软土富水地层中对紧邻深基坑的房屋保护

软土富水地层中对紧邻深基坑的房屋保护

陈明

中铁十四局集团有限公司250014

摘要：杭州地铁候潮路站位于杭州市老城区，周边老旧建筑物密集，建筑物均为浅基础且与基坑边缘仅有2-6米距离，该范围地质条件为软土富水地层，且平行于贴沙河和中河，地下水埋深仅1米，地质条件差周边房屋近是该工程的控制难点，本文从基坑变形、建筑物沉降的理论分析出发，研究各种围护结构变形机理，并介绍候潮路站所采用的各种有效的主动防护措施，最终监测数据表明，相关措施确保了周边临近房屋的变形不超过报警值，保证了建筑物的安全。对类似工程建设具有一定的参考价值和指导意义。

关键词：软土富水地层；深基坑；基坑变形分析；紧邻建筑物保护；主动保护：建筑物变形控制

一、项目介绍

（1）工程概况

杭州地铁5号线候潮路站位于上城区江城路上，候潮路站总长295m，为地下二层岛式车站，标准段净宽19.9m，站台宽12.6m，车站基坑深度16.5～19.05米，顶板覆土厚度3.2m。车站共设有4个地面出入口和两个消防疏散口及两组风亭，出入口均沿江城路两侧布置。车站采用明挖顺做法和半盖挖顺做法施工。

（2）周边建筑物概况

车站周边现状：江城路道路红线宽为30米，江城路两侧为多层底商住宅。围护结构外缘线距江城路243号5层居民楼仅4.4m，大里程端头井处围护结构外缘线距凤山花苑4#居民楼3.9m，距凤山花苑2#居民楼4.0m，距候潮公寓2#、3#居民楼仅2.3m。

候潮路站平面布置图

周边在建筑物情况见表1.2-1。车站与周边建筑物位置关系见图1.2-1。

表1.2-1车站周边建筑物概况表

（3）地质条件

本工程车站基坑范围地质是典型的软土富水地层，以粉砂土和粉质粘土为主，且距离河道近，地下水补给充足，地下水位常年保持在地面以下1-2米。

地层情况从上到下主要为：杂填土、③2砂质粉土、③3砂质粉土夹粉砂、③5砂质粉土、③6粉砂夹砂质粉土、③7砂质粉土。

场地地下水类型主要为孔隙潜水、孔隙承压水、基岩裂隙水和岩溶水四大类。孔隙潜水水位一般为1.50～2.20m，承压水水头埋深3.21m。

二、该工程主要困难分析

候潮路站基坑位于主城区并且是老城区，两侧房屋排布密集，距离基坑边缘仅有2-6米的距离，且房屋多为70、80年代的老旧建筑，全部是浅基础房屋，部分房屋高层和低层连为一体，极宜引起不均匀沉降。而该范围为典型的杭州软土地质，以粉土和淤泥质土为主，地下水丰富，水位常年在1-2米，与基坑平行方向东西侧分布有两条河流，距离基坑仅30-90米距离，地下水补给充足。

该项目是一个典型的近距离密集浅基础建筑物的深基坑开挖工程，难以建造。基坑变形的控制和基坑的施工是施工控制的关键。如何确保基坑稳定、确保建筑物变形在允许范围是本工程的重中之重。

三、基坑开挖方法及受力分析

候潮路站主体基坑采用明挖顺做法施工，围护结构完成后首先通过临时支撑系统替换土压力，基坑开挖至基底后进行主体结构施工，再通过主体结构墙板替换临时支撑系统受力。基坑稳定即确保围护墙体的稳定，确保围护墙体的位移和变形在允许的范围，确保围护墙体外部土压力和附加压力与坑内支撑系统形成平衡力，而开挖和支护及拆撑和结构施工过程的相互转化存在时空效应，平衡系统的建立是在围护墙体的变形过程形成的，所以在整个基坑施工过程围护墙体必将产生一定的变形，从而造成墙后影响范围土体结构的变形，造成土体上方地面及建构筑物的沉降。

四、各种围护墙体变形及地表沉降情况分析

围护墙体变形及坑外水土流失是地面沉降、房屋沉降的主要原因，以下就各种情况进行具体分析：

（一）主要因围护墙体刚度不足引起的变形

（1）在开挖下一层土方过程和上层支撑架设完成后，支撑与土体之间一定距离范围墙体发生曲线变形：

变形特征：①开挖面以下被动区土体随深度增加而增大，因被动土压力增大速率大于墙后主动土压力增速，在开挖面以下一定深度主动区和被动区压力达到平衡，而在上部支撑到该有效刚度范围会形成一定的曲线变形；②变形位置在上一道支撑至开挖面以下约10米左右位置（根据土体性质而定）。③整体向基坑内弯曲变形，变形最大位置一般位于开挖面以下2-6米。

