摘要：随着城市地下空间开发利用的快速推进，在城市建筑物密集的中心区进行深基坑施工的情况日益增多。而目前我国大量的城市深基坑工程集中在东部沿海的冲积平原地区，多为软土地基，此类地区的特点是地下水位高、地基土体强度低灵敏度高。在这些软土地区，基坑工程风险较大，容易发生围护结构位移过大甚至失稳等事故，或者因为基坑开挖卸载而引起周边土层变形，导致邻近建筑物产生倾斜、裂缝，会造成重大的经济损失和不良的社会影响。针对这类工程问题，亟需一套系统性的安全、有效、便捷的处理措施和应对策略。本文结合对地铁建造周围建筑物风险控制等一系列问题的分析，采取一定的降低施工风险的技术方案，通过先进技术应用对周边建筑进行主动保护，以降低地铁建设期间造成的安全风险系数。
关键词：深基坑施工；风险分析；建筑物安全风险管理；
一、深基坑地铁施工现状以及对毗邻建筑物的安全风险管理
1）地铁深基坑施工期间存在的基础工程问题
目前我国深基坑工程主要集中在东部沿海的冲积平原地区，这些地区往往广泛分布有深厚的海陆交互相沉积软黏土，由于该类软黏土抗剪强度低、承载力低、灵敏度大、孔隙比大、极易被扰动，且被扰动后土体性质急剧降低难以恢复，易产生触变、流变，容易引起地基变形和失稳，因此，这类地质条件下的深基坑工程往往面临着更大的挑战。在这些软土地区，容易发生围护结构位移过大甚至失稳等事故，或者因为基坑开挖卸载而引起周边土层变形，导致邻近建筑物产生倾斜、裂缝。国内类似的案例有很多，如2008年杭州地铁1号线某车站基坑地下连续墙折断破坏，2010年深圳地铁5号线某车站基坑施工引起附近居民楼开裂，2010年上海逸虹景苑小区楼因邻近基坑施工开裂等等。
2）地铁设计和施工经验不足
软土地区基坑支护结构除满足强度要求外，还必须满足变形要求，而在软土地区后者往往占主导地位，即设计由变形控制[1]。在基坑变形控制设计中，基坑变形的预测是其核心内容之一。在设计基坑支护和开挖方案时，往往希望能够事先预测施工时基坑的变形及其对周边环境的影响程度，进而采取针对性的工程保护措施。实际工程设计和施工中由于偏重于基坑支护结构的强度控制，而忽视了对基坑围护结构和周边环境的变形控制，常常出现基坑变形过大引起的基坑周边建（构）筑物倾斜、开裂甚至破坏[2]。这种设计和施工经验不足的现状，为地铁深基坑的施工带来了很大的影响，在这种情况下，为周围的建筑物带来了很大的安全风险。
3）地铁深基坑施工相关技术规范和标准不够完善
当前，面对深基坑工程实施还没有形成一套完备的风险管理标准，国内地铁施工项目的安全风险管理规范以及标准等还不够完善，相关风险管理规定无法满足地铁建造迅速发展的需求，现有规范对实际项目风险管理指导意义不强。因而，建立系统的、全面的、有针对性的技术规范已经成为亟待解决的问题。
4）对毗邻建筑物安全风险管控不到位
在地铁建设施工过程中，会存在复杂的水文地质条件、复杂的周边环境、复杂的地下管线，其周围的环境条件会给深基坑施工带来不利的影响。施工期间会出现很多障碍和不确定因素干扰，例如，对拟保护建筑物施工调查不详细，会造成对风险评估的误判，对建筑物所采取的针对性保护措施不得当，未严格按时空效应进行基坑开挖支护等等，时刻影响着周围建筑物安全以及人身安全。因此，施工过程中必须要做好的风险防护措施，必须对邻近建筑物的安全风险做好充分分析。
二、地铁深基坑开挖对邻近建筑物影响分析
1）基坑工程介绍
基坑工程是自地面向下开挖一个地下空间。基坑四周一般为垂直的挡土结构，挡土结构一般是在开挖面基底下有一定插入深度的板墙结构。基坑工程包括基坑围护结构设计及施工和土方开挖，两者是相互影响的，它是一项综合性很强的系统工程，要求岩土工程和结构工程技术人员密切配合，基坑围护结构是临时结构，它具有以下特点：
（1）基坑围护结构是临时的，安全储备较小，具有较大风险性，在施工过程中应进行监测，并应有应急措施；
