｐａｒｅａ隧，×∥ °∥°“∥”“× “”“ד”×°“ד °”·°”“”“ ”“”“”“°“ “”” ＭｅｔｒｏＬｉｎｅ２，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｍｏｎｉｔｏｒｅｄｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ×°” ×“”“°°”ד°”“∥×”° °”×”“”，” ∥°× °“”×∥∥“ “”°”∥ °“ ”∥∥“ ”“”” “ ×°°×°” ∥”“ ”“”·ｖａｔｉｏｎ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｕｎｄｅｒｔｈｅｇｉｖｅｎｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，×“”° “”×∥ “”“”∥“°ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｍｅａｓｕｒｅｓｓｕｃｈａｓｇｒｏｕｔｉｎｇｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ，∥ד”°“”×∥ “”×! ””∥°·“”“∥”“ °××·“∥“”∥! ∥”×\"“∥×ｄｅｅｐｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｐｉｔ；ｅｘｉｓｔｉｎｇｂｕｉｌｄｉｎｇ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；地／稿程项工地：／１／程日１引言我国城市化建设不断推进，在有限的城市空间内，涌现出大量高层建筑、城市轨道、桥涵、港口以及地下管线等建筑（结构）物。在上述构筑物的建设过程中不可避免要开挖深大基坑工程，而新建基坑逐步向深、大方向发展，施工难度越来越高且不可避免受到既有建筑物影响。以无锡地铁２号线河埒口地铁站工程为背景，研究超近距既有建筑物深基坑开稿影响，并提出具体施工举措，确保既有建筑物稳定及基坑施工安全［１］。２工程概况２．１设计概况无锡地铁２号线河埒口车站位于无锡市滨湖区，结构外围尺寸为５０１．２ｍ（长）×２２．６ｍ（宽），７４铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（１０）万方数据·隧道／地下工程·采取钢筋混凝土箱形设计，地下设置两层，围护结构为厚８０ｃｍ的地下连续墙，水平支撑钢支撑，基坑等级为一级。本项目处于住宅楼密集区，受既有建筑物影响明显。因此，对新建地铁站施工和设计提出新的要求。图１居民楼与地连墙边距示意２．２既有建筑物现状新建地铁车站南侧紧邻既有居民楼，该楼已建成使用４０年，总共６层，为砖混结构，其为浅基础，基础埋深约２ｍ，且居民楼距本工程基坑边缘净距仅１．４ｍ，如图１所示。施工前对居民楼进行检测得知，该楼内楼板、屋顶及墙壁开裂严重，出现多处裂缝，最大墙体裂缝宽接近１２ｍｍ，最大裂缝长达５ｍ，最大楼板裂缝宽为１０ｍｍ，最大楼板裂缝长３ｍ。此外，墙体表面局部有水泥块及抹灰脱落现象。施工前勘察发现，现场动荷载对居民楼扰动较大，当有大型施工机械作业或重荷载车辆通行时，楼内震感强烈。３既有居民楼和土体水平位移现场试验本依托工程基坑属深大基坑，基坑深１８ｍ，距既有居民楼净距为１．４ｍ，超净距施工，风险等级高，为确保既有居民楼和在建基坑施工过程的安全，必须开展实时监测，掌握既有建筑物附近墙体和土体的变形情况。经过设计计算，并比较类似工程，结合变形检测结果，确定既有建筑物附近墙体和土体最大水平位移允许值为３０ｍｍ。以下为附近墙体和土层水平位移的监测情况及数据分析。３．１近接居民楼基坑墙体水平位移分析基坑墙体水平位移通过测斜管来量测，其测斜管埋深方法如下：首先，通过硬塑料薄膜将测斜管两端封口加以保护，避免泥沙等杂物堵塞测斜管；其次，将测斜管固定在连续墙体上的圆钢管内，贴近地下连续墙体一侧，其设置深度至地下连续墙体顶面以下２５ｍ，将测斜管绑扎在圆钢管上，贴靠在地下连续墙；最后，将干砂填充于测斜管与圆形钢管的空隙内。整个过程需保证测斜管的垂直度［２］。如图２所示。图２水平位移监测点布置通过对基坑开挖过程中，近接既有居民楼围护墙体不同深度水平位移监测点观测，将不同位置处水平位移随时间变化曲线绘制于图３中［３］。图３不同深度地下连续墙水平位移图３表明：地下连续墙体水平位移受基坑开挖“影响显著，变形表现出较为明显的上下小、中间”大的分布规律，与传统的郎肯土压力分布规律存在一定差异，主要原因在于基坑深度过大，传统郎肯土压力公式已不再完全适用［４］。