地鐵基坑施工對(duì)近接老舊房屋影響研究及保護(hù)措施探討

顧浩磊 鄧向振

1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司 江蘇 南京 210000

2.中國(guó)建筑第八工程局有限公司 江蘇 南京 210000

1 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市人口越來越多，交通擁堵日益嚴(yán)重，因此，開發(fā)利用城市地下空間成為解決城市發(fā)展與用地緊缺之間矛盾的主要手段。

我國(guó)是世界第一人口大國(guó)，全國(guó)各地尚存的老舊房屋眾多。隨著城市建設(shè)規(guī)模的增大，一些地鐵施工難免要經(jīng)過這些結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性欠佳的老舊房屋，施工建設(shè)過程中不僅容易引發(fā)各類地質(zhì)環(huán)境問題，還將直接對(duì)鄰近房屋的結(jié)構(gòu)安全帶來危害。雖然地鐵施工過程中會(huì)采用一些加固措施對(duì)近接老舊房屋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，但是由于老舊房屋建造年代久遠(yuǎn)，基礎(chǔ)型式較為簡(jiǎn)單，且缺乏適當(dāng)?shù)木S護(hù)，造成此類房屋抵抗外部荷載的能力顯著降低。長(zhǎng)期處于施工環(huán)境下，周邊地表不出現(xiàn)不均勻沉降，將會(huì)導(dǎo)致房屋傾斜、主要受力構(gòu)件出現(xiàn)裂縫等情況，極易影響老舊房屋的服役性能。

2 房屋破壞等級(jí)劃分

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)房屋的類型以及沉降和傾斜等破壞屬性提出了多種不同的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)估方法，包括地震災(zāi)害對(duì)建筑物破壞分類、《危險(xiǎn)房屋鑒定標(biāo)準(zhǔn)》JGJ125-2016、BRE提出的建筑物破壞分類，如表1所示。

表1 房屋破壞等級(jí)劃分比較

房屋安全鑒定單位通常采用房屋完損等級(jí)來評(píng)價(jià)房屋的破壞情況，并根據(jù)房屋的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件等完好或損壞程度，將房屋劃分為完好房、基本完好房、一般損壞房、嚴(yán)重?fù)p壞房和危險(xiǎn)房五個(gè)等級(jí)[2]。

3 房屋保護(hù)措施

對(duì)近接老舊房屋保護(hù)是地鐵基坑施工全過程的重要步驟之一，是確保房屋安全運(yùn)行，使工程順利施工的重要手段。一般施工前先對(duì)現(xiàn)況房屋的建筑類型、位置、建造年代等進(jìn)行初步調(diào)查，據(jù)此設(shè)計(jì)最為合理的保護(hù)措施。同時(shí)在施工過程中對(duì)房屋進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值及時(shí)調(diào)整施工進(jìn)度，確保近接老舊房屋安全。

3.1 房屋加固

仇偉[1]根據(jù)工程實(shí)例，通過對(duì)老舊房屋的地基基礎(chǔ)、上部承重結(jié)構(gòu)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查與檢測(cè)，再對(duì)房屋的承載能力進(jìn)行驗(yàn)算，確定房屋施工前狀態(tài)，據(jù)此提出采用高延性混凝土雙面加固砌體受壓構(gòu)件的加固方案，加固施工完成后，對(duì)加固效果進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明此加固方案可以有效解決砌體構(gòu)件承載力不足的問題。鄭翔等[2]對(duì)基坑施工期間內(nèi)鄰近地表及建筑物的沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和周邊環(huán)境實(shí)際情況，提出在車站基坑中，通過設(shè)置鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)的措施，減小相應(yīng)區(qū)段鄰近房屋的沉降變形，達(dá)到保護(hù)房屋的目的。劉鳳洲等[3]利用基坑施工各階段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析了施工對(duì)鄰近房屋的影響，結(jié)果表明，圍護(hù)結(jié)構(gòu)成槽澆筑階段對(duì)周邊房屋沉降影響較大，均值超過了基坑開挖階段房屋產(chǎn)生的沉降值，據(jù)此提出提高泥漿比重、控制泥漿液面高度、縮短澆筑時(shí)間等方案，控制因圍護(hù)結(jié)構(gòu)成槽澆筑施工對(duì)周邊房屋引起的沉降。

根據(jù)以上實(shí)際工程案例可知，房屋加固措施需根據(jù)房屋現(xiàn)狀及工程實(shí)際確定，且加固后能有效保護(hù)房屋變形，確保施工順利進(jìn)行和房屋安全。

3.2 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬是研究基坑施工對(duì)周邊環(huán)境影響的重要手段，通過數(shù)值模擬的方法，可以在工程施工之前，對(duì)工區(qū)周邊環(huán)境影響進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。模擬分析施工方案的合理性，為周邊環(huán)境保護(hù)方案的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

