蓋挖逆作法深基坑施工對周邊建筑群的影響研究

費瑞振

摘 要：在城市繁華地區修建地鐵車站，可采用蓋挖逆作法。這樣做，可以減少施工對周邊環境和路面交通的影響。但是，基坑開挖過程中產生的加載和卸載作用會使周圍土體發生多次變形，進而引發建筑物沉降和傾斜。以天津地鐵4號線蓋挖逆作法施工的某地鐵車站基坑為研究對象，利用數值模擬的方法計算基坑開挖過程中周邊建筑群的沉降值和傾斜率，并探討了工程保護措施和監控量測設計，以期為蓋挖逆作基坑開挖誘發建筑物沉降和傾斜問題提供了數值計算案例和保護措施參考。

關鍵詞：蓋挖逆作法；地鐵車站；基坑開挖；建筑物沉降

中圖分類號：U231.3 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.03.006

1 工程概況

1.1 車站位置和工程規模

多倫道站為天津地鐵4號線和13號線換乘車站，位于和平路和福安大街交口，4號線沿和平路布置，13號線沿福安大街布置。福安大街交通流量比較大，和平路為商業步行街。4號、13號線通過換乘節點進行聯絡換乘。各子項工程分布情況如圖1所示。

4號線和13號線多倫道站分別為雙層三跨和三層三跨地下島式車站。4號線多倫道站分為站廳、站臺2層，4號線站廳與13號線站廳為一個整體，與13號線形成換乘節點。本工程共設3座風亭，8座出入口，其中，3座為預留出入口。4號線多倫道站的主體結構、換乘節點和1號風亭采用蓋挖逆作法施工，13號線車站的主體結構和其余附屬結構采用明挖法施工。本文主要研究4號線多倫道站蓋挖逆作區域的深基坑施工對周邊建筑群的影響。4號線車站主體標準段結構總寬20.9 m，結構高13.81 m，車站總長262.252 m；標準段基坑深約18 m，盾構井基坑深約20 m。13號線車站主體標準段結構總寬23.5 m，結構高22.14 m；換乘節點三層結構車站標準段基坑深約26.2 m，盾構井基坑深約28.1 m，換乘節點單層結構基坑深約11.2 m，出入口和風道基坑最深約11 m，蓋挖逆作區域車站頂板覆土厚約3.5～4.1 m。

1.2 工程地質及水文地質

1.2.1 工程地質

多倫道站基坑施工區域地表以下80.0 m范圍內的地基土屬于第四系全新統、上更新統和中更新統地層。地基各土層的物理力學指標如表1所示。

1.2.2 水文地質

對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 周邊建筑和環境風險

多倫道站位于天津市中心區域，車站周邊分布有5個大型商業，形成建筑群。面向東南方向，4號線多倫道站左側為沃爾瑪購物廣場、國美電器，右側為百盛百貨、萬達電影城、百安居，具體如圖2所示。

沃爾瑪購物廣場距4號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，距換乘節點單層基坑最近處約1.96 m，萬達影城距4號線車站最近處為3.10 m。多倫道站車站基坑開挖會對周邊建筑群產生不利影響，所以，有必要深入了解車站周邊的主要風險源信息，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，基礎為樁基，樁基長度為直徑為700 mm，樁長29.65 m；萬達影城地上2層，局部3層，基礎為筏片基礎+減沉樁，樁基長度為19.35 m。百盛百貨、萬達影城、百安居均有一層地下室并連通。百盛百貨地上結構距換乘節點單層結構基坑最近約1.96 m，距4號線多倫道站基坑最近約為5.5 m，萬達影城距4號線車站最近距離為3.1 m

2 控制標準

2.1 深基坑變形控制標準

根據多倫道站主體結構的基坑深度和周邊環境的特點，確定本基坑的變形控制保護等級為一級。其位移要求為：①地面最大沉降量小于等于0.1%H，每天發展小于2 mm，H為基坑開挖深度；②圍護結構最大水平位移小于等于0.14%H，且小于等于30 mm，每天發展小于2 mm，H為基坑開挖深度。

2.2 周邊建筑物控制變形標準

依據《城市軌道交通工程監測技術規范》《建筑地基基礎設計規范》《建筑基坑工程監測技術規范》等相關規范，確定沃爾瑪購物廣場、萬達電影城、百盛百貨等建筑物的變形控制標準，具體內容包括以下2點：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為相鄰基礎的中心距離。

3 數值計算

3.1 計算模型

3.1.1 模型范圍

為了減小邊界約束對計算結果的影響，各方向均取至圍護結構外側2～3倍基坑深度。多倫道站蓋挖逆作基坑的數值計算范圍如下：沿4號線多倫道站縱向取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：采用地質勘察報告的地質參數描述土層的物理力學特性，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，要模擬建筑物的地下室和樁基礎，利用施工步序模擬整個施工過程，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，地應力場按自重應力場考慮。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體單元模擬，用修正莫爾-庫倫準則定義；地下連續墻采用板單元模擬；基坑中柱采用梁單元模擬；柱下抗拔樁采用樁單元模擬；圍護結構腰梁、連系梁和混凝土內撐采用梁單元模擬；車站和周邊建筑物的樓板和側墻采用板單元模擬；梁、柱采用梁單元模擬；建筑物的減沉樁采用樁單元模擬。

