復(fù)雜環(huán)境下蓋挖法施工過程中差異沉降控制研究

梁 榮

（中鐵十六局集團有限公司， 北京 100018）

0 引言

伴隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，城市化水平也在不斷地提高，既而出現(xiàn)了大規(guī)模城市地下空間的開發(fā)和利用。伴隨越來越多的地下工程建設(shè)，不可避免的出現(xiàn)部分工程周邊環(huán)境復(fù)雜，交通疏解困難。例如在地鐵建設(shè)過程中，隨著線網(wǎng)的加密，更多的車站周邊商業(yè)和住宅建筑物密集，施工場地狹窄，尤其是車站位于主要道路交叉口下方，同時需要考慮到交通、商業(yè)和金融活動的順暢，蓋挖法成了地鐵車站施工的首選工法。

蓋挖法先施作車站周邊地連墻和結(jié)構(gòu)中間樁、柱，然后將結(jié)構(gòu)頂板（梁、板結(jié)構(gòu)）置于地連墻和中間樁之上，自上而下完成土方開挖并施作邊墻、中隔板及底板等車站主體結(jié)構(gòu)的施工方法，相對于明挖法，施工荷載存在一個轉(zhuǎn)換的過程。轉(zhuǎn)換前的施工荷載（主要是頂板部分）由中間立柱、基礎(chǔ)樁和周邊地下連續(xù)墻入土部分的摩擦力來承擔(dān)。轉(zhuǎn)換后由主體結(jié)構(gòu)的邊墻、中隔板及底板承擔(dān)。由于地質(zhì)條件不同以及周邊環(huán)境情況的差異，中間樁和周邊地下連續(xù)墻自身的形式有很大差異，分擔(dān)荷載大小也不同。在土方開挖和結(jié)構(gòu)施工的過程中，由于“卸載”“加載”的反復(fù)變化，立柱易出現(xiàn)豎向下沉或上升，立柱之間、柱墻之間會出現(xiàn)差異沉降，導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重新分布，由此引起的附加內(nèi)力，將對車站結(jié)構(gòu)后續(xù)施工和使用帶來安全隱患。采取有效措施控制差異沉降，在復(fù)雜的周邊及水文地質(zhì)環(huán)境下進行的蓋挖法施工過程中十分必要。

因此, 本文以天津機場擴建配套交通中心工程施工為例, 研究在蓋挖逆作施工過程中中間樁、地連墻的沉降規(guī)律，分析對地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響及開展的相關(guān)控制措施研究。

1 工程概況和水文地質(zhì)條件

1.1 復(fù)雜的工程環(huán)境

天津機場擴建配套交通中心工程位于天津機場航站樓北側(cè)進出港廣場及其東側(cè)的空地下，是對既有大型復(fù)雜建筑的改造與功能提升，主要由地鐵 2號線機場站工程、地下停車場工程、換乘通道工程、T1航站樓連接通道工程以及和 T2航站樓連接的集散大廳等工程組成。

圖1 天津機場擴建配套交通中心工程平面位置圖

為降低對運營機場的影響，本工程采用蓋挖逆作法施工，確保施工過程中既有建筑的結(jié)構(gòu)安全。主體結(jié)構(gòu)基坑采用1.0m和1.2m厚地下連續(xù)墻圍護，墻深分別為30.2m～57m不等，單元標(biāo)準(zhǔn)幅寬為5m。中間支撐樁柱底板上部采用Φ1100mm、Φ1200mm鋼管混凝土永久柱和600×600mm的臨時格構(gòu)柱，樁長自底板以下長度為36～58m。臨時格構(gòu)柱下部為Φ1000mm鉆孔灌注樁，樁長為自底板以下長度為20米。頂板

圖2 橫剖面示意圖

1.2 獨特的水文地質(zhì)條件

本工程地基土范圍內(nèi)為第四紀松散沉積物，自上而下由飽和粘性土、粉土、砂土組成，具有成層分布、多層承壓水的特點。地層特點如下：

（1）淺部填土局部厚度較大，最厚處約5.3m。

（2）⑥2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層分布不連續(xù)，厚度不均勻，最厚處達5.2m。

（3）土質(zhì)不均勻，特別是⑥4層，局部砂性大。

圖3 施工場區(qū)地下土層分布示意圖

（4）土層中分布多層承壓含水層，⑧2為第一層承壓水；⑨2為第二層承壓水；（11）2、（11）4、（12）2、（13）1夾和（13）2為第三層承壓水；（14）2為第四層承壓水。

圖4 施工場區(qū)地下水分布示意圖

2 蓋挖逆作工法及控制標(biāo)準(zhǔn)