孔令華等[4]采用MIDAS GTS有限元軟件模擬施工過程，得出老舊房屋模擬位移與實(shí)測(cè)位移相近的結(jié)果，確認(rèn)模擬結(jié)果的可靠性，通過預(yù)測(cè)老舊房屋在施工過程中的變形，提出采用基坑支護(hù)和分層開挖的方法，控制老舊房屋在施工過程中的變形，保護(hù)房屋安全。李鵬宇[5]采用FLAC 3D軟件建立模型，模擬深基坑開挖對(duì)鄰近房屋的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基坑施工會(huì)使鄰近房屋及周邊地面產(chǎn)生了差異沉降，將直接導(dǎo)致房屋出現(xiàn)裂縫、傾斜等危害，據(jù)此提出了控制施工進(jìn)度和加強(qiáng)監(jiān)測(cè)的建議，對(duì)周邊房屋的沉降變形進(jìn)行控制[3]。

由此可知，數(shù)值模擬在基坑開挖對(duì)近接老舊房屋影響問題上應(yīng)用十分普遍，通過采用數(shù)值模擬的方法，可以較好的模擬施工對(duì)周邊環(huán)境的影響程度，為周邊老舊房屋的保護(hù)提供參考依據(jù)。

4 實(shí)際工程保護(hù)案例

以南京市號(hào)線白云亭站深基坑工程為例。車站西側(cè)為白云小區(qū)、陸軍干休所等；車站東側(cè)為桃園世紀(jì)住宅樓等。其中有7棟為樁基礎(chǔ)房屋，占比達(dá)到70%，且建造時(shí)間均在1984年～1994年，其結(jié)構(gòu)型式大多為框架結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)與磚混結(jié)構(gòu)結(jié)合或砌體結(jié)構(gòu)。另有1棟淺基礎(chǔ)和2棟條形基礎(chǔ)房屋，占比為30%，建造時(shí)間在1984年～1988年之間，其結(jié)構(gòu)型式為磚混結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)。周邊老舊房屋與基坑的位置關(guān)系詳細(xì)情況如圖1所示。

圖1 基坑與老舊房屋平面位置關(guān)系圖

基于工程實(shí)際情況及對(duì)周邊老舊房屋的基本情況，選取建造時(shí)間最久遠(yuǎn)且基礎(chǔ)形式較為簡(jiǎn)單的熱河南路59號(hào)樓展開施工前檢測(cè)。

該建筑建成于1984年，為一幢六層砌體結(jié)構(gòu)建筑，墻體采用240mm厚燒結(jié)普通磚、水泥混合砂漿砌筑，樓（屋）面板采用預(yù)制鋼筋混凝土空心板，不上人平屋面，其外墻及樓梯間四角均設(shè)置有鋼筋混凝土構(gòu)造柱，樓屋面處設(shè)有封閉圈梁。

本次檢測(cè)主要包含以下內(nèi)容：

（1）地基基礎(chǔ)檢查

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)熱河南路59號(hào)樓具備觀測(cè)條件的外墻陽角布置測(cè)點(diǎn)，采用高精度全站儀及鋼卷尺進(jìn)行建筑物整體傾斜檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果顯示，該房屋南北向整體向北傾斜0.07‰，東西向整體向東傾斜+0.17‰。并且該房屋的主要承重構(gòu)件、墻體及相關(guān)連接點(diǎn)也未發(fā)現(xiàn)異常，評(píng)定該樓棟地基處于非危險(xiǎn)狀態(tài)。

（2）房屋損傷狀況檢查

依據(jù)已有檢測(cè)報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果得知，熱河南路59號(hào)樓存在墻體粉刷層開裂、預(yù)制板板縫裂開等情況。后經(jīng)鑿開部分承重砌體構(gòu)件粉刷層檢查發(fā)現(xiàn)，砌體構(gòu)件所屬環(huán)境正常，砌筑砂漿有明顯的風(fēng)化跡象，風(fēng)化深度約10～15mm，在可控范圍之內(nèi)。且樓棟排水正常，無明顯剪切變形跡象[4]。

（3）砂漿抗壓強(qiáng)度檢測(cè)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，抽取熱河南路59號(hào)樓部分砌體構(gòu)件，利用貫入式砂漿強(qiáng)度檢測(cè)儀，采用貫入法檢測(cè)其砌筑砂漿的抗壓強(qiáng)度。檢測(cè)結(jié)果顯示，砂漿抗壓強(qiáng)度的推定值處于4.1MPa～6.0MPa之間，砂漿整體滿足強(qiáng)度要求。

（4）磚抗壓強(qiáng)度檢測(cè)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，隨機(jī)抽取熱河南路59號(hào)樓部分砌體結(jié)構(gòu)構(gòu)件，利用磚回彈儀，采用回彈法對(duì)其砌筑所用磚的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果顯示，磚的抗壓強(qiáng)度推定值處于12.63MPa～13.16MPa之間，磚強(qiáng)度推定等級(jí)為MU10，未發(fā)現(xiàn)磚強(qiáng)度異常變化。

