随着我国西南地区经济的发展, 城市的空间需求量增大的问题日益突出。诸如贵州、昆明等以山地丘陵地形为主的省份, 城市用地紧张更是制约城市可持续发展和居民生活水平提高的主要因素。开发利用城市地下空间能够提高城市空间利用率, 对解决城市用地紧张和交通拥堵的问题具有积极作用^[1]。

在西南地区旧城区开发利用城市地下空间的过程中, 基坑开挖遇到了很多棘手的问题。由于城市施工场地的局限性, 基坑开挖没有足够的空间进行安全放坡。基坑开挖卸荷是一种土体应力释放重分布的过程, 不可避免地对周围土体产生扰动, 进而影响邻近建筑的稳定性^[2]。而且西南地区城市地表下不同深度范围内多分布着基岩, 如何安全高效的施工、减少对周围交通环境的影响亦是值得研究的方向之一。

本文以贵州某基坑施工为工程背景, 探讨了基坑开挖对紧邻建筑的沉降影响和静态爆破技术在紧邻既有建筑物岩质深基坑工程中的应用, 以对后期类似工程施工提供经验和借鉴。

该基坑大致呈线型, 全长约1km, 基坑宽度16~20 m, 深度为9.3~15.4 m, 为建设地下商业街而建。基坑两侧建有21栋8~15层的楼房, 建筑时间均在10年以上。3层以上为住宅, 3层以下为商业, 多为批发市场。根据地质勘察报告场地上覆土层主要由杂填土及红黏土组成, 从上到下为: (1) 杂填土由原道路回填填料组成, 主要为混凝土路面、块石、碎石夹黏土, 结构松散。钻探控制段厚度为0.6~5.7m。 (2) 红黏土残坡积成因, 结构致密~块状。根据钻探, 场地下伏主要为可塑状。钻探控制段厚度为0.8~3.0m。 (3) 基岩根据区域地质图结合现场踏勘及钻探显示, 场地下伏基岩为三叠系安顺组 (Ta) 薄~厚层白云岩、泥质白云岩及三叠系松子坎组一段 (Tsz1) 白云岩、泥质白云岩与泥页岩互层夹溶塌角砾岩, 底部为玻屑凝灰岩 (绿豆岩) 。该工程各土层的物理力学参数如表1所示。

基坑开挖如果支护不当会造成周边土体位移, 进而对周边建筑物造成一定影响, 严重的会诱发建筑产生裂纹甚至失稳破坏^[3], 因此研究基坑开挖对周边建筑物的位移影响以评价支护结构是否合理具有重要意义。

根据本工程的设计开挖深度以及对周边建筑物的影响, 综合考虑采用钻孔桩+外围900mm厚TRD止水帷幕+内支撑 (609钢管) 的围护方案。双层段钻孔桩位于土层部分采用1 000@950全套筒钻孔桩, 位于岩层部分采用800@950钻孔桩;单层段钻孔桩位于土层部分采用1 000@1 000全套筒钻孔桩, 位于岩层部分采用800@1 000钻孔桩, 护筒跟进至岩土分界面以下1m, 钻孔桩单层段嵌入基底2.5m (局部嵌入深度为6m) , 双层段嵌入基底3.5m;TRD止水帷幕落底至完整岩面以下1m;基坑深度为9.3m的设2道钢管支撑, 基坑深度为15.3 m的设3道钢管支撑, 第1道支撑设置冠梁处, 向下6.1m再设置1道;围护桩间挂网HPB300, 8@150 mm×150 mm, C30早强喷射混凝土。

为了分析基坑开挖对邻近建筑物的沉降位移影响, 选取基坑某段的开挖为对象根据实际情况建模。模型尺寸为185m×122m×30m (长×宽×高) , 地表土层由上至下分别以素填土、强风化岩和微风化岩建模, 厚度分别为4, 10, 16m。基坑宽20 m、深16 m, 位于两建筑物之间, 距离两建筑物各10 m。左建筑物共8层, 高24 m, 右建筑物共15层, 高45m。土体采用莫尔-库仑模型, 桩基础和支护结构采用弹性模型定义。建模概况如图1所示, 材料属性参数如表2所示。

