深淺式異形基坑開(kāi)挖工法比選與地表沉降特點(diǎn)研究

孫 毅，戴李春，齊 俊，陳軍鋒，孟 猛

(1.北京交通大學(xué)城市地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；2.貴州中交貴甕高速公路有限公司，甕安 550400；3.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088)

深淺式異形基坑開(kāi)挖工法比選與地表沉降特點(diǎn)研究

孫 毅1，戴李春2，齊 俊1，陳軍鋒3，孟 猛1

(1.北京交通大學(xué)城市地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；2.貴州中交貴甕高速公路有限公司，甕安 550400；3.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088)

目前關(guān)于深淺式異形基坑的開(kāi)挖并未形成專門的規(guī)范，針對(duì)此類工程的施工方法及其相應(yīng)的地表沉降特點(diǎn)仍不明確。為了解決這些問(wèn)題，研究以北京地鐵6號(hào)線車站基坑為背景展開(kāi)討論，研究利用有限差分軟件建立數(shù)值模型，對(duì)比常見(jiàn)開(kāi)挖工法的地表沉降控制能力，認(rèn)為先淺后深的方法在該工程的支護(hù)條件下最為有效。在此基礎(chǔ)上，研究進(jìn)一步分析先深后淺、先淺后深、同步開(kāi)挖3種工法在分步開(kāi)挖條件下的地表沉降特點(diǎn)，總結(jié)兩側(cè)地表最大沉降值的變化規(guī)律。

深淺式異形基坑；工法比選；地表沉降

1 概述

基坑工程在城市軌道交通工程的建設(shè)中占有重要地位，它的安全、綠色施工直接影響著整個(gè)工程的經(jīng)濟(jì)性及可持續(xù)性。但是，由于城市環(huán)境日趨復(fù)雜，城市工程施工對(duì)周圍環(huán)境影響的控制要求愈趨嚴(yán)格。這就對(duì)大型地上、地下建構(gòu)筑物的基坑工程提出了新的挑戰(zhàn)，主要影響因素包括超大規(guī)模、超深尺寸、幾何形狀不規(guī)則、空間狹小、周圍環(huán)境復(fù)雜等。深淺式異形基坑作為其中的典型受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注[1-2]。

基坑開(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致一定范圍內(nèi)地層變形，地層變形又會(huì)帶動(dòng)與之相接觸的各種建構(gòu)筑物的變形[3]，如果這種變形過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致基坑、建構(gòu)筑物發(fā)生事故，危及施工人員生命并造成財(cái)產(chǎn)損失[4-6]。而深淺式異形基坑周圍地層的位移場(chǎng)變化較普通基坑更為復(fù)雜[7-10]。為了更好地控制地層變形，降低施工對(duì)周圍環(huán)境影響，需進(jìn)一步對(duì)深淺式異形基坑的相關(guān)問(wèn)題展開(kāi)討論。采用有限差分軟件FLAC3D，比較了北京地鐵6號(hào)線南鑼鼓巷車站基坑的3種不同開(kāi)挖方案所造成的基坑兩側(cè)最大地表沉降，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了深淺式異形斷面基坑的變形特點(diǎn)，為類似基坑工程的設(shè)計(jì)、施工提供參考。

2 工程概況

2.1 基坑結(jié)構(gòu)形式

北京6號(hào)線南鑼鼓巷車站主體明挖基坑深28.85 m，長(zhǎng)160.6 m，寬12.5～27 m，外掛明挖基坑深14.1 m，最寬處寬約12 m；基坑里程范圍K10+961.529～K11+121.994(右線)。主體明挖基坑坑底主要位于卵石-圓礫⑦層、粉質(zhì)黏土⑧層， 支護(hù)形式采用φ1 000 mm鉆孔灌注樁+7道錨索，外掛一層附屬結(jié)構(gòu)；基坑坑底主要位于粉細(xì)砂④1層、卵石圓礫⑤層，支護(hù)形式采用φ1 000 mm鉆孔灌注樁+3道錨索。其具體結(jié)構(gòu)與形式見(jiàn)圖1。

圖1 南鑼鼓巷站支護(hù)結(jié)構(gòu)(單位：mm)