减小变形措施：①提高围护墙体刚度；②减小开挖分层高度；③增大被动区土体弹性模量；④快速架设支撑，减小无撑暴露时间；⑤开挖至基底后快速进行垫层和结构底板施工；⑥增加垫层厚度以起到临时支撑作用。

（2）支撑架设完成后，在上下两层支撑之间墙体向坑内曲线变形：

变形特征：①变形最大值位于两层支撑的中部。②变形呈曲线弯曲，变形值较小。

减小变形措施：①提高围护墙体刚度；②减小支撑的层间距；③加快施工进度，快速封底减小基坑累计暴露时间。

（3）结构板体完成并达设计强度后，在拆除上部支撑过程围护墙体发生变形：

变形特征：①变形最大值位于被拆支撑平面；②拆撑过程突变值较大，一般24小时后趋于稳定。

减小变形措施：①提高围护墙体刚度；②减少一次拆撑层数，减小拆撑段长度，采用分段拆除法拆撑。

（二）因消除支撑体系弹性、非弹性变形引起

（1）基坑开挖至底，钢支撑体系墙体整体发生变形：

变形特征：①该变形主要由钢支撑受力发生弹性变性引起。②变形大小与钢支撑施工架设质量密切相关，包括钢支撑自身材料钢度、接头数量、垂直度、长细比、端头接触面密贴情况等等。

减小变形措施：①增加混凝土支撑数量；②采用轴力自动补偿系统；③增加钢支撑刚度；④提高钢支撑预加轴力，被动受力变主动受力，从而减小墙体变形；⑤提高钢支撑施工质量。

（2）基坑长度方向围护墙体发生整体曲线变形。

变形特征：①沿基坑长度方向围护墙体发生曲线变形，中部变形最大两侧减小。②钢支撑系统变形较为明显；③基坑长度方向跨度越长变形越大。

减小变形措施：①通过增加中隔墙措施缩短基坑跨度；②增加混凝土支撑的使用，增加支撑体系刚度；③提高钢支撑预加轴力，被动受力变为主动受力，从而减小墙体变形；④钢支撑采用应力自动补偿系统。

（三）因围护墙体插入深度不足引起的变形

（1）开挖到一定深度范围，最底层支撑以下墙体整体向坑内弯曲变形：

变形特征：①该变形因围护墙体插入深度不足，墙体外侧主动土压力远远大于墙体内侧被动土压力引起。②该变形往往伴随着坑内土体的严重隆起，坑外地面沉降非常大；③墙体变形随插入深度逐渐加大，最大值位于墙趾位置；④围护墙体变形量较大。

减小变形措施：①加大围护墙体插入深度；②采用注浆方式提高被动区土体工程性质，以提高被动土压力；③采取地中壁等设计措施；④增加垫层厚度以起到临时支撑作用。

（2）围护墙体整体沉降严重，坑内土体大幅隆起，坑内出现涌沙涌水：

变形特征：①该变形是因坑外水土由围护墙底绕流至坑内所致。②该变形往往伴随着坑内涌水涌沙，坑外地面迅速沿降；③围护墙底很快出现空洞，造成围护墙体大幅下沉；④基坑失稳风险非常大。

减小变形措施：①加大围护墙体插入深度；②采用注浆方式提高被动区土体工程性质，以提高被动土压力；③如有条件，可采取坑外降水措施。

（四）因坑外降水、土体固结引起的地面沉降

地面沉降特征：①该变形是因坑外降水土体固结而引起地面沉降。②地面沿降量的大小主要根据土质压缩模量而定，如承压水层埋深浅且降水严重会引起地面较大的沉降值；③降水引起的地面沿降变形一般较为缓慢和均匀。

减小变形措施：①加深止水墙深度，隔断承压水层；②尽量采用坑内降水，坑外不做降水；③在坑外或重要建构筑物周边设置回灌井。

（五）因基坑围护墙出现漏水涌沙，坑外水土流失造成地面大幅沉降。

地面沉降特征：①该变形是因地面下局部位置水土流失产生。②地面沉降迅速，沉降量大，情况严重会出现坍塌。

减小变形措施：①采用止水效果好、工艺成熟的围护体系；②增加地下连续墙H型钢接头刚度，增加翼板宽度以增加渗水绕流线；③加强围护墙体施工质量控制，对施工接缝等薄弱环节采取有效措施；④做好应急措施，有渗漏能及时处理；⑤提前预防、勤于观察，有问题做提前预防加固处理。

