近年来, 已有很多学者对基坑开挖引起临近建筑物变形发展规律进行了总结^[1,2,3], 吴朝阳等^[4]结合实际工程监测结果发现, 随着基坑开挖深度增加, 周围建筑物沉降不断增大后逐渐稳定, 建筑物距离基坑距离越远, 受基坑开挖影响越小;张波等^[5]利用数值模拟方法很好地预测了临近基坑建筑物沉降, 并与实际工程进行了对比。但现有文献主要是对一般地质条件下基坑开挖引起的周围建筑物变形进行规律总结, 在变形机理上尚需更深入的探讨。

华南地区湿热多雨气候形成了独特的地质条件, 广泛分布着花岗岩残积土, 该类土属于特殊土的一种, 天然状态下具有高强度、高孔隙比和低密度、中低压缩性等特点, 粗颗粒含量多且级配不连续。本文结合深圳市某大型深基坑工程施工及监测实例, 分析在复杂工程水文地质条件和场地周边环境下, 临近深基坑建筑物发生沉降变形的原因。

深圳市某综合广场项目场地原为建筑房屋区, 经拆迁后成为工程用地, 拟建建筑包括3栋超高层框架-筒体结构建筑和裙房, 高层建筑高度分别为100m (28层) 、150m (35层) 和180m (43层) , 裙房为5～10层, 地下部分为3层地下室, 局部为2层和1层地下室, 基坑开挖深度约12m, 北侧和东侧局部开挖深度分别为4m和8m。基坑开挖周长约740m, 开挖面积约29 270m²。

如图1所示, 基坑北侧西段8m外紧邻1所学校, 包括3栋教学楼, 分别为A1、A2、A3, 东段3m外为1所幼儿园C和3栋6层住宅楼B1、B2、B3, 东侧距离某大厦D约10m, 西侧和南侧距离市政道路分别是30m和70m宽的绿化带, 北侧和东侧地下管线较多 (见表1) 。该基坑开挖深度较大, 跨雨季施工, 其开挖对北侧及东侧建筑物均有很大影响。

根据勘察结果, 拟建场地内分布主要地层自上而下为:譹) 人工填土层;譺) 第四系冲洪积层, 含有机质粉砂;譻) 第四系上更新统冲洪积层, 含黏性土中砂;譼) 第四系上更新统坡积层, 含砾黏土;譽) 第四系上更新统坡积层, 砾质粉质黏土;譾) 燕山晚期花岗岩, 全风化、强风化、中风化花岗岩。场区地质土体为典型花岗岩残积土, 工程地质性质较为特殊。

场地内地下水根据其赋存介质和埋藏条件不同, 主要分为2类:譹) 主要赋存于人工填土层及第四系各地层中, 测得钻孔地下水位埋深介于0.40～3.80m, 受大气降水影响, 水位变化因季节而异;譺) 下伏基岩中赋存基岩裂隙水, 主要赋存于燕山晚期花岗岩中, 其补给、径流及涌水量大小受地质构造及节理裂隙控制。

1) 地下水影响本场地基坑地层比较均匀, 南侧、东侧及北侧有3～6m厚的砂层, 透水性极好的砂层含水量较大, 流砂、管涌等现象将直接影响基坑稳定性, 须采取必要措施进行地下水处理, 确保基坑周边建筑物和基坑的安全。

2) 周边环境基坑北侧有学校、幼儿园及住宅楼等, 基坑东侧有1座商业大厦, 必须采取严格措施控制基坑变形, 尤其是北侧3m左右的住宅楼附近。

3) 考虑到基坑处于闹市区, 场地空间狭小, 主体施工及建筑材料堆放施工等因素, 基坑开挖线不能超过用地红线, 所以基坑必须直立开挖。

依据深圳市标准SJG 05—2011《深圳市基坑支护技术规范》表3.1.2规定, 本基坑支护工程安全等级按照一级考虑。

考虑基坑开挖深度不同, 故地下1层平台以上在用地红线内放坡, 采用土钉墙支护, 平台以下直立开挖, 采用1 200mm@2 800mm人工挖孔桩+预应力锚索方式进行支护, 基坑北侧和东侧支护桩间距为2 400mm。根据场地水文地质条件, 桩外侧采用单排搅拌桩形成止水帷幕进行止水。

