蓋挖逆作法基坑開挖對(duì)地表沉降的影響及控制措施研究

賈振華，尚 超，張社榮，宋 冉，胡安奎

（1.中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041；2.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；3.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072）

蓋挖逆作法基坑開挖對(duì)地表沉降的影響及控制措施研究

賈振華1，尚 超2，3，張社榮2，3，宋 冉2，3，胡安奎2，3

（1.中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041；2.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；3.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072）

深圳地鐵七號(hào)線福民站工程采用蓋挖逆作法進(jìn)行基坑開挖，依托該工程研究新建福民車站施工對(duì)基坑周邊地表沉降的影響并提出控制地表沉降措施。采用ABAQUS有限元計(jì)算軟件對(duì)基坑開挖過程中周邊土體地表沉降變形進(jìn)行精細(xì)化數(shù)值模擬，結(jié)合施工過程中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料，總結(jié)采用蓋挖逆作法施工對(duì)地表沉降的影響規(guī)律，為施工過程中結(jié)構(gòu)變形發(fā)展預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)方案實(shí)時(shí)調(diào)整提供理論支撐。結(jié)果表明，在福民站基坑蓋挖逆作施工過程中，地表最大沉降值隨基坑開挖第一、二次卸、加載的進(jìn)行而增大，后隨第三、四次卸、加載的進(jìn)行逐步趨于穩(wěn)定。新建地鐵周邊土體地表變形較小，距離基坑從近到遠(yuǎn)，沉降值逐漸減小直至趨于零，數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的最大沉降值均在預(yù)警值10mm之內(nèi)，保證了周邊建筑物的安全性和穩(wěn)定性，驗(yàn)證了當(dāng)前設(shè)計(jì)方案的可行性。

蓋挖逆作法；地表沉降；數(shù)值模擬；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)；控制措施

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口膨脹和城市功能的拓展，地下工程方興未艾。在繁華的城市中心修建地下工程，采用開槽明挖施工法會(huì)長(zhǎng)時(shí)期干擾交通、影響市容環(huán)境，采用暗挖法施工會(huì)使得工期較長(zhǎng)、工程造價(jià)高、地層沉陷對(duì)相鄰建筑物安全性影響較大，相比而言采用蓋挖逆作法，可以有效地減少施工占地及對(duì)地面的干擾，大大縮短交通中斷時(shí)間，促進(jìn)城市中心區(qū)域建設(shè)與日常運(yùn)作的協(xié)調(diào)統(tǒng)一[1]。開挖地下巖土體會(huì)引起地表沉降和變形，當(dāng)?shù)乇沓两档揭欢ǔ潭?，?huì)影響周圍地面建筑物的安全和地下管線的正常使用[2]。

蓋挖逆作法最早在意大利米蘭得以首次應(yīng)用，目前已在美國(guó)、日本、德國(guó)、法國(guó)等國(guó)家廣泛應(yīng)用，取得較好的效果。我國(guó)于1955年在哈爾濱地下人防工程中提出應(yīng)用逆作法施工技術(shù)，一直到20世紀(jì)90年代，隨著我國(guó)高層建筑的發(fā)展與地鐵工程的大規(guī)模建設(shè)，地下工程逆作法的應(yīng)用逐漸在全國(guó)推廣開來[3]?；娱_挖對(duì)周邊土體位移以及地表沉降的影響是基坑周邊環(huán)境面臨的最主要問題，也是其他問題產(chǎn)生的最直接原因。自1969年P(guān)eck[4]通過數(shù)值分析揭示了基坑開挖與地表沉降的相關(guān)性以來，Attwell[5]、Bransby[6]和Bryson Lindsey Sebas?tian[7]等相繼對(duì)基坑開挖、擋土墻等對(duì)地表沉降的影響進(jìn)行了研究。隨著北京、上海、深圳等大城市地下工程施工的增多，國(guó)內(nèi)學(xué)者李進(jìn)軍[8]、王印[9]、閆周福[10]、李淑[11]及田鵬程[12]等也相繼對(duì)基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響進(jìn)行了研究，但基本都是通過對(duì)施工完成后周邊地表沉降的分析來研究基坑周邊土體的水平位移和豎向位移，而對(duì)基坑開挖過程中周邊地表沉降變化的研究較少。

