邵廣彪，李文琛，劉國輝，徐以政

(1.山東建筑大學 土木工程學院，山東 濟南250101；2.山東建大工程鑒定加固研究院，山東濟南250014)

0 引言

隨著我國城市舊城區(qū)更新建設的大規(guī)模開展，緊鄰既有建筑物進行地下工程建設的項目日益增多，基坑開挖與降水施工導致的周邊土體應力狀態(tài)的改變以及地下水位變化引起地層的固結[1]，均使采用淺基礎的既有建筑保護難度不斷加大，因此對深基坑工程周邊環(huán)境變形的控制提出了更高的要求[2]?；邮┕ひ自斐芍苓吔ㄖ飺p傷破壞，緊鄰基坑的建筑物保護技術的研究，可以為城市地下空間開發(fā)建設提供重要的工程技術指導。

基坑施工對周邊建構筑物的影響已開展了相關研究。鄭剛等[3]分析了基坑開挖引起臨近建筑物樁基的影響；彭志雄等[4]利用FLAC3D軟件分析了深基坑開挖對臨近建筑物相互影響的效應；李睿峰等[5]等利用數值方法研究了基坑開挖對鄰近框架建筑物沉降的影響；李志偉[6]研究了軟土地區(qū)深基坑開挖對鄰近建筑物的影響，分析了基坑開挖造成的建筑物破壞形式和變形特點；譚維佳等[7]對同一基坑周邊的多層淺基礎和高層樁基礎建筑與基坑相互效應影響進行了數值分析研究。但由于基坑工程及相鄰建筑的多樣性，相關規(guī)范及基坑設計軟件也僅對坡頂沉降提出初步計算方法[8]，實際工程設計主要針對于基坑支護結構自身及外側土體變形規(guī)律，基坑開挖引起土體變形與建筑物沉降破壞之間的量化規(guī)律難以在實際工程應用，一般需要針對工程的特殊情況進行相應的設計與評估工作。

文章以濟南市某深基坑工程為例，分析緊鄰該基坑的既有大跨雙曲磚拱屋蓋結構的受力特性，考慮基坑施工全過程的不利影響，進行基坑周邊重要建筑物的復合保護技術研究，通過該基坑支護工程實際監(jiān)測數據對比分析，總結基坑周邊建筑物沉降規(guī)律及保護措施。

1 工程概況

某科研中心為框架剪力墻結構，地上12層，地下車庫為地下2層，筏板基礎?；哟笾鲁示匦?，東西寬約為78.8 m、南北長約為78.9 m，設計開挖深度約為9.9 m，平面布置如圖1所示。

圖1 基坑平面布置及周圍環(huán)境圖/mm

1.1 西側雙曲磚拱建筑

基坑西側建筑物于1972年竣工，建筑平面呈矩形，東西橫向長為20.12 m、南北縱向長為40.12 m、檐口標高為5.5 m，建筑面積約為800 m2。屋頂為雙曲磚拱結構，每跨為20 m×20 m；雙曲磚拱屋蓋為正方形的磚砌雙曲扁殼組成，扁殼邊長均約為20 m、殼板矢高約為4 m，南北方向2個扁殼相連。

建筑外墻4角設4根異形配筋磚柱，2扁殼連接處縱墻中間壁柱內設有鋼筋混凝土柱，扁殼四周邊緣構件為鋼筋混凝土拱架，屋蓋結構荷載通過下方6個磚柱及毛石獨立基礎傳至地基，基礎埋深約為2.5 m；建筑主體為磚混結構，磚砌墻體，墻下為毛石條形基礎，基礎埋深約為1.5 m；南北2扁殼連接處邊緣構件由鋼拉桿下弦、鋼筋混凝土曲梁上弦組成的雙鉸拱進行拉結。雙跨雙曲磚拱建筑外觀及內部磚拱情形如圖2、3所示。

雙曲磚拱作為完整的拱結構，充分發(fā)揮了磚石材料抗壓強度高的特性，在一定程度上克服了砂漿與磚石間粘著力較弱和無筋砌體的抗拉、抗彎及抗剪強度較小的缺點，上述缺點導致其跨度受到一定限制[9]，現(xiàn)有雙曲磚拱建筑最大跨度達到25.9 m，而工程需要保護的雙曲磚拱結構跨度達到20 m，已經接近該類建筑的極限。磚拱結構對于變形、震動比較敏感，不當使用將導致災難性的后果。鑒于雙曲磚拱結構的獨特性和重要性，基坑支護方案必須確保建筑物的安全使用。由于雙曲磚拱結構與基坑邊線基本平行，東西兩側基礎距離基坑開挖邊線相差約為20 m，因此在基坑支護施工過程中既要避免基礎累計沉降過大，又也要避免東西兩側基礎產生不均勻沉降。