2.1 蓋挖逆作法工藝

作為一種成熟的工藝，蓋挖逆作法須先在地表面向下做基坑的圍護結(jié)構(gòu)和中間支撐樁柱，隨后即可開挖表層土體至主體結(jié)構(gòu)頂板地面標(biāo)高，利用未開挖的土體作為土模澆筑頂板。然后在頂板覆蓋下自上而下逐層開挖，并分層建造主體結(jié)構(gòu)直至底板。以本工程為例，開挖共分為4步。

圖5 蓋挖逆做法土體開挖分層示意圖

2.2 車站豎向支撐體系

支撐的架設(shè)是保證基坑開挖和主體結(jié)構(gòu)施工安全、控制基坑收斂和位移的有效措施。根據(jù)基坑地質(zhì)條件、基坑寬度、深度、周邊環(huán)境等因素分別設(shè)置相應(yīng)的支撐體系。本工程主體結(jié)構(gòu)為蓋挖逆作車站，僅在地下二層設(shè)置1道混凝土支撐，截面尺寸為1300×1100，周邊設(shè)1400×1200腰梁，支撐縱向設(shè)置1000×800聯(lián)系梁。

圖6 典型斷面處橫向支撐及立柱布置圖

2.3 蓋挖逆做法沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

豎向立柱的沉降應(yīng)滿足主體結(jié)構(gòu)的受力和變形要求。立柱的回彈不應(yīng)大于10mm，樁頂累計沉降量≤20mm；在主體結(jié)構(gòu)底板施工之前，中間樁間以及中間樁與圍護墻間差異沉降不大于10mm。

3 中間樁及地下連續(xù)墻的隆起與沉降機理分析

車站基坑尚未開挖時，墻及柱周摩阻力遠大于自身重量，所以墻、柱不發(fā)生任何沉降變形。

伴隨著基坑開挖，土體逐步卸荷，地連墻加大了對基坑內(nèi)土體的壓縮，出現(xiàn)了外側(cè)土體向坑內(nèi)移動、坑內(nèi)土體向上回彈的趨勢。支撐柱上部荷載逐步增加導(dǎo)致樁基沉降加劇。當(dāng)樁對下部土體產(chǎn)生向上的反作用力時，樁周與樁端土體垂直應(yīng)力減小、樁端土體應(yīng)力釋放而產(chǎn)生隆脹，樁也隨之上升。坑內(nèi)土體回彈帶動中間柱體上移，樁身上部承受向上的正摩阻力與樁身下部向下的負摩阻力不斷達到平衡。在整個開挖過程中，樁柱表現(xiàn)出時沉?xí)r隆的規(guī)律。由于墻一側(cè)土體挖除減小了磨阻力，地下墻主要表現(xiàn)為沉降。所以，在受力和平衡的復(fù)雜中，中間樁與地連墻分別表現(xiàn)出不同的隆沉過程。

3.1 中間樁之間沉降分析

按照上述隆沉原理分析，由于中間樁分擔(dān)荷載的不同，土質(zhì)以及每根樁施工質(zhì)量的差異，所處基坑內(nèi)位置不同，越靠近基坑中部抬升量越大。這些差異就造成了中間樁之間的沉降不同。

3.2 地連墻與中間樁之間沉降分析

地連墻和中間樁的沉降差異，主要在于地連墻自重大,同時地連墻可連成整體，自身剛度較大。而中間樁為單體抗浮，自身抗上浮能力較弱，并且間距均在9m左右，無法與車站結(jié)構(gòu)形成的共同剛度。車站結(jié)構(gòu)板的荷載分布不均勻，結(jié)構(gòu)的施工順序不同，階段性的荷載也不同，同樣造成結(jié)構(gòu)沉降差異。

4 中間樁和地下連續(xù)墻的沉降監(jiān)測分析

天津機場配套擴建工程基坑整體長度為746.36m，鑒于基坑較大，本次監(jiān)測已東側(cè)1～41軸范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)為參考。

4.1 中間樁、地連墻沉降點的布置

根據(jù)本基坑的特性，在地連墻頂部設(shè)置監(jiān)測點，沿地連墻頂每隔12～15m左右布設(shè)一個監(jiān)測點。監(jiān)測點布設(shè)在帽梁上，用鉆孔埋設(shè)膨脹螺栓把不銹鋼觀測點固定好后涂上紅油漆，以示點位。下圖為地連墻沉降觀測點。