（六）因施工不当、超挖作业引起围护墙体变形

变形特征：①无撑暴露段围护墙体呈明显向内弯曲变形，变形量较大。②相邻位置钢支撑轴力快速增加。

减小变形措施：规范施工，及时架设支撑，减少无撑暴露时间。

五、针对以上变形因素候潮路站所采取的控制措施

（一）围护墙体设计、施工措施：

（1）围护墙体类型、刚度和深度的选用设计：

本基坑选用刚度强、止水效果好、工艺成熟的地下连续墙围护墙体，且厚度选用1000mm，采用H型钢接头，地下连续墙深度以插入中风化基岩50cm控制。墙体刚度和插入深度均有了充分的保证。

（2）提高地下连续墙H型钢刚度及优化断面设计，加强对地下连续墙H型钢接头部位的施工质量控制：

本工程设计阶段即对地下连续墙H型刚接头进行了以下具体优化：①增加腹板宽度，缩减混凝土绕流空间，1米宽地下连续墙H型钢宽度设为95cm，并设置有防绕流钢板；②增加后浇侧翼板宽度；③H型钢钢板厚度均提高至16mm，以增加刚度减小变型。

严格地下连续墙施工质量控制流程，每幅后绕段接头开挖、刷壁后必须经过超声波探测检查，确认刷壁干净后方可施工下道工序，由专人签字负责，并保留影像资料。本项目配设强制刷壁器，并研制专用刷壁器具2套，确保H型钢接头刷壁干净。

（二）支撑体系设计措施：

（1）第三道支撑采用混凝土支撑设计：候潮路站主体基坑标准深度16.7米，共设有5道支撑体系，其中第一、三道支撑采用混凝土支撑，以确保支撑体系整体刚度；另因考虑第三道砼支撑达到预期作用时间较长，在其上部设置一道临时钢支撑。

（2）车站基坑共增加3道中隔墙，以减小基坑纵向跨度，调整后基坑最大跨度90米。

（3）在基坑周边风险最大的两处房屋之间设置一道中隔墙（深度至开挖基底以下5米），该中隔墙开挖过程一直保留，在结构施工过程由下至上替换拆除，以减少房屋临边围护墙体的变形。

（三）提高被动区土压力措施

采用裙边+抽条高压旋喷桩工法对坑内基底被动土压区进行加固处理：候潮路站主体基坑临近房屋区域基底均采用三重管高压旋喷桩地基加固措施，加固深度基底以下3-4米，抽条宽度3米，条间距5米。

（四）保持坑外地下水位稳定措施

地下连续墙围护结构完全隔断承压水层，仅采用坑内降水措施，并在坑外四周设置回灌井。

（五）房屋地面自身加固措施

在开挖过程采用应急加固措施，通过监测数据对房屋异常情况进行分析，如有异常，立即进行注浆加固，本项目采用预埋袖阀管注浆加固工法，浆液采用水泥+水玻璃双液浆，孔位向房屋呈15度角倾斜，孔深6-15米。

（六）土方开挖施工措施

（1）根据“分层，对称，平衡”的原则，基坑开挖严格遵循“时空效应”理论，每个开挖的未受保护的曝露时间应控制在12小时内。每一步的斜率应为1：4，严格控制基坑深度和纵向方向的超挖，缩小基坑开挖步距，每次开挖断面不超过两道支撑，每开挖两道支撑位置停止开挖作业，支撑架设并加压完毕后再继续下一区段施工，预应力施加程序的安装应控制在16小时内。最后一层土方开挖和垫层浇筑应控制在12小时内。

（2）提高钢支撑预加轴力，本工程钢支撑预加轴力控制在设计轴力70%，被动受力变为主动受力，从而减小墙体变形。

（3）组织好工序衔接，缩减施工时间，合理开挖、及时支撑、快速封底，缩减基坑总体作业时间。

（4）加强监测信息化管理，科学运用监测数据指导施工，实时监控和管理基坑开挖施工过程，加强对周边房屋的现场巡视检查，每天填写检测记录，建立现场监控点控制中心，根据动态管理要求，数据采集与组织，日常监测与分析，及时分析监测数据，积极采取各种防治措施控制变形。

（七）应急措施

做好充分的应急准备：本基坑开挖主要在围护结构渗漏水处理事故回强应急管控，具体体现在以下几个方面：①建立专业的堵漏队伍，开挖过程24小时不间断对基坑进行巡视；②注浆机（2台）、水钻、水泵、挖机等应急机械配备齐全；③水泥、水玻璃、砂袋、止水钢板、聚氨脂、引水管、电线、注浆管等应急物资储备齐全；④开展两次真实有效的实战型应急演练。

六、施工各阶段监测数据分析及控制措施优化论述

（一）监测数据分析

（1）总体监测数据分析

根据以上数据分析，本基坑从围护结构施工至结构完工，各项监测数据均保持稳定，其中建筑物沉降最大值24.3mm，建筑物倾斜最大值1.21‰，周边管线沉降最大值16.81mm，地下连续墙水平位移最大值22.12mm，均保持在可控范围，均未达到报警值，从而验证该项目各项施工措施控制较好。