（2）基坑工程具有很强的区域性，不同的地区工程地质条件和水文地质条件都不同，且差别较大，因而基坑围护结构设计及施工与开挖方式都应因地制宜，只可作为借鉴，不可生搬硬套；
（3）基坑工程具有较强的时空效应。基坑的深度和平面形状对基坑围护结构稳定性和变形有较大影响，即具有空间效应。土具有蠕变性质，作用在围护结构上的土压力随时间变化，蠕变使土体强度降低，将使土坡稳定性变小，即基坑工程有很强的时间效应。
我国的大多数大中城市均位于江河、湖海的冲积性平原地区，这里软土深厚广布，、含水量高、受扰动易发生变形、开挖形成的边坡自稳能力差。随着软土地区城市建筑密度的增加，基坑工程常处于密集的既有建（构）筑物附近，基坑施工受到了更加严格的环境制约。预测基坑施工引起的变形及其对周边环境的影响，总结各种基坑变形控制技术措施并验证其实施效果，对于软土地区深基坑的设计与施工具有重要指导意义。本文结合国内某地铁车站基坑工程，采用有限元数值模拟方法，对软土地区深基坑围护结构（地下连续墙）施工和基坑开挖引起的周边建筑物变形及变形控制方法进行了研究，以期对其设计、施工起到一定的指导意义。
2）地质影响分析
场地地质条件复杂，场地位于长江漫滩相冲积平原地貌单元区，第四纪松散层粗细叠置，水平层理发育。场地范围内覆盖层主要为漫滩相沉积的高压缩性饱和软土层，中高压缩性的软弱粘性土夹粉土（或交互层），以及中等压缩性的粉土、粉砂层，覆盖层厚度大。岩土体主要以厚层状软土为主，其压缩性高，强度低，高灵敏度，开挖施工时易产生触变和流塑性变形。车站结构底板下因夹水平向粉土，会出现涌水、流砂，还会产生工后沉降。场地表层分布有厚度较大的杂填土、素填土。填土层组成物杂、均匀性较差、密实度差，具有强度低、压缩性高、渗透性强等特征，在开挖时容易坍塌和出现涌水。
3）水文影响分析
场地紧邻长江及秦淮河等主要水系，拟建场地地下水丰富，场地地下水包括潜水、承压水及基岩裂隙水。从车站底板埋藏深度及含水层深度看，上述三种水对工程均有影响。含水层厚度较大，地下水位相对较高，对施工影响很大，因夹水平向粉土，会出现涌水、流砂使工作面失稳，还会有工后沉降，连续墙及桩基施工易缩径问题。同时因场地地势低洼，暴雨季节由于雨量集中，地下雨水管排泄量有限，易形成内涝灾害，对施工安全、质量与进度控制构成威胁。
4）建筑物影响分析
该地铁车站地处城市繁华地段，龙江大街为河西新城北部东西向交通要道，道路北侧西部主要为居民小区，道路北侧东部为商业建筑，道路南侧主要为商业建筑，施工环境条件较为复杂。周边建筑物结构形式薄弱、地基基础差、距离基坑较近，如：鸿渐路以西南侧为长江大厦住宅楼结构形式为框架，地基基础为沉管灌注桩，与车站地连墙最小距离为14m；鸿渐路以西北侧为居民小区结构为砖砼结构，地基基础为条形基础，与车站地连墙最小距离为12m。基坑施工过程建筑物会产生沉降，影响建筑物安全。
5）基坑开挖的影响
基坑开挖卸荷，最直接的后果是打破土体的初始平衡状态，引起基坑周边土体应力重分布，从而引起周围地层的移动和变形，导致地表沉降和土体向基坑内侧变形，而地表沉降又与距离基坑的远近相关，进而导致周边建筑物的不均匀沉降，有甚者发生倾斜、开裂。
三、地铁深基坑施工对邻近建筑物安全风险管理对策
1）建筑物容许变形控制
目前国内外评定建筑物受开挖影响的破坏程度还没有统一的指标和标准，有的采用地面变形指标，有的采用总变形指标，评判标准不尽相同，但最典型且最容易定量分析的当属裂缝宽度和倾斜值。
刚性建筑可采用倾斜值衡量其破坏程度，而柔性建筑以最大裂缝宽度作为控制指标，且不考虑裂缝发生的位置、裂缝长度、裂缝数量等参数。但多数情况下，建筑物产生裂缝的同时，也会发生倾斜。
（1）柔性建筑的破坏等级与控制标准