为了模拟实际施工分层开挖及添加支护的工况, 本次数值模拟共设置4个施工步骤。

1) 第1步初始位移和应力。将各地层和楼房激活, 添加重力和边界条件。位移计算清零。

2) 第2步添加支护结构, 基坑向下开挖6 m, 钝化第1部分土体, 添加冠梁支撑。

3) 第3步基坑继续向下开挖6 m, 钝化基坑第2层土体, 添加第2部分支撑。

4) 第4步基坑开挖至设计标高, 钝化剩余部分开挖土体, 添加第3部分支撑。

分别提取基坑开挖第2步至第4步周边建筑物的竖向位移云图, 如图2所示。

根据图2可知基坑开挖对紧邻建筑靠近基坑一侧的部分影响较为明显, 竖向位移变形主要集中在靠近基坑一侧的10~15m区域内, 因此应对该部分区域加强监控量测。根据计算结果可知基坑开挖对右边建筑沉降影响较左边建筑物明显, 由此可判断基坑施工对高层建筑物的沉降影响更大。3次施工开挖造成右边建筑物的最大位移沉降累积值分别为2.34, 3.89, 4.03mm, 建筑物的沉降值较小, 说明该施工方案和支护方案是合理的。

分别提取基坑开挖第2步至第4步周边建筑物的水平位移云图如图3所示。

根据图3可知, 右侧建筑物的顶部水平位移较大, 3次开挖造成的水平位移累积分别为3.28, 4.92, 5.16 mm。右侧建筑物顶部水平位移较大是因为基坑开挖造成了建筑的不均匀沉降, 使建筑物发生一定程度的微小转角。由于右侧建筑物是高层建筑, 微小的转角会使建筑物顶部发生较大程度的水平位移。由此可得出结论, 紧邻既有建筑物基坑施工控制建筑物的不均匀沉降是关键。

分别选取模型中间部分基坑左右两侧地表节点作为沉降研究点进行地表沉降分析。基坑测点分布如图4所示。其中DB1~DB7是基坑右侧测点, DB8~DB14是基坑左侧测点, 测点沉降值和距基坑边缘距离如表3所示。地表沉降位移曲线如图5所示。根据图5可知, 地表距基坑边缘2~8 m范围内的土体不均匀沉降明显, 10~16m范围内土体沉降趋于平缓。

提取右侧建筑物两排柱底的沉降量如表4所示, 测点布置如图6所示。根据文献[4]提出的邻近建筑物深开挖建筑物的容许沉降量和差异沉降量, 跨度6m的独立基础容许总沉降量和差异沉降量分别为2.5cm和2.0cm。本工程右侧建筑物两排柱间距为7.5m, 由此可判断基坑开挖造成的建筑物不均匀沉降在容许范围内。

结合本工程的工程概况和环境条件, 确定了采用机械开挖地表下杂填土和各类黏土, 基岩表面强风化岩采用破碎锤破碎, 中风化岩采用静态破碎剂破碎, 辅以破碎锤破碎出渣的工法。

地表以下杂填土及各类黏土部分采用挖掘机在坑内按照“分层、分段、对称、平衡、限时”的原则开挖, 由中间段向两端同时施工。基坑自上而下采用整体后退式施工, 分层开挖高度约为2~3m, 坡度为1∶0.5。开挖至钢支撑位置以下1m处停止施工, 及时设置钢支撑后并按照要求施加预应力, 挂网喷混凝土后, 继续施工。施工工艺流程如下:场地清理、开挖至冠梁钢支撑底标高位置→冠梁及钢支撑施工→分层 (2m) 分段后退开挖→开挖至下道钢支撑以下1m处→安装下道钢支撑→分层开挖至基底。

由于破碎锤噪声较大, 施工时间和地段应该合理安排, 并提前告知附近居民。破碎锤施工要点如下。

1) 破碎施工应设置专人指挥, 挖掘机回转时严禁钎杆撞击钢支撑, 防止支撑发生失稳破坏。

2) 破碎锤启动必须压在要破碎的岩石上, 并保持一定的压力后锤击破碎。

3) 破碎锤应始终与破碎岩体表面保持垂直, 锤钎紧压要破碎岩体。破碎岩体后立即停止液压锤工作, 防止空打损害破碎锤寿命。

4) 破碎岩石施工应右边缘向里锤击岩石, 不宜在同一点连续锤击过久, 避免钎杆烧毁或液压油温度过高。

静态破碎剂是一种遇水产生高膨胀性的粉状颗粒物, 将其与水混合后填充在预先钻好的岩石孔中。随着破碎剂水化反应的进行, 破碎剂体积膨胀, 对孔壁产生一定程度的膨胀压力 (30~50MPa) 。当岩石受到的拉力大于其抗压强度时, 发生开裂、破碎, 达到破碎岩石的目的。