考虑到工程地质土层含水量丰富、渗透系数大和开挖深度大等特点, 基坑降水采用深井井点降水, 并配用轻型井点降水开挖浅层土体, 加快施工进度。

按照动态化设计原则及信息化施工要求, 基坑施工过程中进行全过程跟踪监测, 及时发现出现的问题并采取相应措施处理。变形监测主要内容包括:基坑顶和支护桩的位移观测、周边建筑物和道路及重要管线的沉降、地下水位变化等。

图2为该工程基坑开挖周边8栋临近建筑物角点沉降及其附近水位变化。监测记录时间从基坑支护阶段一直到建筑地下室部分完成并进行基坑周边回填后的半年时间。2015年3月支护墙开始施工, 6月开始开挖, 2016年1月开始地下室底板浇筑, 至2016年5月, 建筑地下部分完成并进行基坑四周回填继续上部结构施工。

图中实线代表近邻基坑一侧 (建筑物南侧) 的监测结果, 虚线代表相对远离基坑一侧 (建筑物北侧) 的监测结果, 其中沉降值采用建筑4个边的角点沉降变化表示, 如图2a中A11和SW1分别表示建筑物A1第1个远临基坑一侧的角点沉降变化和近临基坑一侧水位变化。考虑本次监测结果显示基坑本身变形不大且均在警戒值范围、地下管线埋深较浅受影响较小等因素, 本次监测结果分析对象主要是沉降变形差异较大的临近建筑物。

表1后4列给出了所有建筑物近临和远临基坑每一侧的角点沉降最大值及相应每侧附近水位最低值。如图2a～2c所示, 建筑物A1, A2, A3均位于基坑北侧西段, 最大沉降分别为21.1、8.2、20.7mm, 均在变形控制值及JGJ 8—2016《建筑变形测量规范》规定范围以内, 最低水位值分别为-6.50, -4.70, -6.40m。可知建筑物A1和A3的沉降大小、附近水位变化基本相同, 而建筑物A2相对较小, 这可能主要由于它们距离基坑的距离不同, 建筑物A1和A3与基坑最近距离分别只有4.0m和5.0m, 基本接近, 而建筑物A2离基坑46.0m, 与彭志雄等^[6]距离基坑越远建筑物的沉降变形影响越小的结论一致。然而, 由于基坑北侧西段开挖深度只有3.6m左右, 支护桩顶水平位移变化较小平均只有5.0mm, 文献[4]、[7]给出基坑开挖至5m时周围地表最大沉降还不足5.0mm, 这与临近建筑物A1和A3发生沉降多达20mm并不一致, 结合地下水位变化趋势图, 分析其主要原因包括:譹) 支护阶段期间已发生近4mm沉降, 并且地下水位开始下降, 说明在支护墙施工阶段进行人工挖孔桩时, 施工周期长, 成孔释放了建筑地基部分应力及抽取了部分地下水;譺) 开挖期间采用深井井点降水过程中, 此时建筑物附近的地下水位也随之下降较快, 最低时达-6.50m, 与施工前地下水位平均值-2.70m相差近4m, 并且从其他水位变化图中也可发现, 基坑开挖期间均发生不同程度地下水位下降, 判断是支护墙止水帷幕存在渗水情况。因此, 造成此处临近建筑物出现较大沉降的主要原因是支护桩成孔卸荷释放地基土压力和地下水下降导致土层再固结, 这与田志强等^[7]发现随着基坑开挖深度增大引起建筑物沉降也不断增加的现象不符, 但这并不矛盾, 主要是因为各自产生沉降变形的诱因不同, 文献[7]主要是基坑支护墙水平位移不断增大所致。