由于砖石和素混凝土等建筑材料破坏拉应变远小于压应变，当材料拉应变达到其临界拉应变时就会发生拉伸破坏失效，这里的临界拉应变是指裂缝明显时的拉应变。而以可观测裂缝作为评判指标更加直观可行，结合Boscardin等（1989）[3]研究成果，针对砌体结构和其它浅基础建筑等相对柔性建筑，总结了柔性建筑的破坏等级与控制标准，如表１所示。
表1 柔性建筑的破坏等级与控制标准
（2）刚性建筑的破坏等级与控制标准
我国相关的建筑标准对房屋倾斜破坏的评定做了大量工作，如《建筑地基基础设计规范》[4]和《危险房屋鉴定标准》[5]等均对建筑物的倾斜进行了相关的规定。综合以上规定，采用与柔性建筑的破坏等级划分方法相同，针对多高层框架结构和其它深基础建筑等相对刚性建筑，总结了刚性建筑的破坏等级与控制标准，如表2所示。
表2 刚性建筑的破坏等级与控制标准
注：本表以高度小于24m的多高层建筑为例。
下面通过本文依托工程实例来验证建筑物破坏等级判断方法的合理性。地铁某车站深基坑工程位于城市建筑密集区域，其中居民小区三幢建筑物自身条件较差上部结构为砖混结构，下部基础为条形基础，可划分为柔性建筑，距基坑最近距离约12m，是基坑保护的重点。
根据变形预测结果，居民小区三幢建筑物垂直基坑方向最大倾斜值为0.17%，根据表2进行判断，该建筑破坏等级为3级，破坏程度为功能破坏。而根据现场部分区段基坑开挖后实际观测结果显示该建筑垂直基坑方向最大倾斜值为0.36%，根据表2进行判断，该建筑破坏等级也为3级，破坏程度为功能破坏，最大裂缝宽度为2.6mm，根据表1进行判断，该建筑破坏等级也为2级，破坏程度为美观破坏。从理论预测和现场实测结果来看，存在一定的误差，但对建筑物破坏情况的判断大致相同，且建筑物现状与建筑物破坏等级2级特征描述较吻合，也出现了建筑物破坏等级3级部分特征；从柔性建筑和刚性建筑的判别标准来看，柔性建筑判别标准对建筑更为适用，但刚性建筑判别标准也可作为参考。同时也反映出该建筑物存在极大风险，应及时进行加固以应对后续基坑施工影响。
2）地下连续墙成槽前实施槽壁加固
就目前基坑变形分析研究而言，主要针对基坑开挖阶段，地下连续墙成槽引起的地层变形与位移却很少考虑，也未引起工程界足够重视。地下连续墙成槽过程中，仅仅依靠槽段内的护壁泥浆来维持槽壁的稳定性并控制槽段外土体的变形，施工中槽壁失稳坍塌，引起墙体混凝土超方或结构尺寸超出允许界限的情况也较为常见。而从变形的角度来看，这种情况往往意味着槽段外土体的过大变形，甚至引起地面坍陷，当槽段距建筑物较近时，也可能会造成建筑物倾斜等不良后果。故在此类地区地下连续墙成槽前做好槽壁加固是十分必要的。
3）沉降监测
理论、经验和监测相结合是指导深基坑工程的设计和施工的正确途径，依靠现场监测可及时发现和预报险情的发生及险情的发展程度，为及时采取安全补救措施充当耳目，现场监测提供动态信息反馈来指导施工全过程，并可通过监测数据来了解基坑的设计强度，为今后降低风险系数提供设计依据。
由于居民小区房屋结构薄弱、地基基础条件差又紧邻深基坑，存在极大风险，建筑物沉降监测工作至关重要，应当贯穿施工的始终。建筑物沉降点布设在基坑施工影响范围内（从基坑边向外侧2~4倍基坑深度）上，高低悬殊或新旧建筑物连接处和不同埋深基础的两侧，根据建筑物的尺寸布设其余测点。基坑施工前，在车站西端120米基坑对应的三幢房屋均设置了沉降、倾斜监控量测点位，导墙施工前进行了初始值测量，地下连续墙施工全过程进行了监测。
4）对邻近建筑物安全风险分析及管理对策
在地下连续墙施工中该居民小区房屋虽然倾斜率仍在规范允许范围内，但沉降值已经过大，在随后的基坑开挖卸荷中，土体的初始平衡状态被打破，基坑周边土体应力发生重分布，从而引起周围地层的移动和变形，导致地面沉降和不均匀沉降、土体向基坑内侧变形，对周边环境造成不利影响。尤其是基坑开挖造成坑外的地层水平位移，往往是引起地下结构损坏的确定性因素，在现状条件下是难以确保房屋安全的，在基坑开挖变形无法良好控制的情况下，加固房屋从而提供自身的抵抗变形能力是较为合适的选择。现状条件下，地基竖向承载能力是满足要求的，而真正存在的风险是基坑开挖过程中，土体的水平位移和不均匀沉降的房屋的影响。
