蓋挖逆作法深基坑施工對(duì)周邊建筑群的影響研究

費(fèi)瑞振

摘 要：在城市繁華地區(qū)修建地鐵車站，可采用蓋挖逆作法。這樣做，可以減少施工對(duì)周邊環(huán)境和路面交通的影響。但是，基坑開挖過程中產(chǎn)生的加載和卸載作用會(huì)使周圍土體發(fā)生多次變形，進(jìn)而引發(fā)建筑物沉降和傾斜。以天津地鐵4號(hào)線蓋挖逆作法施工的某地鐵車站基坑為研究對(duì)象，利用數(shù)值模擬的方法計(jì)算基坑開挖過程中周邊建筑群的沉降值和傾斜率，并探討了工程保護(hù)措施和監(jiān)控量測(cè)設(shè)計(jì)，以期為蓋挖逆作基坑開挖誘發(fā)建筑物沉降和傾斜問題提供了數(shù)值計(jì)算案例和保護(hù)措施參考。

關(guān)鍵詞：蓋挖逆作法；地鐵車站；基坑開挖；建筑物沉降

中圖分類號(hào)：U231.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.03.006

1 工程概況

1.1 車站位置和工程規(guī)模

多倫道站為天津地鐵4號(hào)線和13號(hào)線換乘車站，位于和平路和福安大街交口，4號(hào)線沿和平路布置，13號(hào)線沿福安大街布置。福安大街交通流量比較大，和平路為商業(yè)步行街。4號(hào)、13號(hào)線通過換乘節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)換乘。各子項(xiàng)工程分布情況如圖1所示。

4號(hào)線和13號(hào)線多倫道站分別為雙層三跨和三層三跨地下島式車站。4號(hào)線多倫道站分為站廳、站臺(tái)2層，4號(hào)線站廳與13號(hào)線站廳為一個(gè)整體，與13號(hào)線形成換乘節(jié)點(diǎn)。本工程共設(shè)3座風(fēng)亭，8座出入口，其中，3座為預(yù)留出入口。4號(hào)線多倫道站的主體結(jié)構(gòu)、換乘節(jié)點(diǎn)和1號(hào)風(fēng)亭采用蓋挖逆作法施工，13號(hào)線車站的主體結(jié)構(gòu)和其余附屬結(jié)構(gòu)采用明挖法施工。本文主要研究4號(hào)線多倫道站蓋挖逆作區(qū)域的深基坑施工對(duì)周邊建筑群的影響。4號(hào)線車站主體標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)總寬20.9 m，結(jié)構(gòu)高13.81 m，車站總長262.252 m；標(biāo)準(zhǔn)段基坑深約18 m，盾構(gòu)井基坑深約20 m。13號(hào)線車站主體標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)總寬23.5 m，結(jié)構(gòu)高22.14 m；換乘節(jié)點(diǎn)三層結(jié)構(gòu)車站標(biāo)準(zhǔn)段基坑深約26.2 m，盾構(gòu)井基坑深約28.1 m，換乘節(jié)點(diǎn)單層結(jié)構(gòu)基坑深約11.2 m，出入口和風(fēng)道基坑最深約11 m，蓋挖逆作區(qū)域車站頂板覆土厚約3.5～4.1 m。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

1.2.1 工程地質(zhì)

多倫道站基坑施工區(qū)域地表以下80.0 m范圍內(nèi)的地基土屬于第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)和中更新統(tǒng)地層。地基各土層的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

1.2.2 水文地質(zhì)

對(duì)本工程有直接影響的淺層地下水主要有4層，其中，潛水層靜止水位埋深0.8～3.4 m，第一承壓含水層水頭埋深約4.9 m，第二承壓含水層水頭埋深約6.6 m，第三承壓含水層埋深約7.2 m。

1.3 周邊建筑和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

多倫道站位于天津市中心區(qū)域，車站周邊分布有5個(gè)大型商業(yè)，形成建筑群。面向東南方向，4號(hào)線多倫道站左側(cè)為沃爾瑪購物廣場(chǎng)、國美電器，右側(cè)為百盛百貨、萬達(dá)電影城、百安居，具體如圖2所示。

