地铁车站深基坑施工对周边建筑物影响分析研究(上报).doc

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1、地铁车站深基坑施工对周边建筑物影响分析研究1 引言改革开放三十年来，我国经济得到了快速的增长，城市建设和改造的步伐也越来越快，大量高层建筑以及如地铁等大型公共设施的出现使得基坑工程设计显得越来越重要。由于很多基坑出现在建筑物密集区且常常在老城区，因此进行基坑设计时，既要考虑临近建筑物对基坑的影响，又要考虑基坑对临近建筑物的影响。前者主要是保证在进行基坑设计时采取合理的措施，以保证基坑开挖和基础施工过程中的安全；后者要考虑因基坑过大变形导致临近建筑物发生过大的变形，从而影响建筑物的安全。若不采取适当的措施加以控制，将引起临近建筑物的损害，造成严重的经济损失和不良的社会影响。因此，采取有效的技术措

2、施及合理地评价基坑开挖对临近建筑物的影响就显得尤为重要。 2、工程概况图1 北京路站总平面图广州地铁六号线全线26座车站有15座采用明挖法施工，北京路站为第11座车站，采用明挖法施工。车站位于北京路、泰康路、万福路交汇口以东，大致呈东西走向布置。周边建筑物林立、人流、车流量较大，交通繁忙，基坑距离建筑物最近距离仅1.4m。车站南侧为一片低矮的骑楼，东南侧为一栋10层（地下一层）的万福楼，西北侧为在建的锦源国际公寓，西南侧为广东省航道局宿舍楼（八层）及新泰康装饰城，北侧为在建的名城商业广场(地上八层、地下一层)，与地铁工程同期施工。车站设计里程范围：YCK11+458.3YCK11+547.4，

3、车站总长87.1m。具体详见图1。基坑南侧的骑楼按所在位置划分为三个区域，分别称为万福路侧骑楼、北京路侧骑楼、麦栏街骑楼，详见图2所示。上述骑楼均为地铁施工需拆迁的骑楼，但由于拆迁工作推进困难，为了保证地铁工期要求，在骑楼还未拆除的情况下，需先进行主体结构施工。图2 基坑与骑楼位置关系图（单位m）车站基坑与万福路侧的骑楼距离：基坑西南侧最小仅1.4m，东侧最小仅2.3m，其他位置约3.0m。车站基坑与北京路侧的骑楼距离：基坑西端最小约5.0m。车站基坑与麦栏街骑楼距离：基坑南侧最小约13.0m。摸查及鉴定情况显示，基坑南侧的骑楼房屋均建于解放前，现处于超龄阶段。房屋基础均为天然基础或木桩基础，

4、上部结构形式主要有混合结构、框架结构、砖木结构，结构层数为25层，绝大部分房屋的安全性不符合鉴定标准对Asu级的要求，影响结构承载力，房屋应作维修加固处理。房屋功能主要为一层作为商铺、其他楼层作住宅使用。房屋的部分承重构件存在较严重老化及损伤现象，瓦面局部风化、破损，东北及西北角骑楼柱的垂直度偏差率最大为2.4和1.45，均已超过规范限值要求的2倍。为了确保骑楼安全，需要采取措施对其进行加固保护。车站地貌主要为珠江冲洪积及海积平原，地形平坦开阔，地面标高79m 左右。本站上覆第四系地层，下伏基岩为白垩系泥质粉沙岩、粗沙岩。岩土分层及其特征自上而下有：人工填土层1、淤泥质土层2-1B、冲洪积粉细

5、砂层3-1、冲洪积中粗沙层3-2、冲洪积淤泥质土层4-2、残积粉质粘土层5-2、红层全风化带6、红层强风化带7、红层中风化带8、红层微风化带9。第四系孔隙水水位埋深23.5m，主要赋存于海相沉积粉细砂层3-1，分布较广泛，具有一定厚度，渗水性强，地下水较丰富；基岩裂隙水主要赋存在红层碎屑岩类强风化带和中风化带，富水性及透水性弱。地下水对混凝土结构无侵蚀性，对钢结构有弱-中等腐蚀性。3、基坑施工期间对骑楼影响的数值模拟计算3.1 模型建立根据实际工程资料,综合考虑现场实际地质条件,采用有限元程序ADINA对本工程进行数值模拟分析。如图3所示，模型长取为72m,高取为30m。在模型的左右两边施加水