综合来看，居民小区房屋不仅距离地铁车站基坑很近，基坑施工对房屋的影响无法完全掌控，而且房屋地基基础条件差，上部结构抵抗变形的能力较差，在地下连续墙施工完成基坑尚未开挖的情况下，房屋沉降速率已远远超限，倾斜率接近规范允许临界值。若不采取适当的加固保护措施，势必难以保证在后续的基坑开挖过程中房屋的安全。
5）合理选择风险控制对策
由于邻近基坑的建筑所处影响区域、基础形式、结构形式等差别较大，坑外地层变形引起的建筑物附加变形的程度也是不尽相同的。对于天然地基建筑物，建筑物沉降与地表沉降直接相关，并且由于建筑物的超载使得地表沉降更加严重，对于短桩和中长桩桩基建筑物，受坑外地层变形影响，桩身侧摩阻力折减，甚至产生负摩阻力，建筑物沉降同样需要引起重视。当采用钢管静压桩桩基托换后，部分桩段处于无影响区域地层，可以大大减小建筑物沉降，甚至在地质条件允许的条件下桩端可进入基岩，完全解决建筑物竖向沉降的问题。
然而对于建筑物加固在基坑施工之前的情况，桩身受力状态与普通桩受力状态是不一样的，由于基坑挖土卸载，坑外土体会出现向坑内位移的趋势，使得桩身受到水平方向的荷载。根据桩顶刚度、桩长等因素，可将桩分为三种简化计算模型进行分析，分为悬臂梁模型、简支梁模型、一端简支一端固接梁模型和两端固接梁模型。
而从另一个角度来看，桩基托换加固后，因受基坑施工影响沿桩身一定范围内承受侧向压力，桩身轴线受该土压力的作用而偏离初始位置，成为阻挡桩周土体水平运动而产生侧向压力的被动桩，起到类似深基坑支挡桩、坡体抗滑桩、堤岸护桩的作用，对基坑变形控制十分有利。
四、结论
依托国内某城市地铁深基坑施工成功案例，完成了在深厚软土地区既有建筑物加固中的应用研究，根据长江低漫滩地区深厚软土环境下超大狭长型地铁深基坑施工的特性，顺利完成了超大型深基坑分步、分段开挖的安全施工，根据现场施工全过程的动态监测并提出变形控制技术与加固措施，有效控制了周边建筑物的沉降的倾斜，成功应用了超长钢管静压桩房屋加固技术，顺利解决了深厚软土地铁基坑施工变形控制难题，对地铁深基坑施工邻近建筑物的安全风险进行有效管控。
简言之，在地铁深基坑施工过程中，要对邻近建筑物与周围的环境做到有效的安全风险管控，降低风险系数。更要对周围的建筑物进行严格的动态监控，并采取相应可靠的技术措施和主动加固保护措施。在工程实践中应用先进的技术方案，才能减少对周边建筑物造成不利影响，也能很好的保证周边环境安全，这样才能高质量的推进国内地铁的和谐建设。
参考文献
[1] 侯学渊，杨敏.软土地基变形控制设计理论和工程实践[M].上海同济大学出版社，1996.
[2] 王卫东，李进军，徐中华.敏感环境条件下深基坑工程的设计方法[J].岩土工程学报，2008，30（S1）：349-354.
[3] Boscardin M D，Cording E J.Building Response To Excavation-Induced Settlement[J].Journal of Geotechnical Engineering，1989，115（1）：1-21.
[4] GB 50007-2011，建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.
[5] JGJ125-2016，危险房屋鉴定标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2016.
论文作者:王福众
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/13
标签：基坑论文; 建筑物论文; 建筑论文; 结构论文; 深基坑论文; 地铁论文; 工程论文; 《建筑学研究前沿》2018年第4期论文;