其外掛副基坑下方為6號(hào)與8號(hào)線的聯(lián)絡(luò)通道，該基坑的特點(diǎn)在于賦存形式獨(dú)特，基坑斷面為深淺結(jié)合的異形基坑，亦可以將其看作內(nèi)坑單側(cè)靠墻的非典型坑中坑工程。該基坑右側(cè)不單存在地下構(gòu)筑物，其周邊保護(hù)建筑物也較左側(cè)更為集中，因此地表變形要求控制十分嚴(yán)格。

2.2 工程地質(zhì)概況

根據(jù)《北京地鐵6號(hào)線一期01合同段南鑼鼓巷站巖土工程勘察報(bào)告》：本工程場(chǎng)地位于永定河沖洪扇中下部，整體地勢(shì)較為平坦。土層分布情況見(jiàn)圖1，各層土的主要物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 主要土層物理力學(xué)指標(biāo)

3 基于地表沉降量比較的工法比選

對(duì)于同步開(kāi)挖的異形基坑，不同的工法將對(duì)基坑周邊地表沉降及自身穩(wěn)定性將造成不同程度的影響，結(jié)合南鑼鼓巷站深淺基坑并存的實(shí)際情況，對(duì)“先深后淺”、“先淺后深”以及實(shí)際中采用的“同步放坡”方法進(jìn)行數(shù)值模擬，為3種開(kāi)挖方法所造成的基坑兩側(cè)地表沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)?？紤]到地鐵南鑼鼓巷站屬于長(zhǎng)大深基坑，為了保證計(jì)算精度、提高計(jì)算效率，可將其看作平面應(yīng)力問(wèn)題來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)化。模型主基坑深為30 m，寬度為25 m，副基坑緊貼主基坑開(kāi)挖，基坑深14 m寬度為10 m，開(kāi)挖完成后兩基坑中間無(wú)結(jié)構(gòu)或留土形成一個(gè)整體?；舆吘壘嗄Ｐ妥笥覂蛇吔缇鶠?0 m，所模擬的土層總厚度為100 m，設(shè)地面處高程為0 m。

為了保證3種工法的可比性，建立二維模型進(jìn)行開(kāi)挖模擬之前需先在基坑邊界打入3根樁，以模擬實(shí)際工程中的地下連續(xù)樁，樁長(zhǎng)為36.2 m其嵌固深度為8.2 m(插入比0.3)，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，樁身直徑為1 000 mm，模型選取pile結(jié)構(gòu)單元實(shí)現(xiàn)。開(kāi)挖過(guò)程根據(jù)工程實(shí)際情況分層進(jìn)行，開(kāi)挖深度依次為：3.8、4、4.5、3.5、3.5、3.5、4、3.2 m。此外，邊墻加固所用的錨索選取統(tǒng)一規(guī)格為：φ150 mm，錨固段長(zhǎng)度La=16 m，自由段長(zhǎng)度Lf=7 m的預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)強(qiáng)度為300 kN，預(yù)應(yīng)力為180 kN，打設(shè)角度為15°，使用cable結(jié)構(gòu)單元實(shí)現(xiàn)。以下各種工法都進(jìn)行了同樣的處理，后文不再贅述。

3.1 先深后淺法地表沉降結(jié)果

先深后淺的開(kāi)挖方法是先對(duì)主基坑進(jìn)行開(kāi)挖并在開(kāi)挖的過(guò)程中依次打入錨桿對(duì)基坑側(cè)壁進(jìn)行保護(hù)，在達(dá)到設(shè)計(jì)開(kāi)挖深度后對(duì)副基坑進(jìn)行開(kāi)挖。由于主副基坑無(wú)間隔，在副基坑的開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)拆除原先主基坑的部分錨索加固措施，同時(shí)在副基坑外側(cè)打入新錨桿進(jìn)行加固。具體模型如圖2所示。

該方法中基坑左側(cè)地表最大沉降值為17.9 mm，最大沉降值出現(xiàn)在距基坑左側(cè)18.8 m，沉降范圍約為42 m；基坑右側(cè)地表最大沉降值為21.6 mm，出現(xiàn)在距基坑右側(cè)16.8 m處，沉降范圍約為36 m。具體沉降情況如圖3所示。