圖2 雙曲磚拱屋蓋建筑外觀圖

圖3 雙曲磚拱建筑物內部圖

1.2 工程地質與水文地質

根據場地巖土勘察報告，勘察深度范圍內場地地層共分為9層，主要有:①層雜填土、③層粉土、④層淤泥質粉質黏土、⑤層粉質黏土、⑦層全風化輝長巖、⑧層強風化輝長巖。其中，④層淤泥質土為深棕色～棕褐色，軟塑，干強度、韌性中等，切面較光滑，見鐵錳質斑點及銹染，有腥臭味，厚度平均為0.98 m。西側地層典型剖面如圖4所示，主要土層的物理力學性質指標見表1。

擬建場區(qū)地下水既有上層潛水賦存于第③層粉土及以上，常年水位位于地表1.0 m以下；同時由于輝長巖透水性較強，下部全風化、強風化輝長巖是濟南市典型的富水巖層，因此在④層淤泥質粉質黏土和⑤層粉質黏土阻隔下，地下水類型屬于典型的上下2層含水層。

圖4 基坑西側地層剖面圖/m

表1 主要土層的物理力學性質指標表

2 緊鄰基坑雙曲磚拱建筑物復合保護技術研究

鑒于基坑西側雙曲磚拱建筑物的重要性，工程施工需將保證雙曲磚拱結構安全作為重中之重，其次才是基坑支護結構自身安全。

工程具有的特點為:(1)雙曲磚拱建筑為獨立基礎，且自身上部結構荷載較大，結構抗變形能力差；(2)淤泥質土受擾動后變形較大，進而引起基礎沉降；(3)基坑降水引起周圍地層失水，造成土體固結；(4)支護樁施工緊鄰獨立基礎，施工擾動難以避免。鑒于以上因素，亟需結合深基坑施工特點，開展建筑物的復合保護技術研究。

2.1 沉降控制標準分析

正方形雙曲磚拱屋頂不僅沿跨度方向為拱形，垂直于跨度方向的截面也是拱形，因此屋頂構造被命名為雙曲拱頂，雙曲面拱沒有使用鋼筋，完全以磚砌筑而成，充分發(fā)揮了抗壓有利的磚石材料特性。同時，雙曲磚拱建筑基礎也為磚石材料，共設有6個獨立毛石基礎，中柱基礎平面尺寸為4 m×4 m，距離擬建結構基礎邊線最近約為3.9 m，由于毛石基礎整體性較差且尺寸較大，在不破壞室內地面情況下，難以采用托換技術對毛石基礎進行事前加固處理。

毛石基礎位于③層粉土地層，而此雙曲磚拱東西寬度約為20 m，如基坑施工引起東西兩側基礎不均勻沉降，將導致上部雙曲磚拱屋蓋開裂，甚至垮塌，因此須慎重考慮建筑物變形控制指標。建筑物變形控制有拉應變、角變形、撓度比、差異沉降及總沉降量等指標，不同國家及地區(qū)編制了不同結構類型的變形控制指標[6]，考慮觀測便利性，決定采用差異沉降及總沉降量指標，鑒于建筑物基礎位于粉土地層，獨立基礎形式，上部屬于砌體結構，屋蓋為雙曲磚拱結構，其建筑變形控制指標如下:差異沉降量為1.0 cm，而總沉降量為2.0 cm。

為評估建筑變形控制指標的合理性，對該雙曲磚拱結構抵抗不均勻沉降的能力進行了數值評估分析。利用Midas有限元分析軟件，建立雙曲磚拱結構有限元模型，進行不同沉降差作用下的屋蓋變形及內力分析，有限元模型如圖5所示。

圖5 雙曲磚拱屋蓋有限元模型示意圖

通過在東西兩側屋蓋下方施加不同的沉降差進行計算，差異沉降為10 mm時，磚拱屋蓋結構受力滿足要求。此項數值的確定，為后續(xù)基坑支護設計提供了重要的參考。

2.2 桁架式內支撐體系

由于雙曲磚拱結構抗變形能力較差，且開挖深度范圍內存在淤泥質土層，因此需考慮采用較強變形控制能力的支護類型。

在基坑支護類型中，地下連續(xù)墻或支護樁+內支撐體系具有較好的剛度及變形控制能力，且可以避免建筑物下方錨桿施工造成的土體擾動破壞，因此優(yōu)先考慮內支撐方案。地下連續(xù)墻在濟南地區(qū)應用較少，而且考慮成槽施工對雙曲磚拱建筑影響較大，仍采用灌注樁方案，西側支護樁直徑為1 000 mm，水平間距為1.4 m，其余部位支護樁直徑為800 mm，水平間距為1.5 m。