（2）各阶段施工对房屋沉降影响分析

①根据以上各阶段施工建筑物变形数据分析，基坑开挖阶段对房屋影响最大，其次为围护结构施工阶段，围护结构阶段降水井施工对房屋沉降影响较大，主要原因为该工程杂填土地层较厚，水井与房屋距离近且布置密集，钻井成孔过程塌孔严重，对房屋地基土形成扰动；另外在成井后洗井过程有部分抽，对该范围水位有一定的影响所致。

②建筑物沉降与基坑开挖深度、施工工况有密切的关系，监测数据显示主要在基坑降水、开挖期间对建筑物影响较大。针对该幢建筑物9个沉降监测点中，距基坑较近的JGC12-6累计沉降量最大，为-24.76mm；房屋外边JGC12-13累计沉降量较小，为-0.50mm，整幢房屋的不均匀沉降差达到-24.26mm。

③临近基坑边缘的测点比远离基坑的测点沉降值明显增大，从而超成建筑物成线性倾斜。

④从沉降过程来看，在2018年1月24日基坑底板混凝土浇筑后，各测点的累计沉降量已达到最终的98%~99%。可见基坑底板混凝土浇筑后，围护结构水平位移基本稳定，同时，坑外建筑物沉降也趋于稳定。

（3）各层土方开挖及结构施工对地下连续墙变形影响分析

①下图为典型ZQT18#墙体水平位移实测曲线，2018年1月24日基坑底板混凝土浇筑后，墙体水平位移趋于稳定，最大位移为13.57mm，方向朝基坑内，位于地面以下-13.5m处。

②根据以上数据分析，墙体水平位移最大值各阶段位置不同，随每层土方开挖变形逐渐下移，变形最大值也逐渐下移，最终变形最大值发生在开挖基底位置。

③墙体水平位移随着开挖深度的增加逐渐增大，位移随深度分布曲线呈两头小中间大的“膨胀”形，待基底混凝土浇筑后，变形逐渐趋于稳定。

④从第三层土方开挖阶段之后，各阶段曲线会交与9米位置区域，该位置为混凝土支撑位置，从而证明了该砼支撑达到设计强度后变形量很小，对一定范围起到了很大的约束变形作用。

（二）几点控制措施优化论述

（1）坑外降水井施工优化

根据监测数据分析，在坑外降水井作业期间房屋变形数量较大，建议在施工中加强泥浆护壁控制，防止成孔过程塌孔；在井孔回填过程注意分层密实回填，采取有效的夯实措施；保护滤管和滤料的质量，确保把控好成井总体施工效率，快速成井、快速封井。

（2）支撑体系优化

本项目支撑体系在第三道采用混凝土支撑，在施工过程暴露了施工作业慢、等强时间长、拆除作业困难、对结构防水质量影响大等一系列缺点。如有条件建议第一道支撑采用混凝土支撑（监测过程只有第一道混凝土支撑部份受拉），其它支撑全部采用钢支撑，钢支撑增设应力自动补偿系统。

（3）房屋隔离措施优化

本基坑因离房屋距离太近，隔离措施不宜实施同时离围护墙太近起不到相应的效果，如有条件项目建议在距离基坑6-10米位置设置一排隔离桩措施，隔离桩主要作用是提高滑移面的抗剪力-限制滑移，隔离桩插入插度通过滑移面深度计算。

七、结论

基于候潮路站主体深基坑支护体系的设计和施工措施依据监测数据分析，得出以下结论：

（1）地下连续墙深层最大变形22.1mm，周边房屋沉降最大变形24.3mm，支撑体系内力均在应力变化范围，周边环境安全，设计方案合理，施工措施得当。

（2）多道支撑体系的深基坑支护结构中，围护结构的变形、每道支撑的轴力是随着基坑的开挖和支撑的安装动态变化并相互影响的，分层、分段开挖土体，及时安装支撑，尽量减少超挖等施工措施能有效减小围护结构变形，改善围护结构受力；

（3）实测数据表明，基坑从开挖至封底，地下连续墙水平位移会持续发展，待浇筑底板混凝土后，围护结构水平位移方才逐渐稳定，坑外房屋建筑的沉降也趋于稳定。因些，基坑施工应合理安排工序，缩减整体施工工期，尽早浇筑垫层及底板混凝土，减少土体暴露时间；

（4）监测数据表明，深基坑工程对周边建筑物的影响不仅发生在基坑开挖阶段，围护结构施工阶段亦有一定的变形量，因此，控制深基坑工程对周边建构筑物的影响要从围护结构施工阶段开始；

（5）经施工应用验证，该深基坑工程变形理论分析全面，选用措施有效，能为类似工程建设提供参考和指导。

参考文献：

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