圖2 先深后淺開(kāi)挖順序示意

圖3 先深后淺工法下基坑兩側(cè)地表沉降

3.2 先淺后深法地表沉降結(jié)果

先淺后深的開(kāi)挖方法是先對(duì)副基坑進(jìn)行開(kāi)挖并在開(kāi)挖的過(guò)程中依次打入錨桿，在達(dá)到設(shè)計(jì)開(kāi)挖深度后對(duì)主基坑進(jìn)行開(kāi)挖。在主基坑開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)拆除原先副基坑與主基坑相連部分的錨索加固措施，同時(shí)在主基坑一側(cè)打入錨索加固。具體模型如圖4所示。

圖5 先淺后深工法下基坑兩側(cè)地表沉降

圖4 先淺后深開(kāi)挖順序示意

該方法中基坑左側(cè)地表最大沉降值為16.7 mm，最大沉降值出現(xiàn)在距基坑左側(cè)18.8 m處，沉降范圍約為40 m；整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中基坑右側(cè)地表沉降較為均勻，最大沉降值則為14.3 mm，出現(xiàn)在距基坑右側(cè)16.8 m處，沉降范圍約為32 m。具體沉降情況如圖5所示。

3.3 同步開(kāi)挖法地表沉降結(jié)果

同步開(kāi)挖是指同時(shí)對(duì)主、副基坑進(jìn)行放坡開(kāi)挖并在開(kāi)挖的過(guò)程中依次打入錨桿。當(dāng)基坑開(kāi)挖至副基坑設(shè)計(jì)深度時(shí)，基坑開(kāi)挖斷面縮短至主基坑設(shè)計(jì)寬度繼續(xù)分層分步開(kāi)挖。具體模型如圖6所示。

該方法中基坑左側(cè)地表最大沉降值為19 mm，最大沉降值出現(xiàn)在距基坑左側(cè)16.8 m處，沉降范圍約為

圖6 同時(shí)開(kāi)挖開(kāi)挖順序示意

42 m；基坑右側(cè)地表最大沉降值則為15 mm，出現(xiàn)在距基坑右側(cè)16.8 m處，沉降范圍約為33 m。具體沉降情況如圖7所示。

3.4 工法比選

根據(jù)上面所描述的基坑開(kāi)挖變形結(jié)果，將各種開(kāi)挖方法所造成的最大沉降進(jìn)行比較，如表2所示。從基坑兩側(cè)地表的最大沉降值統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看：先淺后深的方法最優(yōu)、同步開(kāi)挖其次、先深后淺最差。

圖7 同步開(kāi)挖工法下基坑兩側(cè)地表沉降

部位先深后淺先淺后深同步開(kāi)挖基坑左側(cè)最大地表沉降/mm17.916.719.0基坑右側(cè)最大地表沉降/mm21.614.315.0

整體而言先淺后深的方法對(duì)基坑附近地表沉降的控制效果最好，原因在于副基坑尺寸相對(duì)較小而由錨索為主的支護(hù)體系可以很好地控制基坑變形，在對(duì)主基坑開(kāi)挖時(shí)相當(dāng)于所開(kāi)挖的地層已被加強(qiáng)。先深后淺的方法在主基坑開(kāi)挖后對(duì)副基坑進(jìn)行開(kāi)挖，相當(dāng)于在已有基坑的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)挖，地層穩(wěn)定性進(jìn)一步被削弱，因此沉降位移較大。

同步開(kāi)挖法對(duì)基坑變形的控制效果處于兩者中間稍弱于先淺后深法，但其開(kāi)挖面較大能夠保證工期。實(shí)際工程中，為了配合暗挖段隧道開(kāi)挖進(jìn)度近坑已經(jīng)被選為最終方案。此外也應(yīng)該注意到，南鑼鼓巷周邊保護(hù)建筑物較多，選取該方法也較好地控制了周圍地表沉降。

4 深淺式異形基坑地表沉降特點(diǎn)

基坑開(kāi)挖擾動(dòng)周圍土體，改變了其周邊原有地應(yīng)力的大小及分布，考慮到土體高度非線性的特點(diǎn)，應(yīng)力路徑必然對(duì)地層最終變形產(chǎn)生不同的影響[11]。在工程中則表現(xiàn)為：即使在相同的加固條件下，不同的基坑開(kāi)挖順序也將會(huì)產(chǎn)生不同的地層變形。其本質(zhì)原因在于巖土材料對(duì)于應(yīng)力路徑的敏感性較高[12]。中間的加固措施對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的傳遞起到了阻礙作用，反映在位移場(chǎng)上就是地表沉降不同。