6、平位移约束，在模型的底边施加竖向位移约束，模型计算采用2D模型，四节点单元，上部土体采用Mohr-Coulomb材料模型，下部风化岩、连续墙、钢支撑、混凝土支撑均采用Elastic-Isotropic单元模拟，利用ADINA的单元生死功能模拟基坑开挖和支护的过程。骑楼一侧地表加50KN均布荷载，其它部分加20KN均布荷载，同时考虑土体和支撑的自重作用。模拟实际工程具体的实现步骤为：建立模型，施加重力，设置边界条件及荷载，运行后提取模型的初始地应力数据；在原模型中删除连续墙位置的单元土体，加入连续墙结构，并建立内支撑，施加均布荷载，导入土体模型提取的初始地应力参数；以基坑开挖的实际过程来设置开挖

7、土体和内支撑的单元时间；运行程序，提取后处理结果。图3 基坑开挖的数值模拟模型3.2 参数取值表各种土体按照不同材料分为七层，土体和构件参数取值如表1。表1 土体和构件参数取值土体及构件E(MPa)泊松比密度(kg/m3)粘聚力(kPa)内摩擦角杂填土100.3518002015淤泥质土50.451670810中粗砂180.25195035全风化泥质粉砂岩600.219703622强风化含砾砂岩1000.221505526中风化泥质粉砂岩150000.22500微风化泥质粉砂岩200000.22550混凝土支撑300000.2钢管2.06E+050.13.3 计算结果及分析用有限元程序ADIN

8、A进行计算，结果如图4图6。图4 基坑开挖后总位移图5 基坑开挖后竖向位移图6 基坑开挖后水平向位移基坑的开挖使骑楼侧的土体产生的最大沉降量为58.7mm，最大水平位移为15.1mm。4、施工措施4.1 对骑楼进行鉴定施工前，对万福路侧的部分骑楼和万福楼进行了房屋安全鉴定，出具了17份鉴定书，共鉴定 26 个门牌号的房屋（万福楼10个，万福路侧16个）。北京路侧、麦栏街及万福路侧的部分骑楼因无人居住或无法进入而未进行鉴定。4.2 对骑楼进行加固骑楼加固有二种方案：方案一是将骑楼住户临迁，进入房屋，对其构件进行补强加固；方案二是不进入房屋，对骑楼地基、基础进行加固。由于骑楼建筑年代久远，其基础、

9、结构现状很差，加固保护方案应该立足于可操作性。经比选，方案一不具备可实施性，应立足于不进入房屋内部进行地基、基础加固。4.2.1 采用深层水泥搅拌桩进行加固由于骑楼靠近基坑太近，且处于超龄使用阶段，房屋基础均为天然基础或木桩基础，部分承重构件存在较严重老化及损伤现象，瓦面局部风化、破损，东北及西北角骑楼柱的垂直度偏差率均已超过规范限值。设计单位考虑到以上因素，在南侧基坑围护结构外侧设置了一排600400深层水泥搅拌桩进行加固保护，成桩深度基本在14.0m，进入不透水层约1.5m，其主要作用是：(1) 在相邻两建筑物基础间形成一道止水帷幕(并不是完全止水,只是设置了一道渗透系数很小的帷幕)。使帷

10、幕两侧的地下水位浸润线高程形成一个“断层”,减小了建筑物地基土的下沉量；(2) 有效地阻止原有建筑物地基土颗粒的流失；(3) 增强了原有建筑物基础下地基土的压缩模量，从而减小了沉降值；(4) 防止因地下连续墙施工引起槽壁坍塌对骑楼基础造成影响。在围护结构施工之前,施工单位即先在连续墙和骑楼之间作双排搅拌桩，不具备条件的地段作单排旋喷桩。采用深层水泥搅拌桩，其施工方法为通过深层单轴搅拌机将软土和固化剂（浆液或粉体）强制搅拌，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土，最终形成桩体。搅拌桩所用水泥强度不低于32.5级，水泥掺量不小于15，水泥浆水灰比为0.450.55，并按要求的量掺加

11、早强剂,浆液出口压力0.40.6MPa,主机提升速度0.471.47m/min,旋转速度为2893r/min。4.2.2 对骑楼局部构件进行简单的加固（1）骑楼走廊顶部的纵向主梁的加固在靠近基坑边的21根立柱之间以及走廊距离立柱1000mm范围内布置20001000mm的方木网格，底部用可调节高度的底座支承在方木上，顶部用可调节高度的顶托支撑方木顶住走廊顶部的纵向主梁，底座与顶托之间用钢管连接；（2）骑楼走廊顶部的横向主梁的加固在不影响人行通道通行和铺面营业的情况下，对骑楼走廊顶部的横向主梁用工字型钢进行加固。加固方法如下：紧贴梁底用工字型钢梁承托，工字型钢梁靠近基坑一端底部支承与纵向主梁支承