沃爾瑪購物廣場(chǎng)距4號(hào)線多倫道站基坑最近處約2.82 m，百盛百貨距車站基坑最近處約為5.50 m，距換乘節(jié)點(diǎn)單層基坑最近處約1.96 m，萬達(dá)影城距4號(hào)線車站最近處為3.10 m。多倫道站車站基坑開挖會(huì)對(duì)周邊建筑群產(chǎn)生不利影響，所以，有必要深入了解車站周邊的主要風(fēng)險(xiǎn)源信息，具體如表2所示。

百盛百貨地上8層，局部9層；百安居地上4層，局部5層，基礎(chǔ)為樁基，樁基長度為直徑為700 mm，樁長29.65 m；萬達(dá)影城地上2層，局部3層，基礎(chǔ)為筏片基礎(chǔ)+減沉樁，樁基長度為19.35 m。百盛百貨、萬達(dá)影城、百安居均有一層地下室并連通。百盛百貨地上結(jié)構(gòu)距換乘節(jié)點(diǎn)單層結(jié)構(gòu)基坑最近約1.96 m，距4號(hào)線多倫道站基坑最近約為5.5 m，萬達(dá)影城距4號(hào)線車站最近距離為3.1 m

2 控制標(biāo)準(zhǔn)

2.1 深基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)多倫道站主體結(jié)構(gòu)的基坑深度和周邊環(huán)境的特點(diǎn)，確定本基坑的變形控制保護(hù)等級(jí)為一級(jí)。其位移要求為：①地面最大沉降量小于等于0.1%H，每天發(fā)展小于2 mm，H為基坑開挖深度；②圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移小于等于0.14%H，且小于等于30 mm，每天發(fā)展小于2 mm，H為基坑開挖深度。

2.2 周邊建筑物控制變形標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范，確定沃爾瑪購物廣場(chǎng)、萬達(dá)電影城、百盛百貨等建筑物的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，具體內(nèi)容包括以下2點(diǎn)：①沉降控制值。沉降控制值為20 mm，變化速率控制值為2 mm/d。②傾斜控制值。差異沉降控制值為0.001 5L，L為相鄰基礎(chǔ)的中心距離。

3 數(shù)值計(jì)算

3.1 計(jì)算模型

3.1.1 模型范圍

為了減小邊界約束對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，各方向均取至圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)2～3倍基坑深度。多倫道站蓋挖逆作基坑的數(shù)值計(jì)算范圍如下：沿4號(hào)線多倫道站縱向取400 m，沿垂直多倫道站縱向取350 m，沿基坑深度方向取60 m。

3.1.2 模型假定

在建模過程中，考慮以下基本假定：采用地質(zhì)勘察報(bào)告的地質(zhì)參數(shù)描述土層的物理力學(xué)特性，按最不利的情況考慮，模擬基坑開挖過程中所加的混凝土支撐，并未模擬鋼支撐。同時(shí)，要模擬建筑物的地下室和樁基礎(chǔ)，利用施工步序模擬整個(gè)施工過程，考慮施工過程中的空間位移變化。

3.1.3 模型建立

采用MIDAS-GTS有限元軟件建立多倫道站車站、基坑、周邊建筑物和土體的有限元模型，地應(yīng)力場(chǎng)按自重應(yīng)力場(chǎng)考慮。采用位移邊界條件，土體模型頂面為自由邊界，底面為豎向位移約束，四周為法向位移約束。在此過程中，并未模擬建筑物地上部分，而是將每層建筑等效為20 kPa的面荷載加于基礎(chǔ)上。多倫道站基坑開挖模型如圖3、圖4所示。

3.1.4 模型單元

基坑周圍土體采用實(shí)體單元模擬，用修正莫爾-庫倫準(zhǔn)則定義；地下連續(xù)墻采用板單元模擬；基坑中柱采用梁?jiǎn)卧M；柱下抗拔樁采用樁單元模擬；圍護(hù)結(jié)構(gòu)腰梁、連系梁和混凝土內(nèi)撐采用梁?jiǎn)卧M；車站和周邊建筑物的樓板和側(cè)墻采用板單元模擬；梁、柱采用梁?jiǎn)卧M；建筑物的減沉樁采用樁單元模擬。