其埋深较浅测８４铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（１０）万方数据·隧道／地下工程·点（地表至深度一半位置）位移变化较小，部分出现负值，可能原因是横向支撑效应所致。最大水平位移位于墙身高度１／２处，约为１８ｍｍ，与最大预警值３０ｍｍ相比，基坑整个开挖过程中均未超限，满足基坑变形要求。３．２近接既有居民楼深层土体水平位移分析将测斜管与地下连续墙呈４５°方向布置，并与钢管紧密连接，使之稳固。其它砂土填充密实方法同前。将不同深度下，近接既有居民楼附近土体水平位移随时间变化情况绘制于图４中。图４不同深度地层水平位移从图４可以看出：与地下连续墙体变形规律类似，浅层或深层地层变形受基坑开挖影响小，中部地层水平位移受基坑开挖影响显著。地面下１０ｍ位置，地层水平位移达１７．５ｍｍ的最大值。各深度位置水平变形时程曲线表明１４ｍ附近（即地层中部位置）向坑内变形最为显著，与地下连续墙变形规律类似。从最大变形绝对值与设计３０ｍｍ预警值相比，本基坑工程施工过程偏于安全。４基坑数值模型建立与分析４．１建立模型利用ＡＮＳＹＳ有限元计算软件建立三维实体模型［５］，为减小边界效应的影响，模型尺寸取基坑的３～５倍，即Ｘ（水平）方向取１１０ｍ，Ｙ（竖直）方向取８０ｍ，Ｚ（纵向）方向取１００ｍ。采取底部施加固定约束，四周施加方向约束，顶部为自由表面，不施加约束。土体及地下连续墙为ｓｏｌｉｄ４５实体单元，水平横撑采用ｂｅａｍ３梁体单元。有限元整体或局部模型如图５、图６所示［６］。图５深基坑三维模型图６地下连续墙三维模型考虑周围土体和地下连续墙协同变形，因此建立接触面，土体变形考虑弹塑性模型，地下连续墙采用弹性模型计算。计算参数根据地质勘查和实验报告确定。合理的施工步可缩短工期并且保证既有建筑和新建支护结构的安全稳定，本工程案例中基坑深１８ｍ，分４层开挖，每层高度约为４．５ｍ。基坑开挖分以下５步进行：（１）井点降水、施作地连墙；（２）开挖第一层并施作钢支架；（３）开挖第二层并施作钢支架；（４）开挖第三层并施作钢支架；（５）开挖至基底并施作保护层。４．２地下连续墙墙身变形结果及分析将基坑开挖结束后，地下连续墙体Ｘ、Ｙ、Ｚ方向的位移云图绘制于图７中［７］。由图７显示得出，Ｘ方向位移变化较小，最大值为０．２４８ｍｍ，且主要分布在基坑底部，说明开挖对地连墙Ｘ方向扰动不明显；Ｙ方向和Ｚ方向位移变化较大，最大值分别为１０．４３ｍｍ和１０．６９ｍｍ，位于二分之一基坑深度，与现场位移监测结果一致。９４铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（１０）万方数据·隧道／地下工程·图７墙体变形云图（单位：ｍ）图８显示地下连续墙墙身在Ｘ、Ｙ、Ｚ三个方向最大位移变化情况。由于Ｘ方向墙身刚度最大，抵抗变形能力强，最大位移值集中在０．２４５ｍｍ上下，位移随开挖步基本没有变化；Ｙ方向和Ｚ方向墙体刚度小，受开挖扰动明显，位移随施工步呈线性递增，且变化趋势相同，开挖结束后位移达到最大值。图８地下连续墙墙身最大位移变化曲线４．３数值模拟结果分析（１）建立周围土体、地连墙及水平支撑三维模型，数值模拟了基坑开挖全过程。地连墙位移变化云图显示开挖结束后不同方向的位移变化情况，其中，Ｙ方向和Ｚ方向变形明显，最大位移值小于３０ｍｍ，满足变形要求。（２）由地下连续墙墙身变形随施工步的变化情况得知，随着施工工序的推进，开挖深度的增加，作用在地下连续墙上的荷载不断增大，墙身变形不断明显。其最大墙身水平位移与监测结果一致，位于墙底向上８ｍ处，约为墙体高度的二分之一位置。（３）地连墙在Ｙ方向和Ｚ方向刚度较小，抵抗变形的能力低，开挖过程中位移变化明显，故Ｙ、Ｚ向水平位移为关注重点，施工全过程应加强监控量测，并及时调整施工参数和工序。５施工技术措施由于本工程近接既有居民楼，故基坑开挖前需对既有居民楼采取必要的加固措施。现有加固方法很多，其中常用的注浆加固法对既有建筑物扰动较小、施工方法简单、可操作性强、效果明显［８］。地下连续墙的及时支护可以控制周围土层变形的增大，因此必须采取合理的施工方法和技术措施缩短施工时间，降低对居民楼基础的扰动。５．１居民楼加固措施既有居民楼距离深基坑开挖边缘１．４ｍ，属于超近距开挖工程，开挖作业可能影响楼体的沉降和不均匀变形，影响居民楼安全和正常使用。