3.2 計算參數

車站和建筑物的結構參數如表3所示。

3.3 施工過程

此次計算并未考慮到基坑分塊開挖，與實際情況相比屬更不利工況，基坑開挖的施工步驟如下：①施作地下連續墻和中間樁柱；②進行基坑開挖，向下開挖到結構頂板底，施作全部車站結構頂板；③回填覆土至路面標高；④向下開挖土體，開挖到負一層中板（底板）底，施作負一層結構中板（底板）；⑤向下開挖土體，開挖到4號線支撐底，施作混凝土臨時支撐；⑥向下開挖土體，開挖到負二層中板（底板）底，施作負二層結構中板（底板）；⑦向下開挖土體，開挖到13號線支撐底，施作混凝土臨時支撐；⑧向下開挖土體，開挖到負三層底板底，施作負三層結構底板。

3.4 計算結果

根據數值計算可知，建筑物的沉降和傾斜受到基坑開挖整個過程的影響并累積，在負三層底板施工完畢后建筑物基礎的沉降達到最大值。此時，建筑物基礎的豎向位移如圖5所示。

由圖5可知，右側沃爾瑪購物廣場和國美電器的共同基礎產生了不均勻沉降，基礎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，基礎沉降值越大。左側萬達電影城、百盛百貨和百安居共同基礎也產生了不均勻沉降，該基礎同時向車站基坑和換乘節點基坑傾斜。這是因為該基礎的2個長邊分別緊鄰地鐵車站基坑和換乘節點基坑，臨近基坑的百盛百貨建筑層數為8層，百安居和萬達電影城的建筑層數為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。這些原因造成基礎同時向車站基坑和換乘節點基坑傾斜，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等級為一級，地面最大沉降量為0.1%H，即36.70 mm。所以，4號線多倫道站車站和換乘節點基坑施工完畢后，基坑附近地面的最大沉降值滿足控制要求。3.4.2 沃爾瑪基礎的沉降值和傾斜率

車站負三層底板施工完畢后，沃爾瑪購物廣場和國美電器共同基礎的豎向位移云圖如圖7所示。以該基礎沉降最大位置且垂直于車站基坑的剖面為研究對象，該處的沉降曲線如圖8所示。

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

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

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，車站和換乘節點基坑施工完畢后，該共同基礎的沉降值和傾斜率均滿足控制要求。

3.4.3 萬達電影城基礎的沉降值和傾斜率

車站負三層底板施工完畢后，萬達電影城、百盛百貨和百安居共同基礎的豎向位移云圖如圖9所示。

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

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

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，車站和換乘節點的基坑施工完畢后，該共同基礎的沉降值和傾斜率均滿足控制要求。

4 保護措施和監控設計

在基坑開挖過程中，采用預警值、報警值和極限值三級控制，一般預警值為極限值的60%～65%，報警值為極限值的80%～85%.由多倫道站基坑開挖的數值計算結果可知，周邊建筑物的最大沉降值基本達到預警值范圍，有必要針對該基坑進行工程保護措施和監控量測設計等方面的探討。

4.1 工程保護措施

在施工時，具體的工程保護措施有以下幾點：①施工前，應由建設單位委托專業評估單位對多倫道站周邊臨近建筑物進行現狀評估，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。經建設單位和產權單位共同組織專家評審后，施工單位據此制訂專項施工方案，監理單位據此控制管理施工。②檢測地連墻的接縫止水效果，確保基坑整體封閉，減小降水對周邊環境的影響。③坑外設地下水位觀測井，在基坑開挖降水過程中加強對坑外水位的觀測。④結合周邊建筑物變形控制標準，施工時，遵循預警值、報警值和極限值三級控制。對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間距預埋袖閥注漿管。當監測到建筑物沉降速率加大時，應該及時注漿。

4.2 監控量測設計

4.2.1 監測項目

多倫道站基坑圍護結構與周圍環境的監測主要分為應力內力監測和變形監測。變形監測儀器主要采用經緯儀、水準儀和測斜儀等，應力監測儀器主要采用應變計、鋼筋計和壓力傳感器等。

監測項目包括以下主要內容：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。

監測數據應及時反饋給業主、設計、監理和施工單位，如果發現基坑工程有異常情況，應立即會同相關單位共同研究保護措施，防止工程事故的發生。

4.2.2 監測注意事項

基坑監測應以獲得定量數據的專門儀器監測為主，以現場目測檢查為輔。各監測項目在基坑支護施工前應測得穩定的初始值，且不少于2次。

每次監測工作結束后，要及時提交監測簡報和處理意見。量測數據需完整、可靠，對施工工況應有詳細描述，與時間有關的監測數據應編制時程曲線，形成監測日報、周報、月報等文字信息材料，及時報送業主、設計、監理和施工單位。

當多倫道站基坑變形超過設計預警值，或者場地條件發生較大變化時，應該加密觀測。有危險事故征兆時，應立即會同各方分析原因，及時采取有效的應對措施，加大監測頻率，密切了解危險事件的發展變化情況，以便業主及時作出相關決策。

5 結論

蓋挖逆作法基坑開挖深度比較大時，基坑周圍土體塑性區范圍比較大，土體的塑性流動也比較大，土體從圍護結構外側向基坑內部移動，導致基坑圍護結構后方地表產生三角形沉降槽，使得建筑物發生沉降和傾斜。

建立三維有限元模型對基坑開挖進行數值模擬，以便指導和優化地鐵車站圍護結構設計，為現場施工和建筑保護提供參考。這樣做，有利于在確保工程安全的前提下設計出經濟、合理的工程方案。

數值計算表明，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。由于數值計算結果基本達到預警值范圍，為了防止重大基坑事故的發生，應該研究工程保護措施，并進行監控量測設計，確保基坑施工過程中周邊建筑物的安全。

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〔編輯：白潔〕