3.2 計(jì)算參數(shù)

車站和建筑物的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

3.3 施工過程

此次計(jì)算并未考慮到基坑分塊開挖，與實(shí)際情況相比屬更不利工況，基坑開挖的施工步驟如下：①施作地下連續(xù)墻和中間樁柱；②進(jìn)行基坑開挖，向下開挖到結(jié)構(gòu)頂板底，施作全部車站結(jié)構(gòu)頂板；③回填覆土至路面標(biāo)高；④向下開挖土體，開挖到負(fù)一層中板（底板）底，施作負(fù)一層結(jié)構(gòu)中板（底板）；⑤向下開挖土體，開挖到4號(hào)線支撐底，施作混凝土臨時(shí)支撐；⑥向下開挖土體，開挖到負(fù)二層中板（底板）底，施作負(fù)二層結(jié)構(gòu)中板（底板）；⑦向下開挖土體，開挖到13號(hào)線支撐底，施作混凝土臨時(shí)支撐；⑧向下開挖土體，開挖到負(fù)三層底板底，施作負(fù)三層結(jié)構(gòu)底板。

3.4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)數(shù)值計(jì)算可知，建筑物的沉降和傾斜受到基坑開挖整個(gè)過程的影響并累積，在負(fù)三層底板施工完畢后建筑物基礎(chǔ)的沉降達(dá)到最大值。此時(shí)，建筑物基礎(chǔ)的豎向位移如圖5所示。

由圖5可知，右側(cè)沃爾瑪購物廣場(chǎng)和國美電器的共同基礎(chǔ)產(chǎn)生了不均勻沉降，基礎(chǔ)到地鐵車站基坑距離相同，其沉降值基本一致，到地鐵車站基坑距離越小，基礎(chǔ)沉降值越大。左側(cè)萬達(dá)電影城、百盛百貨和百安居共同基礎(chǔ)也產(chǎn)生了不均勻沉降，該基礎(chǔ)同時(shí)向車站基坑和換乘節(jié)點(diǎn)基坑傾斜。這是因?yàn)樵摶A(chǔ)的2個(gè)長邊分別緊鄰地鐵車站基坑和換乘節(jié)點(diǎn)基坑，臨近基坑的百盛百貨建筑層數(shù)為8層，百安居和萬達(dá)電影城的建筑層數(shù)為4層和3層。由此可見，距離基坑越近、建筑物荷載越大，其沉降也越大。這些原因造成基礎(chǔ)同時(shí)向車站基坑和換乘節(jié)點(diǎn)基坑傾斜，并形成沉降槽。

3.4.1 基坑周圍地表沉降

以地表沉降最大處且垂直于車站基坑的剖面為研究對(duì)象，該處的沉降云圖如圖6所示。

由圖6可知，基坑附近地面的最大沉降值為16.32 mm，而本站基坑的變形控制保護(hù)等級(jí)為一級(jí)，地面最大沉降量為0.1%H，即36.70 mm。所以，4號(hào)線多倫道站車站和換乘節(jié)點(diǎn)基坑施工完畢后，基坑附近地面的最大沉降值滿足控制要求。3.4.2 沃爾瑪基礎(chǔ)的沉降值和傾斜率

車站負(fù)三層底板施工完畢后，沃爾瑪購物廣場(chǎng)和國美電器共同基礎(chǔ)的豎向位移云圖如圖7所示。以該基礎(chǔ)沉降最大位置且垂直于車站基坑的剖面為研究對(duì)象，該處的沉降曲線如圖8所示。

由圖7可知，基坑開挖完成后，沃爾瑪購物廣場(chǎng)和國美電器共同基礎(chǔ)發(fā)生沉降變形，距離車站基坑越近，基礎(chǔ)沉降值越大，在距離車站基坑最近處達(dá)到最大值，并形成三角形沉降槽。

從圖8沃爾瑪和國美電器共同基礎(chǔ)的沉降曲線中可以看出，該共同基礎(chǔ)的最大沉降值為9.64 mm，位于該基礎(chǔ)西南側(cè)且緊鄰車站基坑處；該共同基礎(chǔ)的最大傾斜率為（9.64-4.02）/（46 303-28 097）=0.31‰，位于該基礎(chǔ)西南側(cè)且距離車站基坑18 m范圍內(nèi)。