西側雙曲磚拱結構及北側磚混結構住宅需對變形進行嚴格保護，綜合工期要求和施工便利，僅在東南角采取樁錨支護方式，其余部位采用內支撐體系，該內支撐平面布置通過系撐形成桁架式支撐體系，該支撐體系具有跨度大、剛度強等特點，平面布置如圖6所示，豎向上共設置兩層內支撐體系。

圖6 基坑支護平面布置圖/mm

2.3 地下水控制與精細化回灌

在滿足支護體系剛度情況下，地下水控制是此基坑工程的另一難點。下部為全～強風化輝長巖，極易出現(xiàn)風化不均、球形風化等現(xiàn)象，導致帷幕閉合不嚴，產生漏水，進而引起上部土層潛水水位下降，導致基礎沉降。

為保持基坑外側地下水位穩(wěn)定，主要從止水帷幕和坑外水位控制進行設計。止水帷幕采用高壓旋噴樁工藝，設置樁間旋噴及樁外連續(xù)旋噴帷幕，西側樁間旋噴直徑為1.0 m，與相鄰支護樁搭接300 mm，樁外連續(xù)旋噴直徑為600 mm，相互搭接200 mm；通過設置雙重止水體系和加大帷幕搭接長度，進一步確保帷幕的完整性。

坑外地下水位控制則采用動態(tài)精細化降水回灌方案，如圖7所示，回灌井按照深度不同分為2種，表示回灌井1，深度為6 m，主要維持上部土層潛水水位；表示回灌井2，深度為16 m，用于下部風化層水位穩(wěn)定。2種回灌井間隔布置，建筑物東側水平間距進行加密。建筑物西側回灌井可兼作抽水井，如東側回灌后仍無法恢復原有水位，可通過西側管井進行降水；建筑物南側由于附屬結構影響無法施工回灌井。觀測井進行加密布置，通過觀測的水位數據及時調整東西兩側的井內水位，保持雙曲磚拱建筑東西兩側地下水位基本一致，避免水位差異造成不均勻沉降。

圖7 建筑物回灌保護平面布置圖/mm

2.4 鋼管樁隔離保護技術

西側支護樁直徑為1.0 m，樁邊距離雙曲磚拱結構獨立基礎外邊緣約為1.5 m，距離墻下條基邊緣約為3.0 m，以上基礎均位于③層粉土。支護樁擬采用旋挖鉆機進行施工，鉆機成孔將引起獨立基礎相鄰土體變形甚至塌陷，進而造成基礎沉降過大或斷裂，后果嚴重。為避免支護樁施工期間對雙曲磚拱結構地基及基礎的影響，考慮采用隔離樁技術對磚拱結構基礎及地基進行支護樁施工期間的保護。

鄭剛等[10]在對基坑外側既有隧道變形控制中采用了隔離樁，并對隔離樁的作用機制進行了參數分析；曾曉鑫等[11]研究了隔離樁樁徑對基坑開挖引起既有地鐵隧道位移的影響，在單排樁布置條件下，樁徑降低至＜400 mm時，對控制既有地鐵隧道位移不利；徐長節(jié)等[12]研究了拱形雙排隔離樁對既有隧道的保護效果，結果表明，拱形雙排隔離樁的保護效果優(yōu)于傳統(tǒng)的矩形行列式。

基于前期有關研究成果結合工程場地條件，建筑物基礎施工保護采用了雙排鋼管樁形式，鋼管樁前后錯開布置形成一定的成拱效應，如圖8所示。

圖8 建筑物地基基礎隔離保護平面布置圖

由圖8可知，在支護樁施工之前，進行鋼管樁的施工，由于鋼管樁施工造成的土體擾動較小，施工完成后形成一定的隔離墻效果，將有效阻隔灌注樁施工可能引起的塌孔、漏水事故對地基產生不利作用。

2.5 建筑物健康監(jiān)測設計

健康監(jiān)測技術能夠在結構處于異常受力狀態(tài)或發(fā)生局部桿件嚴重損傷等突發(fā)狀況時，及時發(fā)出報警信息，以便于采取工程應對措施，避免重大工程事故的發(fā)生及產生相應損失[13-14]。施工期間的地下工程監(jiān)測項目主要包括結構及內部環(huán)境、周圍環(huán)境等方面，健康監(jiān)測作為一項重要措施，可以實時掌握磚拱結構的位移動態(tài)變化及安全狀態(tài)。在雙曲磚拱結構上安裝實時監(jiān)測系統(tǒng)，其在基坑回填完畢仍可繼續(xù)運轉，為結構性能狀態(tài)提供數據支持。

在東西6個磚柱頂部與鋼筋混凝土拱架交接部位分別布置拉線位移計和加速度傳感器，在雙曲磚拱拱頂部位布設紅外高精度位移傳感器，通過以上高精度監(jiān)測進一步為結構安全提供保障。