12、方法一致，靠近商铺一端用工字型钢柱支承在人行道地面上。4.3 有效抑制骑楼沉降的施工控制措施地下连续墙成槽时，应对泥浆配合比、槽段划分进行优化。基坑开挖时按照设计要求做好支撑，先撑后挖，预加轴力适当加大。基坑开挖过程中要严格控制爆破，必要时，可用机械挖槽，形成背离骑楼的临空面，采用松动弱爆破施工，并加强监测。4.3.1 地下连续墙施工过程的控制在地下连续墙施工阶段，重点对设备选型、数量安排，导向墙制作、成槽施工、泥浆护壁、钢筋网片制作安装、水下混凝土浇筑等方面严格控制。如安排适量的设备，采取低锤密击的方式，确保将施工机械的操作振动影响降低到最小；严格控制护壁泥浆的质量，确保不失水和槽壁坍塌；严

13、把钢筋网片制作安装和混凝土浇筑关，确保连续墙成墙质量。从施工过程和开挖外露的情况看，围护结构施工阶段对骑楼安全产生的影响较小，未发生异常突发事件。施工质量显示地下连续墙墙身混凝土密实、均匀、连续，无孔洞、蜂窝。墙体接缝质量良好，无明显渗水、漏水现象。4.3.2 土石方开挖阶段施工过程的控制基坑开挖采用分段分层放坡开挖，分段长度结合主体结构施工段划分，共分5段；分层按支撑安装位置为控制标准，共分6层。4.3.3 岩石爆破的控制由于车站基坑南侧距骑楼仅4m（含连续墙厚度），应采取措施减少爆破震动对骑楼造成损害，距建筑物12m范围以内采用静态破碎法施工。爆破开挖自东向西，先采用静态爆破施工南侧基坑，

14、南侧基坑施工完成后，北侧基坑爆破区与骑楼之间形成一条减震带，可大大降低北侧基坑爆破时对骑楼的震动破坏。基坑内人工挖孔桩采用有声爆破。4.3.4 基坑钢支撑阶段施工车站主体围护结构设5道水平支撑，其中第一道支撑为钢筋混凝土梁支撑，其位置为地面以下1.25m处；第25道支撑为钢支撑，地面以下6.35m处设第二道，地面以下10.15m、13.95m、17.95m处分别设第三、四、五道支撑。支撑平面布置如图3-8、3-9所示例。第一道钢筋混凝土支撑当基坑表层土方开挖后，按常规方法进行钢筋、模板安装并与冠梁整体浇筑混凝土，第25道钢支撑拟用1台50t汽车吊进行安装，其施工进度结合基坑土方开挖进行。4.3

15、.5 钢支撑安装质量保证措施钢支撑安装质量对保证基坑安全尤为关键。钢支撑的拼装与安装除应按设计要求选材并及时安装，做到不超挖外，还应从以下方面严格控制。4.3.6 控制基坑降排水北京路站离珠江较近，地下水位较高。据地质详勘资料反映，该站场地初见地下水位埋深0.703.60m，稳定水位埋深1.305.50m。当基坑开挖时，会产生地下水位的降低。地下水位的降低使土的有效重度增大，从而使地面产生沉降，在降水漏斗范围内的建筑物会产生一定的沉降变形。尤其是降水漏斗范围内的土质较差，建筑物为天然地基时，更易使建筑物产生沉降，甚至产生不良影响，这也是基坑易产生对周边环境影响的重要因素。因此必须严格控制基坑降

16、排水。4.3.7 采用动态设计和信息化施工动态设计是在空域和时域内对工程目标进行设计, 不仅包括在常规设计期间内进行的预测分析, 而且包括随施工过程进行信息反馈处理, 即将设计、施工、监测合为一体, 根据施工信息反馈, 完善设计, 指导施工的设计方法。信息化施工就是根据施工现场的地质情况和监测数据, 对地质结论、设计参数进行再验证, 对施工安全性进行判断并及时修正施工方案的施工方法。信息跟踪和信息反馈必须通过现场监测系统完成, 这种方法称为信息施工技术。只有采用该法, 将设计和施工密切结合起来, 才能使设计、施工与决策更合理和准确, 以达到控制支护结构变形的目的。为满足车站抗浮要求，该站原设计