3種工法所造成的地表沉降差異不僅在最終結(jié)果上，從各開(kāi)挖步來(lái)看也各具特點(diǎn)。

4.1 先深后淺法地表沉降特點(diǎn)

圖8展示了先深后淺的開(kāi)挖方法中地表最大沉降值隨開(kāi)挖步的變化過(guò)程?？梢钥闯觯?dāng)主基坑先開(kāi)挖時(shí)左側(cè)地表沉降的累計(jì)值要大于右側(cè)，從主基坑開(kāi)挖完畢(第8步)，即副基坑開(kāi)挖時(shí)右側(cè)沉降值開(kāi)始逐漸增大隨即超過(guò)左側(cè)。

圖8 先深后淺法地表最大沉降-開(kāi)挖步關(guān)系曲線

對(duì)于左側(cè)地表沉降而言，主基坑帶來(lái)的影響要明顯大于副基坑，這點(diǎn)曲線體現(xiàn)在斜率在第9步時(shí)變緩，其中主基坑開(kāi)挖累計(jì)帶來(lái)14.9 mm沉降，副基坑開(kāi)挖累計(jì)帶來(lái)3 mm沉降。

對(duì)于右側(cè)地表沉降而言，主基坑、副基坑都帶來(lái)了很大的影響，這主要是因?yàn)楦被与m然開(kāi)挖深度較小但卻與右側(cè)基坑毗鄰，而主基坑雖然遠(yuǎn)離右側(cè)但其開(kāi)挖深度、開(kāi)挖斷面寬度都很大，因此，整體而言關(guān)系曲線始終保持著上升的態(tài)勢(shì)。其中主基坑開(kāi)挖累計(jì)帶來(lái)13 mm沉降，副基坑開(kāi)挖累計(jì)帶來(lái)8 mm沉降。

4.2 先淺后深法地表沉降特點(diǎn)

圖9展示了先淺后深的開(kāi)挖方法中地表最大沉降值隨開(kāi)挖步的變化過(guò)程?？梢钥闯?，當(dāng)副基坑先開(kāi)挖時(shí)右側(cè)地表沉降的累計(jì)值明顯要大于左側(cè)，從副基坑開(kāi)挖完畢(第4步)即主基坑開(kāi)挖時(shí)左側(cè)沉降值開(kāi)始逐漸增大最終超過(guò)右側(cè)。

圖9 先淺后深法地表最大沉降-開(kāi)挖步關(guān)系曲線

對(duì)于左側(cè)地表沉降而言，主基坑帶來(lái)的影響稍大于副基坑，從關(guān)系曲線的增長(zhǎng)情況可以看出，副基坑開(kāi)挖時(shí)其沉降增長(zhǎng)緩慢且沉降值均小于左側(cè)，直到主基坑開(kāi)挖時(shí)才開(kāi)始加速增長(zhǎng)，并在最后兩步超過(guò)右側(cè)。其中，主基坑開(kāi)挖累計(jì)帶來(lái)11.5 mm沉降，副基坑開(kāi)挖累計(jì)帶來(lái)4.2 mm沉降。

對(duì)于右側(cè)地表沉降而言，副基坑開(kāi)挖時(shí)沉降值迅速增長(zhǎng)，但當(dāng)主基坑開(kāi)挖后(第5步)增長(zhǎng)速度減緩但持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。造成這一現(xiàn)象的主要原因是，主基坑開(kāi)挖步序多、開(kāi)挖深度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，其相應(yīng)的關(guān)系曲線在第5步出現(xiàn)拐點(diǎn)，逐步變緩也反映出這一特性。其中主基坑開(kāi)挖累計(jì)帶來(lái)6.1 mm沉降，副基坑開(kāi)挖累計(jì)帶來(lái)8.2 mm沉降。

4.3 同步開(kāi)挖法地表沉降特點(diǎn)