（5）墻體局部?jī)A斜變形檢測(cè)

根據(jù)規(guī)范要求及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，抽取熱河南路部分墻體，對(duì)其局部?jī)A斜變形進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果顯示，部分墻體的局部?jī)A斜變形大于7‰，應(yīng)當(dāng)評(píng)為危險(xiǎn)構(gòu)件，其余砌體結(jié)構(gòu)構(gòu)件均為非危險(xiǎn)構(gòu)件。

綜合上述檢測(cè)結(jié)果，將熱河南路59號(hào)樓房屋結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)性等級(jí)評(píng)定為C級(jí)，即部分承重結(jié)構(gòu)不能滿足安全使用要求，房屋局部處于危險(xiǎn)狀態(tài)，構(gòu)成局部危房。因此應(yīng)當(dāng)采取一定的措施對(duì)房屋進(jìn)行保護(hù)，以確保房屋安全及施工順利進(jìn)行。

由于基坑和周邊老舊房屋之間管線較多，對(duì)房屋直接采取加固措施會(huì)受到眾多因素的干擾，且容易破壞周圍管線。結(jié)合實(shí)際情況，本工程選用對(duì)軟土地基加固處理和支撐伺服軸力系統(tǒng)相結(jié)合的方式對(duì)周邊老舊房屋進(jìn)行保護(hù)。

4.1 軟土地基加固處理

由于本站底板主要在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中。為控制基坑變形和地表沉降，確保周邊老舊房屋安全，對(duì)此區(qū)段軟土地基采取加固處理措施[5]。

（1）對(duì)基底軟土地層，采取三軸攪拌樁抽條加固；

（2）三軸攪拌樁可采用φ850@600矩形布置。攪拌樁水泥采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。坑內(nèi)加固基底以下水泥摻入量不小于被加固土重的20%；基底以上水泥摻量為10%。坑外加固（含槽壁加固）水泥摻入量不小于被加固土重的14%。水泥漿水灰比為0.45～0.55；

（3）強(qiáng)加固區(qū)加固后，28天土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于0.8MPa，并且滲透系數(shù)小于1×10-6cm/s。

4.2 鋼支撐伺服軸力系統(tǒng)

鋼支撐伺服軸力補(bǔ)償系統(tǒng)能夠?qū)χ苓吚吓f房屋的變形進(jìn)行控制，確保周邊老舊房屋安全，同時(shí)保證了周邊管線不被破壞。

根據(jù)實(shí)際工程需求，本工程對(duì)基坑采用如圖2所示的伺服軸力分段模式。

圖2 鋼支撐伺服軸力系統(tǒng)分段

所采用的方法如下：

（1）通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜管埋設(shè)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形展開監(jiān)測(cè)。

（2）通過白云亭站伺服鋼支撐基坑布置地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)坑外地表沉降展開監(jiān)測(cè)。

（3）通過白云亭站伺服鋼支撐基坑預(yù)埋墻后土壓力盒對(duì)墻后土壓力展開監(jiān)測(cè)，探明基坑開挖過程中非極限狀態(tài)下土壓力的荷載分布形式。

（4）通過白云亭站伺服鋼支撐基坑現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的手段，探究基坑開挖過程中明確伺服鋼支撐與普通在開挖過程中軸力發(fā)展特征。考慮到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相互驗(yàn)證和綜合分析，軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)選在靠近測(cè)斜孔的位置。

（5）通過建立Plaxis 2D模型進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)合基坑開挖過程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、地表沉降、土壓力、支撐軸力的發(fā)展特征，探究支撐軸力與圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形間的映射關(guān)系，初步建立液壓伺服鋼支撐軸力調(diào)整方式。

5 結(jié)語與展望

隨著城市交通的不斷完善，地鐵基坑施工引起近接老舊房屋的安全問題層出不窮。本文總結(jié)了近年來實(shí)際工程中常采用的房屋保護(hù)措施，據(jù)此提出如下尚需加深研究力度的結(jié)論：

（1）對(duì)于基坑施工區(qū)周邊環(huán)境較為復(fù)雜的工程，現(xiàn)有的房屋加固措施實(shí)施較為困難，房屋的安全性只能通過控制施工和加強(qiáng)監(jiān)測(cè)等方式提升，因此如何直接對(duì)房屋采取合理的加固措施值得研究與探討。

（2）對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)及城市中鄰近建筑群的深基坑，由于影響因素較多，采用數(shù)值模擬的方式預(yù)測(cè)建筑物變形具有一定的局限性，因此施工過程中如何準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和優(yōu)化周邊環(huán)境的變化情況有待進(jìn)一步研究。

（3）數(shù)值模擬雖然可以直觀的表達(dá)基坑施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，但如何更加簡(jiǎn)單的模擬施工過程、選取本構(gòu)模型、提升模型結(jié)果的準(zhǔn)確性等應(yīng)當(dāng)深入研究。