由于破碎剂水化反应较慢, 无激烈的化学反应, 因此能够平静无声无振动的破碎岩体, 适用于市区的破碎施工。

本工程采用HSCA-I型静态破碎剂。静态破碎剂施工工艺流程如图7所示。

1) 施工准备施工前需将场地清理干净并尽量保持平整。同时需要确定地质构造、岩石的抗压强度和抗拉强度、裂隙节理和地下水分布等。施工场地的温度和含水量同样会影响静态破碎剂的功能效果。

2) 设计布孔根据岩体的性质和工程需要设计破碎孔的分布。破碎孔孔径是决定破碎效率的重要因素之一, 一般孔径大小在40~60mm。孔径过小会影响破岩效率, 孔径过大则会发生喷孔现象。最小抵抗线根据岩石的形状、节理、破碎孔径等因素确定, 一般中硬质岩石的最小抵抗线为30~50 cm。根据岩石的破碎程度确定孔距, 一般中、硬岩石适用30~60cm的孔距^[5]。

根据本工程地质概况, 设计静态破碎孔分布如图8所示。一次静态破碎循环开挖进尺为3m, 分上下两台阶开挖, 分别开挖1.5m, 开挖深度为3m。孔径选择40mm, 孔深取开挖深度的1.05倍, 为1.6m。孔距选为50cm, 共设计6排破碎孔。

3) 测量放样根据设计的破碎孔分布进行严格的测量放样, 在岩质表面用红色油漆标注破碎孔位置, 指导后续工序钻孔。

4) 钻孔装药采用手持式钻凿按照测量放样在岩面上垂直钻孔。在钻孔完成后使用移动风压机进行清孔, 避免孔内有杂质堵塞装药影响破碎。清孔完成后需采用纱布等纺织物把孔口暂时堵上, 避免杂物及水流进入, 影响效果。装药需2名工人协同进行, 遵循“同步操作, 少拌勤装”的原则。将破碎剂同30%的水混合搅拌后, 迅速倒入孔内。每个破碎孔分3次装填, 每次装填50cm。每次装填后用尺寸合适的捅杆捣实压密。装药遵循“由外向里、由四周向中央”的原则, 一名工人负责装药, 另一名工人负责捣实。

5) 破岩清渣当岩石受到膨胀作用产生裂纹时, 应向裂缝加水促进水化反应的继续进行, 增强破碎效果。待到岩石整块开裂破碎后, 使用挖掘机进行辅助破碎, 并清理碎石。

6) 碎石清理完毕, 清理岩石表面, 尽量使之平坦, 进行下一循环的施工。

1) 药剂的反应快慢与温度和拌合水的用量具有很大关系。药剂反应过快易发生冲孔伤人事故, 可使用抑制剂延缓反应进行^[7]。夏季温度高时建议采用15℃以下凉水搅拌破碎剂, 或加入拌合水用量0.5%~6%的抑制剂^[6]。

2) 施工过程中工人需采取一定的保护措施防止受伤。装药和振捣的工人需戴防护手套和防护眼镜进行施工。

3) 装药过程中, 未装药的药剂发生冒气并伴随着温度快速上升现象时, 说明已经开始发生水化反应, 该部分药剂废弃使用。

1) 通过对本工程紧邻既有建筑物岩质深基坑开挖的数值模拟, 得出建筑物的沉降数据, 验证了支护方案的合理性。

2) 建筑物竖向位移变形主要集中在靠近基坑一侧的10~15m区域内, 因此应对该部分区域加强监控。两侧建筑物的不均匀沉降是导致建筑物产生水平位移的关键。控制紧邻既有建筑物在基坑施工过程中的不均匀沉降是施工重点。

3) 静态破碎剂具有无声无振动的特点, 且能以较高的效率破裂岩体。在紧邻既有建筑物岩质深基坑的施工中采用静态破碎剂破碎施工可以收到节约人力物力、避免扰民、对周围建 (构) 物影响小的效果, 值得借鉴与推广。