由此可見，基坑工程對(duì)周圍環(huán)境的影響越來越成為人們關(guān)注和研究的課題，但是開挖引起地表沉降的分析大多數(shù)都是通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)來反映，工程技術(shù)的難點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)跨度大、工序轉(zhuǎn)換多、地層與結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換復(fù)雜、巖土體變形及結(jié)構(gòu)差異沉降控制難度大[13]，若能通過數(shù)值模擬對(duì)施工時(shí)期的地表沉降進(jìn)行預(yù)估并采取有效的控制措施，可以有效地預(yù)防基坑安全事故的發(fā)生。本文依托深圳地鐵七號(hào)線福民站施工工程，通過對(duì)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的總結(jié)和分析，對(duì)蓋挖逆作法基坑開挖過程對(duì)地表沉降的影響及控制措施進(jìn)行研究，為今后類似工程積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

深圳地鐵福民站是地鐵七號(hào)線的某換乘車站，位于福民路與金田路交叉口的東側(cè)。車站主體沿福民路呈東西走向，西接皇崗村站，東接皇崗口岸站，車站西端與既有四號(hào)線福民站T形換乘，車站東端設(shè)置盾構(gòu)接收井。所在地區(qū)地貌單元為海沖積平原，場(chǎng)地為現(xiàn)狀道路，地勢(shì)平坦，地面高程為4.96～5.30m。車站為地下車站，共有三層，分為地下一層（站廳層）、地下二層（設(shè)備層）、地下三層（站臺(tái)層），采用島式站臺(tái)的形式。

福民站具體布置及主體基坑與周邊建（構(gòu)）筑物的關(guān)系如圖1所示。其西側(cè)緊鄰地鐵四號(hào)線福民站，北側(cè)緊鄰知本大廈和皇褔裕苑，南側(cè)緊鄰褔民佳園和時(shí)代星居。基坑距離知本大廈基礎(chǔ)承臺(tái)最近距離為1.49m，距離知本大廈地下室外墻為2.09m，侵入建筑物紅線寬2.90m；基坑與福民佳園圍護(hù)結(jié)構(gòu)零距離，距離地下室外墻2.84m；基坑距離時(shí)代星居地下室外墻2.87m，距離時(shí)代星居建筑紅線0.81m；基坑距離皇福裕苑地下室外墻1.70m，侵入建筑物紅線寬7.20m；基坑距離四號(hào)線福民站圍護(hù)結(jié)構(gòu)3.01m。

圖1 福民站具體布置及主體基坑周邊環(huán)境示意圖

1.2 工程地質(zhì)狀況

深圳七號(hào)線福民站工程范圍內(nèi)上覆第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q4ml）、海積層（Q4m）、沖洪積層（Q4al+p）l、花崗巖殘積層（Qel），下伏燕山期花崗巖（γ53），主要地層巖性概述如下。圖2為簡(jiǎn)化后的六層土層示意圖。

（1）第四系全新統(tǒng)人工堆積素填土，海積淤泥質(zhì)黏土，沖洪積淤泥質(zhì)黏土、細(xì)砂、中砂，第四系上更新統(tǒng)淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、粗砂、礫砂、圓礫，花崗巖殘積礫質(zhì)黏性土；

（2）燕山期花崗巖：粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要成分為石英、長(zhǎng)石、云母，按風(fēng)化程度可分為全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖、中等風(fēng)化巖、微風(fēng)化巖；

（3）構(gòu)造巖：主要為斷層碎裂巖，本車站主要為中等風(fēng)化巖。

圖2 福民站土層示意圖

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

2.1 地表沉降變形控制指標(biāo)

在深圳地鐵新建七號(hào)線福民站施工過程中，地表沉降變形控制指標(biāo)見表1。

表1 地表沉降變形控制指標(biāo)

2.2 蓋挖逆作法施工工藝流程

蓋挖逆作法施工工藝為：首先沿建筑物地下室的周圍施工地下連續(xù)墻或其他支護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)在建筑物內(nèi)部的相關(guān)位置澆筑或打下中間支承樁、柱結(jié)構(gòu)，作為施工期間在底板封底之前承受其上部結(jié)構(gòu)自重和施工荷載的支撐；然后施工地面一層板梁結(jié)構(gòu)，作為地下連續(xù)墻的大剛度支撐；最后逐層向下開挖土方和澆筑各層地下板梁結(jié)構(gòu)，直至底板澆筑完成。

另外，由于地面一層的結(jié)構(gòu)已完成，為其上部結(jié)構(gòu)施工創(chuàng)造了條件，所以又可以同時(shí)向上逐層進(jìn)行地上結(jié)構(gòu)的施工。如此地面上、下同時(shí)施工，直至工程結(jié)束。