17、有16根抗拔桩，桩径1.5m，桩长8m，扩大头直径2.5m。2007年10月11日，基坑东侧已施工6根抗拔桩。骑楼监测资料显示已有14个沉降监测点累计沉降值超过设计预警值24mm，为了减少基坑暴露时间及减少抗拔桩爆破施工对骑楼的影响，保护骑楼安全，对车站抗拔桩桩长、桩径、数量、位置进行了调整。经过重新核算取消3根抗拔桩，将剩余抗拔桩桩长由8m变更为6m，扩大头直径由2.5m变更为3m，并在车站整个顶板范围设置800800抗浮压顶梁。压顶梁与地下连续墙的连接，上层钢筋采用焊接，下层采用植筋。通过适时调整设计，既满足了车站抗浮要求，同时也将抗拔桩爆破施工对骑楼的影响降至最低。5、监测结果地下结构施

18、工监测分析分为两大部分，一部分是基坑本身的监测，包括支护结构桩（墙）顶水平位移、支护结构变形、支撑轴力、爆破震速等，另一部分是基坑施工对周边建筑物影响的监测。5.1 明挖基坑监测分析明挖基坑监测项目主要有：支护结构桩（墙）顶水平位移、支护结构变形、支撑轴力和爆破振速。1）支护结构桩（墙）顶水平位移监测根据施工工况，分三个阶段对支护结构墙顶水平位移进行分析。第一阶段为基坑开挖加支撑阶段（爆破前）；第二阶段为岩石爆破阶段；第三阶段为非爆破开挖加支撑主体结构施工阶段。（1）基坑开挖加支撑阶段（爆破前）墙顶水平位移监测当基坑东、西侧均已开挖，且东侧已开挖至第四道支撑位置时，桩顶水平位移最大值为6.3m

19、m，而基坑墙顶水平位移的监测控制值为30mm，也远小于监测警戒值24mm，表明基坑在此阶段是安全的。（2）岩石爆破阶段墙顶水平位移监测岩石爆破阶段墙顶水平位移最大值出现在N3区域进行岩石爆破时，但最大值11.7mm仍然小于监测控制值，也小于监测的警戒值，但比不进行岩石爆破时墙顶最大水平位移大了5.4mm，增大了85.7，表明基坑开挖时岩石爆破对墙顶水平位移产生了较大的影响。从中也表明上述采取的对岩石爆破进行控制是必需的，也取得了一定的效果，使基坑处于安全状态。（3）非爆破开挖加支撑主体结构施工阶段墙顶水平位移监测由于基坑东西侧施工的顺序不同，所以基坑东侧开始施工底板时，西侧还处于土方开挖和支撑

20、阶段，因此有必要对此阶段的墙顶水平进行监测分析，以向基坑变形方向为正。此时墙顶最大水平位移出现在东侧底板基本上浇注完毕，而西侧土方已开挖至第四道支撑位置时，但最大值12.7mm仍小于监测控制值30mm，也小于监测警戒值24mm，表明此时基坑是安全的。此值比基坑开挖加支撑（爆破前）增大了6.4mm，增幅高达102，比岩石爆破时增大了0.3mm，增幅2.6，表明东侧底板的浇注并不能减小基坑墙顶的水平位移，而西侧的土方开挖则加剧了墙顶水平变形，表明土方开挖是引起墙顶水平位移的重要因素。2）支护结构变形监测5#孔整体向基坑内倾斜，于2008年4月25日在孔深11m处测得最大位移量23.5mm；11#孔

21、整体向基坑外倾斜，于2007年12月21日在孔深0.5m处测得最大位移量23.9mm，该孔2008年4月25日在孔深1m处测得最大位移量为21.4m。表明在施工过程中基坑有向北倾斜的迹象，基坑封顶后趋于稳定，各阶段位移量均未超出控制值。由于地铁北侧名城商业广场与地铁同步在开挖一期基坑，开挖引起卸载，使地铁基坑南侧骑楼荷载对地铁基坑形成偏压，使地铁基坑有向北倾斜的迹象。施工过程中为了减少因偏压对地铁基坑的影响，经协调名城广场开发商同意将紧贴地铁基坑的30米土体预留出来，待地铁主体结构完成后再采用盖挖逆作法开挖该部分基坑。充分说明名城商业广场与地铁同步开工，分两期进行开挖，在工序安排上是合理的，地