建筑物沉降控制值為20.0 mm，傾斜率控制值為1.50‰，9.64 mm<20.0 mm，0.31‰<1.50‰，所以，車站和換乘節(jié)點(diǎn)基坑施工完畢后，該共同基礎(chǔ)的沉降值和傾斜率均滿足控制要求。

3.4.3 萬達(dá)電影城基礎(chǔ)的沉降值和傾斜率

車站負(fù)三層底板施工完畢后，萬達(dá)電影城、百盛百貨和百安居共同基礎(chǔ)的豎向位移云圖如圖9所示。

以該基礎(chǔ)沉降最大位置且垂直于車站基坑的剖面為研究對(duì)象，該處的沉降曲線如圖10所示。

從圖10萬達(dá)電影城、百盛百貨和百安居共同基礎(chǔ)的沉降曲線中可以看出，該共同基礎(chǔ)的最大沉降值為11.42 mm，位于該基礎(chǔ)北端且緊鄰車站基坑和換乘節(jié)點(diǎn)基坑處。該共同基礎(chǔ)的最大傾斜率為（11.42-3.24）/（37 337-2 238）=0.23‰，位于該基礎(chǔ)東北側(cè)且距離車站基坑35 m的范圍內(nèi)。

建筑物沉降控制值為20.0 mm，傾斜率控制值為1.5‰，11.42 mm<20.0 mm，0.23‰<1.50‰，所以，車站和換乘節(jié)點(diǎn)的基坑施工完畢后，該共同基礎(chǔ)的沉降值和傾斜率均滿足控制要求。

4 保護(hù)措施和監(jiān)控設(shè)計(jì)

在基坑開挖過程中，采用預(yù)警值、報(bào)警值和極限值三級(jí)控制，一般預(yù)警值為極限值的60%～65%，報(bào)警值為極限值的80%～85%.由多倫道站基坑開挖的數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，周邊建筑物的最大沉降值基本達(dá)到預(yù)警值范圍，有必要針對(duì)該基坑進(jìn)行工程保護(hù)措施和監(jiān)控量測(cè)設(shè)計(jì)等方面的探討。

4.1 工程保護(hù)措施

在施工時(shí)，具體的工程保護(hù)措施有以下幾點(diǎn)：①施工前，應(yīng)由建設(shè)單位委托專業(yè)評(píng)估單位對(duì)多倫道站周邊臨近建筑物進(jìn)行現(xiàn)狀評(píng)估，給出房屋已存在變形、傾斜等信息，以及臨近建筑物可以承受的變形、傾斜等指標(biāo)。經(jīng)建設(shè)單位和產(chǎn)權(quán)單位共同組織專家評(píng)審后，施工單位據(jù)此制訂專項(xiàng)施工方案，監(jiān)理單位據(jù)此控制管理施工。②檢測(cè)地連墻的接縫止水效果，確?；诱w封閉，減小降水對(duì)周邊環(huán)境的影響。③坑外設(shè)地下水位觀測(cè)井，在基坑開挖降水過程中加強(qiáng)對(duì)坑外水位的觀測(cè)。④結(jié)合周邊建筑物變形控制標(biāo)準(zhǔn)，施工時(shí)，遵循預(yù)警值、報(bào)警值和極限值三級(jí)控制。對(duì)于建筑物的沉降值和傾斜率，可按月控制管理。⑤施工前，在多倫道站基坑與周邊近接重要建筑物之間，按1.5 m間距預(yù)埋袖閥注漿管。當(dāng)監(jiān)測(cè)到建筑物沉降速率加大時(shí)，應(yīng)該及時(shí)注漿。

4.2 監(jiān)控量測(cè)設(shè)計(jì)

4.2.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

多倫道站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與周圍環(huán)境的監(jiān)測(cè)主要分為應(yīng)力內(nèi)力監(jiān)測(cè)和變形監(jiān)測(cè)。變形監(jiān)測(cè)儀器主要采用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀和測(cè)斜儀等，應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀器主要采用應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)和壓力傳感器等。