為了減小施工對(duì)周邊環(huán)境的影響以及確保施工過程的安全有序，深圳地鐵七號(hào)線福民站基坑開挖采用的方法為蓋挖逆作法。蓋挖逆作法施工流程如圖3所示。

2.3 地表測(cè)點(diǎn)分布

圖4所示為七號(hào)線福民站周邊土體測(cè)點(diǎn)分布。由于篇幅所限且部分測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)不全，新建車站基坑開挖時(shí)，在周邊建筑物（皇福裕苑、知本大廈、時(shí)代星居和福民佳園）的沉降測(cè)點(diǎn)中分別選取數(shù)據(jù)完整且位置典型的2～3個(gè)測(cè)點(diǎn)作為典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖3 蓋挖逆作法施工流程

圖4 基坑周邊地表測(cè)點(diǎn)分布

2.4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

圖5分別給出了自2012年12月七號(hào)線福民站開始施工至2014年11月澆筑混凝土永久柱期間，周邊建筑物（皇福裕苑、知本大廈、時(shí)代星居和福民佳園）的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖5 地表測(cè)點(diǎn)沉降時(shí)程曲線

由圖5可以看出：

（1）在七號(hào)線福民站基坑地下連續(xù)墻施工之前（2012年12月—2013年12月），周邊建筑（皇福裕苑、時(shí)代星居、知本大廈和福民佳園）豎向變形在-2～2mm之間波動(dòng)（負(fù)值表示沉降，正值表示回彈），說明該四幢建筑的豎向變形在基坑開挖前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）在2013年12月地下連續(xù)墻施工開始后，周邊各建筑物的測(cè)點(diǎn)均發(fā)生了輕微的瞬時(shí)回彈，之后緊接著開始沉降。這是由于基坑開挖初期的瞬間卸荷擾動(dòng)坑外土體，再加上之后施作臨時(shí)格構(gòu)柱和進(jìn)行基坑降水，以及坑內(nèi)施工伴隨著基坑內(nèi)結(jié)構(gòu)自重的增加和基坑外土體流變的發(fā)展，使基坑周邊建筑物沉降繼續(xù)發(fā)展。

（3）至2014年6月站廳層（負(fù)一層）開挖至底板，地表沉降達(dá)到最大，約為8mm。隨著設(shè)備層（負(fù)二層）和站臺(tái)層（負(fù)三層）的施工，周邊建筑的豎向變形逐漸回彈，但最終沉降值都小于0，最后在澆筑混凝土永久柱時(shí)趨于穩(wěn)定。

（4）整個(gè)基坑開挖過程中，周邊建筑物沉降變形小于預(yù)警值10mm，可認(rèn)為基坑開挖對(duì)周邊建筑物的擾動(dòng)不影響其穩(wěn)定性，可保證周邊建筑物的安全。圖中曲線出現(xiàn)短期較大起伏（6～8mm），分析其原因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)期間受基坑施工影響，原先的地表沉降測(cè)點(diǎn)受到一定程度的破壞或者迫于施工或交通等原因發(fā)生移動(dòng)，降低了監(jiān)測(cè)精度。

3 有限元計(jì)算數(shù)值模擬

3.1 主要土層物理力學(xué)參數(shù)

新建七號(hào)線福民站范圍內(nèi)土體力學(xué)參數(shù)根據(jù)《福民站初勘階段巖土一般物理力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)建議值表》取值，具體參數(shù)如表2所示。

表2 主要土層物理力學(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值計(jì)算模型及仿真方法

本文采用ABAQUS有限元計(jì)算軟件建立三維計(jì)算模型，對(duì)基坑開挖及施工過程中地表沉降變形進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬中假定工程條件及仿真方法如下：①地鐵車站場(chǎng)地地勢(shì)平坦，土體為理想各向同性彈塑性材料，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，土層之間的分界線設(shè)置為水平，且每層土的厚度均取其平均厚度[14]；②車站采用生死單元技術(shù)模擬施工中的土體開挖、臨時(shí)支護(hù)的拆除及永久支護(hù)施作過程，開挖施工階段土體分層逐步開挖并施作底板和梁結(jié)構(gòu)；③不考慮土體固結(jié)引起的長(zhǎng)期沉降；④不考慮土中地下水位的變化；⑤假定圍護(hù)墻體在各層土中的物理力學(xué)參數(shù)保持不變，墻體與周圍同一層土體之間的摩擦接觸系數(shù)不隨埋深變化，且對(duì)混凝土與巖土體之間設(shè)置接觸面進(jìn)行模擬。