图2d～2f分别为建筑物B1、B2和B3的角点沉降和水位变化图, 可以看出, 建筑物B2和B3相对距基坑较远, 分别有32.5m和62.0m, 已有研究发现距离基坑65m以外建筑基本不受基坑开挖变形影响^[8], 但实际监测显示建筑物B3也受到了一定影响, 开挖期间二者临近基坑一侧最低水位分别达-5.3m和-4.4m, 最大沉降有10.2mm和6.1mm, 说明地下水对临近建筑物的影响要比支护墙体变形更为深远。然而, 临近基坑距离只有3.5m建筑物B1的角点B13发生42.8mm的沉降, 建筑墙体出现轻微开裂, 比前述建筑物最大沉降相比增加了一倍多, 而临近基坑支护墙体本身变形并没有增大。查阅基坑开挖期间施工日志发现, 在基坑施工过程中, 支护墙多处发生过流砂, 其中在建筑B1附近基坑先后出现过2次流砂, 导致基坑附近土体出现下陷, 结合工程地质土层可发现, 场地土体为花岗岩残积而成, 土层第2至第5层分别为:含有机质粉砂、含黏性土中砂、含砾黏土和砾质粉质黏土, 粗粒土含量较多, 渗透性强, 颗粒级配不连续, 一旦土体中形成渗流通道, 易形成流砂或流土现象。如图2d记录显示, 临近基坑建筑物B1的角点B13和B14在流砂的影响下沉降快速增大, 地下水位下降到-8.10m, 然后随着地基土体回填和土应力重分布逐渐趋于稳定达到最大值42.8mm。

紧邻建筑物B1的建筑物C临近基坑一侧距离基坑5.0m, 必然也受到流砂的影响, 但其对应的角点最大沉降仅为23.7mm, 与前述建筑物A1未受流砂影响而沉降最大值21.1mm相近, 同建筑物B1相比受影响较小。分析其主要原因, 该建筑物的基础为浅层筏板基础, 基础整体刚度大, 沉降变形影响较小, 而前述其他建筑物的基础为浅层条形基础, 更易受到土体变形影响, 不均匀沉降更为明显。

基坑东侧临近建筑物D为15层高楼, 虽然该建筑与基坑最近距离为10m, 地下水位下降到-6.00m, 但其建筑基础采用灌注桩基础, 上部荷载直接由桩基础传递到基岩, 地层土体变形对该建筑沉降变形影响甚微, 最大沉降仅有3.4mm, 如图2h所示。因此可看出, 建筑物的基础类型对基坑开挖的影响也不同, 基础埋深越深, 刚度越大, 抵抗沉降变形能力也越强。

另外, 从图2可明显看出, 近邻基坑一侧的沉降明显比远临基坑一侧大很多, 这可能主要是建筑物的纵墙与基坑平行的缘故, 已有研究结果证实这一现象。

1) 基坑支护桩成孔及降水对临近建筑物的沉降会产生一定影响, 特别是人工挖孔桩作为支护桩, 建议采用间隔时间和桩位的成桩方式, 减少对地基土体和地下水位的影响。

2) 基坑周围地下水下降比基坑本身变形对临近建筑物影响范围更深远, 本工程监测结果表明:62m以外建筑物存在一定的沉降变形。

3) 深圳地区广泛分布花岗岩残积土, 其含粗颗粒 (主要是砂粒) 较多且级配不连续, 对于该地区深基坑开挖要做好流砂或流土预防准备, 必要时可采取双层搅拌桩等方法止水。

4) 不同基础类型建筑物对基坑开挖引起的变形影响反应相差很大, 端承型桩基础建筑物沉降基本无影响, 浅层条形基础影响最大。

5) 只有在基坑支护墙体强度和止水性能二者同时满足要求时, 基坑施工才能顺利进行, 临近建筑物变形影响和损失最小。