圖7 地連墻沉降觀測點

在中間柱的頂部位置布設(shè)監(jiān)測點。用鉆孔埋設(shè)膨脹螺栓把觀測點固定好或與混凝土同時澆筑，于墻頂測點布設(shè)方法相同。之后涂上紅油漆，標(biāo)注點號，以示點位。蓋挖頂板上的沉降測點應(yīng)使測點與頂板內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋聯(lián)結(jié)起來，與混凝土澆筑為一體。

圖8 中間樁沉降觀測點

4.2 樁、墻沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在地下一層土方開挖過程中，立柱頂?shù)某跏甲冃伪憩F(xiàn)為下沉，隨著開挖深入，立柱發(fā)生隆起。地下一層土方開挖期間，中間樁監(jiān)測數(shù)據(jù)由隆起轉(zhuǎn)為沉降。地下一層結(jié)構(gòu)澆筑完畢后，中間柱的隆起、沉降位移都趨于穩(wěn)定，說明結(jié)構(gòu)施工后對沉降、隆起存在著明顯的抑制作用。

地下二層的土方開挖過程中，土體又開始卸載，中間樁柱在此出現(xiàn)上升，但隆起的變化量相對地下一層中較小。由于地下二層以上結(jié)構(gòu)均已完成，已完工結(jié)構(gòu)對立柱的豎向變形起到抑制作用。最終施工完成后，累計變形量35mm，超出設(shè)計要求的20mm，通過分析相鄰樁的沉降，控制在2～3mm范圍。車站結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

圖9 中間樁沉降變化

根據(jù)監(jiān)測報表，車站開挖時，地下連續(xù)墻出現(xiàn)為下沉狀況，到車站頂板施工完成后，沉降速率變小,結(jié)構(gòu)板完成后對地下連續(xù)墻的變形起到了抑制作用。

圖10 地連墻頂沉降變化

5 采取必要措施后差異沉降分析

5.1 強化支護體系控制中間樁之間的沉降變化

通過以上數(shù)據(jù)可以分析出兩相鄰中間樁的差異沉降量較小，從觀測開始到車站頂板施工完成，中間樁差異量在逐步增大，最大到1.3 mm。隨著車站的土方開挖，中間樁的差異沉降量變小，地下一層土方開挖完成后，開挖過程中的最小值 0.4 mm。說明支護體系已形成一體,有效地控制了差異沉降。

5.2 加快結(jié)構(gòu)底板施工控制地下連續(xù)墻與中間樁之間的差異沉降

由沉降原理與監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，在逆作法施工過程中地連墻與中間樁之間的沉降差異較大，須采取更為有力的措施加以控制。

以地下一層施工為例，施工中采取各種措施加快土方開挖，盡快生成底板澆筑條件。監(jiān)測顯示，土方開始開挖到地下一層板開始澆筑前這段時間內(nèi)，地下連續(xù)墻和中間立柱的差異沉降一直減小，LZ1和YDQ4的沉降差異減小到0.8 mm。底板澆筑前差異沉降量達到最大值，LZ1和YDQ4的差異沉降量達到8.0 mm。當(dāng)?shù)叵乱粚咏Y(jié)構(gòu)底板澆筑完后，差異沉降量又明顯減小，LZ2-2和 YDQ4的差異沉降量減小到9.7 mm。可見地下一層板的澆筑對差異沉降具有明顯的約束調(diào)節(jié)作用。

6 結(jié)論

在蓋挖法施工過程中，差異沉降是不可避免的，如何有效的控制差異沉降以保證蓋板的安全和主體結(jié)構(gòu)的永久的安全是我們研究的核心。通過本工程施工過程中的差異沉降分析得出如下幾個方面的結(jié)論：

（1）蓋挖基坑開挖過程中樁墻的最大位移和深度及時間的關(guān)系非常密切，基坑開挖到基底時，橫向位移仍在繼續(xù)增加，在開挖到底后的橫向位移增加量占總位移量的 30%～47%。在基坑開挖過程中，嚴格遵循時空效應(yīng)，加快施工進度，土方開挖完成后應(yīng)及時施作結(jié)構(gòu)板，防止中間樁柱之間的沉降差異過大，是控制基坑變形的關(guān)鍵手段之一。

（2）蓋挖逆作法快速施工情況下地下連續(xù)墻與中間樁之間的差異沉降量較小,除非受到集中荷載較大的情況，可能會引起局部差異沉降較大的情況，其余情況都能滿足規(guī)范要求。

（3）在基坑土方開挖完成后，中間樁的沉降差異還是比較大的。必須采取措施強化支護體系，使中間立柱變成一個整體，形成較大的剛度，能夠有效抑制之間的沉降變化，使差異沉降變小。