基坑设计控制指标为：０３％着倾斜度＋２０ｍｍ的最大沉降量，因此利用压密注浆提高下部土体和杂填土的密实度，同时达到止水的效果［９］，注浆深度深入到坚硬土层上方。注浆同时加强对居民楼和地面变形的监测，监测内容包括居民楼墙体、屋顶异常情况以及地面沉降变形值，并根据监测数值统计和分析，及时调整注浆部分、注浆压力和浆液配合比。５．２地下连续墙施工措施（１）施工方法地连墙的施作应坚持减少扰动［１０］，及时封闭开挖土体的原则，控制土体应力的发展，减少对既有建筑物的不良影响。因此，地下连续墙采用跳幅施工［１１］。（２）地连墙幅宽度调整为了减少对既有建筑物的影响，避免土层蠕动产生缩颈现象，降低沉降量，缩短坑槽暴露时间，依据设计方案将幅宽调整为３ｍ。０５铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（１０）万方数据·隧道／地下工程·（３）特殊部位泥浆配比配置特殊泥浆稳定槽段基坑。基坑开挖期间，槽壁受既有建筑物荷载作用，有可能出现土体脱落、槽壁倾斜等不良现象，因此选用优质特殊配置比泥浆，以保证槽壁的稳定。地下连续墙的泥浆比重为１．０６。每立方米泥浆：膨润土１０６ｋｇ、ＣＭＣｌ．０６ｋｇ、纯碱４．２４ｋｇ、水９５４ｋｇ、重晶石５０ｋｇ。（４）提高地连墙钢筋的配筋率居民楼前的地连墙配筋［１２］，为了加强围护结构自身的刚度，对该区域的地连墙重新进行设计验算，对局部钢筋布置进行了调整，承受荷载较大的主筋进行加密，间距由２５０ｍｍ减少到１００ｍｍ，以此提高地连墙自身强度，保证居民楼区域的稳定。６结论实时监测和数值模拟准确地掌握了基坑和超临近居民楼在开挖过程中的位移变化情况，指导了地铁车站施工过程。既有居民楼加固和调整地下连续施工技术措施保证了居民楼安全的情况下完成居民楼段围护结构及车站主体施工，为类似工程提供参考和借鉴。参考文献［１］李磊，段宝福云地铁车站深基坑工程的监控量测与数值模拟［Ｊ］影岩石力学与工程学报，２０１３，３１（Ｓ１）：２６８４究开发计划十［２］吴松华，谢锦涛十深层水平位移监测中测斜管的埋设施工［Ｊ］影低温建筑技术，２０１２（７）：１２６－１２７．［３］熊智彪，王启云云某复杂平面基坑支护结构水平位移监测及加固［Ｊ］影岩土力学，２００９（２）：５７２－５７６．［４］周含川云有限土体主动土压力计算及探讨［Ｊ］影重庆建筑，２００９，８（１２）：３４－３７．［５］朱传勇，唐进锋，何哓敏云基于ＡＮＳＹＳ二次开发的无缝道岔群参数化有限元分析［Ｊ］影铁道建筑技术，２００８（１）：４３－４５．［６］冯怀平，张伏光，岳祖润云考虑流固耦合作用的深基坑有限元分析［Ｊ］影地下空间与工程学报，２０１２（２）：２８６－２９１．［７］田蓓蕾云基于变形控制的深基坑地下连续墙支护数值模拟研究［Ｄ］影武汉：湖北工业大学，２０１２：２９－３１．［８］杨书江云袖阀管法注浆加固地层施工［Ｊ］影铁道建筑技术，２００４（２）：２２－２７．［９］杨立斌，王国瑞云既有建筑地基注浆加固实践［Ｊ］影探矿工程，２０１２（８）：６５－６８．［１０］董仲林云增强地连墙槽壁稳定性施工工艺［Ｊ］影江苏交通，２００２（６）：２３－２４．［１１］黄江林云地下连续墙施工中对邻近建筑物的保护措施［Ｊ］影广东土木与建筑，２００７（１０）：１９－２０．［１２］汤永净，陈志芬，黄崇福，等十地下连续墙水平变形的可靠性验证及优化分析［Ｊ］影岩土工程学报，２００５（３）：檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪２８８－２９３．（上接第４６页）（２）当隧道穿越土层渗透系数较大、地下水位较浅时，可采用超前小导管注浆加固方法。（３）对于隧道结构位于周边建筑物、地下管线较多的超浅埋段，地层变形要求较为严格，可采用管棚加超前锚杆进行超前支护，以减小隧道地层变形，控制施工风险［１２］。参考文献［１］ＴＢ１０２０４－２００２铁路隧道施工规范［Ｓ］影［２］王梦恕云地下工程浅埋暗挖技术通论［Ｍ］影合肥：安徽教育出版社，２００４：５２－５５．［３］夏雄，周德培云二次劈裂注浆锚索的设计分析［Ｊ］影铁道建筑技术，２００３（６）：３８－４０．［４］罗恒云注浆理论研究及其在公路工程中的应用［Ｄ］影长沙：中南大学，２０１０：４３－４７．［５］王鹏举，陈建民，杨再光云浅谈小角度框构桥顶进线路加固方案的改进［Ｊ］影铁道建筑技术，２００７（Ｓ２）：９９－１００．［６］李治云操根案查触离沉匀抵在岩土工程中应用［Ｍ］影中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