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括以下主要內(nèi)容：地連墻墻頂水平和豎向位移、

墻身傾斜變形、地表沉降、墻外土壓力、土體分層沉降和水平位移、地下水位、墻體內(nèi)力、支撐軸力、坑底隆起、立柱隆沉、蓋挖逆作部位工程樁的豎向沉降和水平位移、鋼管柱軸力、地下管線變形和沉降、周圍建筑物的變形和沉降、基坑滲漏水情況等。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)反饋給業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理和施工單位，如果發(fā)現(xiàn)基坑工程有異常情況，應(yīng)立即會(huì)同相關(guān)單位共同研究保護(hù)措施，防止工程事故的發(fā)生。

4.2.2 監(jiān)測(cè)注意事項(xiàng)

基坑監(jiān)測(cè)應(yīng)以獲得定量數(shù)據(jù)的專門儀器監(jiān)測(cè)為主，以現(xiàn)場(chǎng)目測(cè)檢查為輔。各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目在基坑支護(hù)施工前應(yīng)測(cè)得穩(wěn)定的初始值，且不少于2次。

每次監(jiān)測(cè)工作結(jié)束后，要及時(shí)提交監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)報(bào)和處理意見。量測(cè)數(shù)據(jù)需完整、可靠，對(duì)施工工況應(yīng)有詳細(xì)描述，與時(shí)間有關(guān)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)編制時(shí)程曲線，形成監(jiān)測(cè)日?qǐng)?bào)、周報(bào)、月報(bào)等文字信息材料，及時(shí)報(bào)送業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理和施工單位。

當(dāng)多倫道站基坑變形超過設(shè)計(jì)預(yù)警值，或者場(chǎng)地條件發(fā)生較大變化時(shí)，應(yīng)該加密觀測(cè)。有危險(xiǎn)事故征兆時(shí)，應(yīng)立即會(huì)同各方分析原因，及時(shí)采取有效的應(yīng)對(duì)措施，加大監(jiān)測(cè)頻率，密切了解危險(xiǎn)事件的發(fā)展變化情況，以便業(yè)主及時(shí)作出相關(guān)決策。

5 結(jié)論

蓋挖逆作法基坑開挖深度比較大時(shí)，基坑周圍土體塑性區(qū)范圍比較大，土體的塑性流動(dòng)也比較大，土體從圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)向基坑內(nèi)部移動(dòng)，導(dǎo)致基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)后方地表產(chǎn)生三角形沉降槽，使得建筑物發(fā)生沉降和傾斜。

建立三維有限元模型對(duì)基坑開挖進(jìn)行數(shù)值模擬，以便指導(dǎo)和優(yōu)化地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為現(xiàn)場(chǎng)施工和建筑保護(hù)提供參考。這樣做，有利于在確保工程安全的前提下設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)、合理的工程方案。

數(shù)值計(jì)算表明，在多倫道站蓋挖逆作基坑施工過程中，周

邊建筑物的沉降值和傾斜率并未超過控制值。由于數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本達(dá)到預(yù)警值范圍，為了防止重大基坑事故的發(fā)生，應(yīng)該研究工程保護(hù)措施，并進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)設(shè)計(jì)，確?；邮┕み^程中周邊建筑物的安全。

參考文獻(xiàn)

[1]王洪德，馬云東，崔鐵軍.地鐵施工過程數(shù)值仿真及安全性分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[2]趙錫宏，徐至鈞.逆作法設(shè)計(jì)與施工[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[3]蘇潔，張頂立，高自友，等.蓋挖逆作法施工地鐵車站結(jié)構(gòu)變形及其控制[J].中國鐵道科學(xué)，2010（1）.

[4]王印.深基坑開挖對(duì)緊鄰地鐵車站影響的位移分析及施工保護(hù)措施研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2008.

[5]汪中衛(wèi)，劉國彬，王旭東，等.復(fù)雜環(huán)境下地鐵深基坑變形行為的實(shí)測(cè)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28（10）.

[6]翁其平.無錫火車站綜合交通樞紐超大面積基坑工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].土木工程學(xué)報(bào)，2015，48（7）.

〔編輯：白潔〕