有限元計(jì)算模型如圖6所示，沿新建七號(hào)線縱向長(zhǎng)448.0m，橫向延伸長(zhǎng)度為340.0m，高60.0m。模型共152 000個(gè)單元，169 919個(gè)節(jié)點(diǎn)。基坑分為覆土層 （4.5m）、站廳層 （4.9m）、設(shè)備層（6.3m）、站臺(tái)層（6.8m）。

圖6 三維數(shù)值幾何模型

3.3 蓋挖逆作法施工步模擬

蓋挖逆作法是多層地下結(jié)構(gòu)施工的有效方法，能有效地保護(hù)周邊環(huán)境。福民站蓋挖逆作法施工模擬過程分析步見表3。

表3 基坑開挖分析步

根據(jù)表3，可將新建七號(hào)線福民站基坑開挖主要施工步序全過程描述為四次卸載-加載過程：①第一次卸載-加載過程：覆土開挖，頂板、梁和格構(gòu)柱施作，覆土回填；②第二次卸載-加載過程：地下一層土體開挖，負(fù)一層（站廳層）底板、梁和側(cè)墻施作；③第三次卸載-加載過程：地下二層開挖，負(fù)二層（設(shè)備層）底板、梁和側(cè)墻施作；④第四次卸載-加載過程：地下三層開挖，負(fù)三層（站臺(tái)層）底板、側(cè)墻施作。

3.4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

圖7為數(shù)值模擬基坑開挖從開始施作至完成期間距基坑不同距離的地表測(cè)點(diǎn)的沉降變形曲線。不同測(cè)點(diǎn)距基坑的距離在圖7的圖例中已說明，如“Jc1-2（26m）”即“測(cè)點(diǎn)（距離）”。

圖7 地表測(cè)點(diǎn)沉降變形曲線

由圖7中的各曲線可知：

（1）第一次卸載-加載期間，開挖深度淺，各地表測(cè)點(diǎn)的變形微小，主要表現(xiàn)為1～2mm的沉降，隨著第一次卸載-加載的完成，開挖深度開始增大，對(duì)周邊土體的擾動(dòng)增大，從而地表測(cè)點(diǎn)的沉降開始增大。

（2）隨著時(shí)間的推移，開挖深度逐漸加大，經(jīng)過第二、三、四次的卸載-加載，地層累計(jì)沉降逐漸增大，但沉降速率逐漸減小，隨著內(nèi)部結(jié)構(gòu)的施工完成，基坑開挖對(duì)周邊土體的擾動(dòng)減小，變形逐漸趨于穩(wěn)定。

（3）隨著測(cè)點(diǎn)與基坑距離的增大，沉降值逐漸減小直至趨于0，表明距離基坑近的測(cè)點(diǎn)處的土體受擾動(dòng)較大，但沉降最大值在4mm以內(nèi)，所以變形較小，周邊建筑物不會(huì)受影響。

（4）基坑內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工完成時(shí)的最終地表沉降值小于施工期間產(chǎn)生的最大沉降值，差值為1mm左右，且距離基坑越近則差值越大。分析其原因是隨著基坑開挖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的施工完成，基坑內(nèi)部的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有較大剛度，有效地承擔(dān)了作用在其結(jié)構(gòu)上的土壓力，從而使基坑附近的地表沉降減小并逐漸趨于穩(wěn)定。

4 控制措施

基坑開挖必然會(huì)引起周邊土體的地表沉降。修建地鐵車站時(shí)的基坑開挖，多數(shù)是在市中心進(jìn)行，周邊都是既有建筑物，甚至臨近既有車站，所以對(duì)控制地表沉降要求更高。過大的地表沉降或嚴(yán)重的不均勻沉降會(huì)造成周邊既有結(jié)構(gòu)的破壞，危害很大，此時(shí)對(duì)于周邊地表沉降的控制顯得尤為重要。因此建議采取以下措施控制周邊地表沉降。

（1）施工初期，可以進(jìn)行坑外注漿支護(hù)，如施作旋噴樁或攪拌樁，此措施可以加強(qiáng)對(duì)周邊土體的約束，從而有效減小周邊地表沉降；在基坑開挖過程中，分層、分段開挖，并施作臨時(shí)或永久混凝土支撐，也可以有效抑制兩側(cè)土體向內(nèi)變形，從而減小周邊地表沉降。