3 建筑物復合保護技術應用

基于緊鄰基坑建筑物復合保護設計理念，對上述技術進行集成，在施工圖設計中對方案進行細化，形成基于施工全過程的基坑周邊建筑物復合保護技術。

在基坑西側，首先施工鋼管樁，達到材料強度后進行支護樁施工，支護樁完成已接近春節(jié)，止水帷幕在春節(jié)后進行施工，最后進行西側管井施工。在所有豎向支護結構、降水回灌止水體系及監(jiān)測系統(tǒng)設置完畢后，開始進行土方開挖及內支撐施工。

3.1 全～強風化層雙液注漿堵漏設計

基坑工程土方開挖及內支撐施工較為順利，在2道內支撐施工完畢，開挖接近坑底時，坑內地下水水位下降緩慢，在基坑四周開挖盲溝集水明排仍無法解決，根據地質條件及西側情況推測，西側坑底以下全～強風化輝長巖地層內止水帷幕未能形成有效整體，地下水自巖石裂隙及高壓旋噴未能搭接部位流入坑內，且水量較大，如引起地下水快速下降，將造成雙曲磚拱結構的不均勻沉降。因此，建筑物復合保護技術尚應根據施工情況及時進行動態(tài)調整。

為避免巖層水體流失影響上部潛水水位，借鑒隧道圍巖注漿堵漏技術[15]，在基坑內采用水泥—水玻璃雙液進行注漿加固，措施如下:距離基坑側壁約30 cm布置一排注漿孔，注漿孔間距、孔徑、孔深分別為50 cm、150 mm和8 m，孔內放置2根直徑為32 mm的注漿管，分別連接水泥漿和水玻璃漿液，現(xiàn)場雙液注漿施工情況如圖9所示，可見坑內水量較大，如不能采取有效措施，將對坑外水位造成極大影響。雙液注漿完成后，坑內涌水情況大大降低，排除了基坑開挖到基底的最后隱患，基坑施工完成情況如圖10所示。

圖9 坑底止水帷幕雙液注漿加固施工現(xiàn)場圖

圖10 基坑施工完成情況圖

3.2 施工過程變形監(jiān)測結果

基坑工程重點是保護西側雙曲磚拱建筑的安全。通過對西側建筑物沉降的監(jiān)測，進一步分析此次建筑物復合保護技術的應用情況。

圖11為雙曲磚拱東西兩側中柱的沉降監(jiān)測數據曲線。臨近基坑的東側中柱沉降明顯大于磚拱西側中柱沉降，兩者的最終差異沉降約為3 mm，東側最大沉降約為7 mm，均滿足支護方案設定的安全警戒值。

鋼管樁施工對基礎沉降影響很小，但從圖11所示的施工過程中的變形監(jiān)測結果來看，即使在鋼管樁的隔離保護下，隨后進行的支護樁施工仍造成＞1.5 mm的沉降，且春節(jié)停工期間仍有近1 mm的沉降，說明臨近建筑物樁基施工影響難以被雙排鋼管樁完全消除。針對粉土層易擾動液化特點，鋼管樁隔離技術尚需進一步加強。

圖11 雙曲磚拱結構中柱沉降曲線圖

高壓旋噴樁及隨后直徑300 mm的小型管井施工產生了＞2 mm的沉降，至此基坑土方開挖前東側最大沉降已接近5 mm，西側沉降約為2.5 mm，上述沉降數據說明支護及降水體系施工對建筑物沉降影響已不能忽略。

土方開挖接近基底過程所產生的差異沉降＜1 mm，也說明桁架式內支撐支護體系結構整體剛度較強，完全滿足土體變形及自身穩(wěn)定要求。后期坑底大量涌水對建筑物沉降產生了一定的影響，但通過雙液注漿加固實現(xiàn)了地下水的封堵，后期建筑物基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，沉降不再發(fā)展。

對結構進行的健康監(jiān)測持續(xù)運行，施工期間柱頂東西方向水平位移在0.5 mm范圍內往復變化，春節(jié)期間南北方向水平位移往復變化最大達到2.0 mm，但后期施工時南北向位移又恢復在0.5 mm范圍內往復變化，保持安全穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結論

通過對緊鄰基坑的雙曲磚拱建筑物復合保護技術研究，得到的主要結論如下:

(1)在復合保護技術支持下，建筑物差異沉降控制指標為10 mm，自支護樁、止水帷幕、降水井等施工至底板澆筑期間所產生的建筑物差異沉降約為3 mm，最終施工結果表明利用提出的復合保護技術，能夠滿足差異沉降控制指標。

(2)提出的復合保護技術中桁架式內支撐支護體系和精細回灌技術分別較好地控制了土體變形和地下水位的動態(tài)平衡，在緊鄰基坑雙曲磚拱建筑保護中發(fā)揮了重要作用；對雙排鋼管樁的隔離保護機制尚應針對不同地層條件進一步開展相關研究。