圖10展示了同步開(kāi)挖法中地表最大沉降值隨開(kāi)挖步的變化過(guò)程。需要指出的是，雖然同步開(kāi)挖的前半部分對(duì)于兩側(cè)地表來(lái)說(shuō)是完全對(duì)稱的，但圖10中兩側(cè)的最大地表沉降卻始終保持一定的差距未能一致。其原因主要是開(kāi)挖之前打入的右側(cè)圍護(hù)樁相對(duì)其左側(cè)而言要短的多(左側(cè)及中間的樁體長(zhǎng)度都是右側(cè)的2.56倍，相當(dāng)于在全斷面同步開(kāi)挖過(guò)程中位于右側(cè)的維護(hù)措施更弱。此外，與前兩種開(kāi)挖方法不同的是：為了保持開(kāi)挖深度一致便于比較，在數(shù)值模擬的過(guò)程中同步開(kāi)挖模型的開(kāi)挖步數(shù)只有8步。從圖10中可以看出，全斷面開(kāi)挖完畢(第4步)之前右側(cè)地表最大沉降值更大，當(dāng)主基坑的下半部分開(kāi)挖(第5步)時(shí)，左側(cè)地表最大沉降加速增大并最終超過(guò)右側(cè)。

圖10 同步開(kāi)挖法地表最大沉降-開(kāi)挖步關(guān)系曲線

對(duì)于左側(cè)地表沉降而言，上層基坑開(kāi)挖累計(jì)帶來(lái)9 mm沉降，下層基坑開(kāi)挖累計(jì)帶來(lái)10 mm沉降；對(duì)于右側(cè)地表沉降而言，上層基坑開(kāi)挖累計(jì)帶來(lái)8.3 mm沉降，下層基坑開(kāi)挖累計(jì)帶來(lái)6.7 mm沉降。

5 結(jié)語(yǔ)

目前針對(duì)深淺式異形基坑的開(kāi)挖，并未形成專門的規(guī)范，考慮到基坑斷面形式的多樣性確實(shí)很難對(duì)其開(kāi)挖、支護(hù)過(guò)程進(jìn)行定量的規(guī)定。但就開(kāi)挖而言常見(jiàn)的工法都可以歸結(jié)為上面的3種即：先深后淺、先淺后深、同步開(kāi)挖(變斷面)，其相應(yīng)的地表沉降規(guī)律對(duì)類似工程有很好的借鑒作用。從前文的研究不難看出：異形基坑工程必須結(jié)合工期、經(jīng)濟(jì)、支護(hù)方法、變形特點(diǎn)等因素因地制宜地選取開(kāi)挖方法，只有這樣才能保證高效、安全地完成工程任務(wù)。

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Excavation Methods Comparison and Ground Settlement Features of Deep-shallow Foundation Pit

SUN Yi1， DAI Li-chun2， QI Jun1， CHEN Jun-feng3， MENG Meng1

(1.Tunnel and Underground Engineering Research Center of Ministry of Education， Beijing Jiaotong University，Beijing 100044， China; 2.Zhong Jiao Gui Weng Expressway Company Limited， Weng’an 550400, China 3.China Communications Construction Company Highway Consultants Company Limited， Beijing 100088， China)

At present， there is no special specification for the excavation of deep-shallow special-shaped foundation pit， and the construction methods and surface settlement characteristics are defined. To solve these problems， this paper addresses the issue with based on the construction of Beijing Metro Line 6 station. The finite differential software is employed to establish a numerical model to compare the ability of common construction methods to control surface settlement. The results show that the method of “shallow to deep excavation” is most effective in the construction where supporting is provided. On this basis， further analyses are conducted to study surface settlement control with such three methods as “first deep then shallow， first shallow then deep， and synchronized excavation” and variation laws of the maximum surface settlement on both sides are derived.

deep-shallow foundation pit; comparison of construction methods; surface settlement

2014-12-17；

2015-01-04

優(yōu)秀博士研究生創(chuàng)新研究基金項(xiàng)目(2014YJS101)

孫 毅(1987—)，男，博士研究生，2010年畢業(yè)于西北農(nóng)林科技大學(xué)水利水電工程專業(yè)，E-mail：12115284@bjtu.edu.cn。

1004-2954(2015)09-0125-05

U455.45

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.09.028