（2）施工初期可以采取坑內(nèi)加固措施。特別是對(duì)于軟土地區(qū)，加固基坑坑底的被動(dòng)區(qū)土體可以有效減小基坑周邊土體位移。近年來，為了改善基坑內(nèi)側(cè)土體物理力學(xué)性質(zhì)，更多的是通過基坑坑內(nèi)加固土體的措施達(dá)到控制周邊土體位移的目的。

（3）施工中，每次卸載、加載時(shí)從基坑兩側(cè)向中間開挖，同時(shí)施作板梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。此措施相對(duì)于一次性開挖完一層土體的做法可以有效地減緩?fù)馏w向基坑內(nèi)部的擠壓，從而起到控制周邊地表沉降的作用，還能避免延誤工期，縮短基坑施工時(shí)間，減小基坑開挖對(duì)周邊地表沉降的影響。

5 結(jié)論

通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)深圳地鐵新建七號(hào)線福民站基坑周邊地表沉降進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論。

（1）深圳地鐵新建七號(hào)線福民站基坑開挖的數(shù)值模擬結(jié)果顯示，新建地鐵周邊土體地表變形較小，均在預(yù)警值之內(nèi)，證明采用蓋挖逆作法基坑開挖可以有效控制周邊土體地表沉降。

（2）地表最大沉降值隨基坑開挖第一、二次卸載-加載的進(jìn)行而增大，然后隨第三、四次卸載-加載的進(jìn)行，地表沉降產(chǎn)生較小回彈并逐漸趨于穩(wěn)定（因?yàn)殡S著施工的完成，基坑結(jié)構(gòu)具有了較大的剛性），使地表沉降產(chǎn)生1mm以內(nèi)回彈并逐漸趨于穩(wěn)定。

（3）基坑變形具有明顯的時(shí)空效應(yīng)：各測(cè)點(diǎn)的沉降速率隨著時(shí)間的推移及開挖深度的增大而逐漸增大，但隨著基坑內(nèi)部結(jié)構(gòu)施作的完成，變形逐漸趨于穩(wěn)定。距離基坑從近到遠(yuǎn)，沉降值逐漸減小直至趨于0。距離基坑近的測(cè)點(diǎn)處的土體受擾動(dòng)較大，但沉降最大值在4mm以內(nèi)，距離基坑50m左右的測(cè)點(diǎn)其沉降值趨于0。

（4）從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，蓋挖逆作法基坑開挖全過程對(duì)周邊地表沉降的影響較小，在覆土層及站廳層開挖時(shí)沉降速率最大，直到站廳層開挖至底板產(chǎn)生最大沉降值8mm，仍小于預(yù)警值10mm，說明施工方案可行。

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Influence of Excavation with CCTDM on Ground Surface Settlement and Control Measures

JIA Zheng-hua1,SHANG Chao2,3,ZHANG She-rong2,3,SONG Ran2,3,HU An-kui2,3
(1.SINOHYDRO Bureau 14 Co.,Ltd.,Kunming 650041,China;2.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 3.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Based on the project of the Shenzhen Metro Line 7 Fumin Station which adopted Cut under Cover Top-Down Method(hereafter termed CCTDM)to excavate foundation ditch,the influence of ground surface settlement by newly built subway station with CCTDM was analyzed,and control mea?sures were proposed.The settlement and deformation of ground surface around the foundation ditch were numerically simulated by 3D finite element analysis through ABAQUS software during the excavation, and the regularity of the influence of CCTDM on the settlement of ground surface was summed up,which could supply theoretical support for the forecast of structural distortion and the real-time adjustment of design scheme during the construction.During the process of Fumin Station excavation with CCTDM,the maximum value of ground surface settlement increased with the first and the second unloading and loading of foundation ditch excavation,then stabilized gradually along with the third and the fourth un?loading and loading.The results showed that:the distortion of ground surface around the newly built sub?way was not great;the settlement of ground surface decreased and tended to zero from near to far;the maximum value of ground settlement by numerical simulation and field monitoring were both with 10mm which was the early warning value.The security and stability of surrounding buildings were ensured,and the feasibility of the design was verified.

Cut under Cover Top-Down Method;ground surface settlement;numerical simulation; field monitoring;control measure

U455.4

：A

：2095-9931（2015）05-0068-07

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.05.010

2015-06-18

國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金項(xiàng)目（51321065）

賈振華（1972—），男，河南鄲城人，高級(jí)工程師，從事地鐵施工、設(shè)計(jì)工作。E-mail:3022618186@qq.com。