22、铁施工所采取的各项控制措施也是到位的，使地铁基坑始终处于安全状态。3）支撑轴力监测支撑轴力在2007年7月28日至2007年8月21日之间有较大突变，原因是此时基坑东、西以及南侧均已开挖，其中东侧已挖至第四道支撑位置，基坑开挖最深处约19m，且基坑于2007年8月2日开始爆破施工，随着基坑大面积开挖卸载及爆破振动影响，连续墙墙体位移增大，从而使支撑轴力骤然增大。但从实测最大轴力值来看，第二道钢支撑实测最大轴力为1057.61KN，第三道钢支撑实测最大轴力为998.67KN，第四道钢支撑实测最大轴力为1482.98KN，第五道钢支撑实测最大轴力为557.87KN，均未超过设计轴力值，说明钢支撑轴

23、力是可控的，基坑处于安全状态。4）爆破震速监测除4#监测点外测得的大部分振动速度数据位于0.70cm/s1.30cm/s之间，个别（如2#监测点）数据超出了控制标准的1.5cm/s，合成矢量达到1.70cm/s。8月4日上午4#监测点的垂直分向4.30cm/s、8月4日下午4#监测点的垂直分向5.38cm/s和水平径向2.77cm/s超出了控制标准。5.2 明挖基坑施工对周边建筑物影响的监测分析明挖基坑施工步骤一般可以分为4大步：围护结构施工内部土方开挖工程结构施工管线恢复及覆土。明挖基坑施工时，对周边建筑物主要进行建筑物的沉降、倾斜监测。1）地下连续墙施工阶段骑楼的沉降监测分析及安全评估此阶

24、段骑楼的最大沉降为19.9mm，小于设计预警值24mm。经分析研究，得出以下结论：有关各方之前对骑楼采取的措施（如对骑楼状况的摸查、房屋的鉴定以及开展监测工作等）是得当的，也是有效的，第三方监测及施工监测能够有效指导施工。车站围护结构采用1m厚地下连续墙加内支撑的方案是稳妥的，靠骑楼侧已施工双排搅拌桩进行加固，对于保护骑楼的安全是有效的。在对骑楼临街首层走廊（边跨）采取一定的临时支顶保护措施后可进行基坑开挖。2）土方开挖加支撑阶段（爆破前）骑楼的沉降监测分析及安全评估此阶段骑楼的最大沉降量约为21.5mm，小于设计预警值24mm。此值比地下连续墙施工阶段的最大沉降量高出8.04，此时基坑东、西

25、以及南侧均已开挖，其中东侧已开挖至第四道支撑位置，基坑开挖最深处约19m，表明基坑开挖对骑楼产生了较大的影响。3）岩石爆破阶段骑楼的沉降监测分析及安全评估此阶段骑楼的最大沉降量约为29.1mm，高出设计预警值21.25。此时基坑东侧已经开挖至底，正在施工抗拔桩，基坑西端已开挖至第二道支撑位置，表明随着基坑深度的增加，骑楼沉降愈发明显。4）非爆破开挖加支撑主体结构施工阶段骑楼的沉降监测分析及安全评估此阶段骑楼的最大沉降量约为46.2mm，高出控制值54。此时基坑已封底，即基坑内土方已全部开挖，再次表明基坑开挖对骑楼沉降产生了重大影响。5）主体结构施工阶段骑楼的沉降监测分析及安全评估此阶段骑楼的最

26、大沉降量约为56.9mm，高出控制值89.7，此时基坑已封顶。6）主体结构完工后骑楼的沉降监测分析及安全评估此阶段骑楼的最大沉降量约为59.6mm，高出控制值98.7。主体结构完成后，骑楼沉降趋势变缓。7）骑楼倾斜监测分析骑楼倾斜监测共布置了5个监测点，分别为QX01、QX02、QX03、QX04和QX05。2007年3月15日，对5个监测点进行初始值测定，至2007年4月14日，共监测8次。QX01点倾斜值较大，但累计变化不大，仅减小0.9，由于QX01点初始值反映骑楼远离基坑方向倾斜，倾斜率的减小，使骑楼有“扶正”的迹象；QX02点变化量较大，减小2.5，由于QX02点初始值反映骑楼远离基坑方向倾斜，倾斜率的减小，同样使骑楼有“扶正”的迹象。总体来看，骑楼初始倾斜率已超限，施工期间其倾斜率的变化不大。6、结语明挖法施工是地铁车站施工的常用方法，在地铁明挖车站施工时，须采取合理的设计方案和有效的施工技术措施，以保证基坑和周边建筑物的安全。本文主要以广州地铁六号线北京路站的施工为研究背景，对建筑物加固保护方案和有效控制建筑物沉降的明挖基坑施工关键技术进行了论述，并对监测数据进行了分析研究，与数值模拟计算结果进行了对比二者基本一致，验证了各项技术措施的合理性和有效性。