王 玥

(中鐵隧道集團(tuán)技術(shù)中心，河南洛陽(yáng) 471009)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，交通流量越來(lái)越大，交通方式也越來(lái)越多，于是大規(guī)模的立體復(fù)合式交通樞紐工程應(yīng)運(yùn)而生。由于其匯集的交通線路和交通方式繁多，將給城市地區(qū)施工帶來(lái)更多的困難和挑戰(zhàn)，尤其是基坑的施工(開(kāi)挖和降水)造成周邊地層沉降是目前最直接和顯著的不良影響，施工控制難度大，風(fēng)險(xiǎn)高，迫切需要對(duì)其沉降機(jī)制和特征進(jìn)行研究分析。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于基坑施工引起的地層沉降的研究多集中在地表沉降，最有影響的是1969年P(guān)eck通過(guò)工程實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)得出的一套與土性及開(kāi)挖深度有關(guān)的地表沉降估算方法［1］。此外，Attwell［2］探討了地下工程或基坑開(kāi)挖引起的地面沉降以及對(duì)地面建(構(gòu))筑物和地下管線的影響;Iame［3］定性分析了影響坑周土體變形的各種因素;Bransby等［4］研究了砂土地層中土與擋墻之間接觸面光滑程度及砂土性質(zhì)等對(duì)擋墻側(cè)移和坑周土體沉降的影響;魏汝龍［5］探討了基坑開(kāi)挖卸載與被動(dòng)土壓力的關(guān)系;潘秋元等［6］研究了基坑開(kāi)挖中應(yīng)力路徑對(duì)不排水強(qiáng)度的影響;孫均［7］研究了地下連續(xù)墻基坑開(kāi)挖對(duì)環(huán)境土工病害的預(yù)測(cè)與防治;陳觀勝等［8］結(jié)合工程實(shí)例探討了深基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)ㄖ锏挠绊憜?wèn)題及其保護(hù)措施;鄒明［9］探討了基坑開(kāi)挖引起的環(huán)境問(wèn)題及產(chǎn)生原因，包括地下水和支護(hù)結(jié)構(gòu)方面的影響;李勇［10］針對(duì)基坑開(kāi)挖對(duì)緊鄰既有建(構(gòu))筑物地基承載力的影響作了探討及計(jì)算。

以上這些研究多集中于開(kāi)挖施工和支護(hù)手段，而忽略了降水施工，并且以經(jīng)驗(yàn)的分析和總結(jié)居多。基坑降水從大的方面可以分為基坑外降水和基坑內(nèi)降水［11］。目前降水設(shè)計(jì)規(guī)范給出的公式大都是用于坑外降水設(shè)計(jì)的，而坑內(nèi)降水用的計(jì)算公式相當(dāng)復(fù)雜而不被工程人員設(shè)計(jì)時(shí)采用。因此，細(xì)致分析基坑施工各步驟，并綜合考慮支護(hù)方式，為控制周邊地層沉降提供適用的、廣泛的借鑒經(jīng)驗(yàn)十分有必要。

本文以天津站交通樞紐3標(biāo)段基坑工程為例，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并利用數(shù)值模擬，對(duì)基坑的降水和開(kāi)挖引發(fā)的地層沉降進(jìn)行分析，總結(jié)降水施工和開(kāi)挖施工各自引發(fā)沉降的不同特點(diǎn)，提出實(shí)際施工的優(yōu)化方案。

1 工程概況

天津站交通樞紐工程是集普速鐵路、京津城際高速鐵路、城市軌道交通、公交和周邊市政道路于一體的特大型綜合項(xiàng)目，建設(shè)資金80億元，集中在以鐵路天津站南(前)、北(后)廣場(chǎng)為核心，東至李公樓立交，北至新開(kāi)路，西至五經(jīng)路，南至海河?xùn)|路的范圍內(nèi)，規(guī)劃總占地面積為94.46 hm2。天津站交通樞紐總平面圖見(jiàn)圖1。

圖1 天津站交通樞紐總平面圖Fig.1 General plan of Tianjin Railway Station Terminal

本工程場(chǎng)地處于沖積平原，地形平坦，地面高程為1.72～3.41 m，現(xiàn)處于市區(qū)，多為公路及房屋建筑。場(chǎng)地屬穩(wěn)定場(chǎng)地，適宜地鐵建設(shè);但基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)土體主要為黏性土、填土、淤泥質(zhì)土、粉土及粉砂，土質(zhì)松軟，直立性差，場(chǎng)地內(nèi)存在軟弱地層，工程地質(zhì)條件較差。應(yīng)針對(duì)具體工程要求采取適宜的處理措施。

場(chǎng)區(qū)地層為第四系全新統(tǒng)人工填土層、第Ⅰ陸相層、第Ⅰ海相層、第Ⅱ陸相層、第Ⅲ陸相層、第Ⅱ海相層、第Ⅳ陸相層、第Ⅲ海相層、第Ⅴ陸相層和第Ⅳ海相層。

天津地下水受基底構(gòu)造、地層巖性和地形、地貌、氣象以及海進(jìn)、海退等綜合因素影響，水文地質(zhì)條件非常復(fù)雜。在自然條件下總的地下水補(bǔ)、徑、排特點(diǎn)是:在水平方向上，淺層水和深層水由北向南形成補(bǔ)給;在垂直方向上，下伏含水巖組接受上覆含水巖組的滲透補(bǔ)給。

場(chǎng)地地下水包括淺層第四系孔隙潛水、賦存于－15.00～－75.00 m的粉土和砂土層中淺層微承壓水和－75.00 m以下的深層承壓水。

2 數(shù)值模擬方案及結(jié)果分析

2.1 基本模型的選取與建立

本段線路位于市中心，地面道路交通繁忙，地下管線管道較多，場(chǎng)地周?chē)扔薪ㄖ锘A(chǔ)密集，從北起順時(shí)針依次為城市之光小區(qū)、美震寫(xiě)字樓、裕陽(yáng)家園小區(qū)、惠森家園小區(qū)、網(wǎng)通分局和匯和家園小區(qū)，其對(duì)施工場(chǎng)地的安排和施工方案的選擇都有較大的影響。建筑分布總圖見(jiàn)圖2。

圖2 建筑分布總圖Fig.2 Distribution of buildings

本數(shù)值模擬以3標(biāo)段基坑工程及鄰近的裕陽(yáng)17棟為基本模型。選取的理由為:1)具備完整的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從基坑開(kāi)挖前至完工都有真實(shí)詳盡的數(shù)據(jù);2)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的響應(yīng)變化較理想，隨各步施工的進(jìn)行有相應(yīng)變化;3)受工況的影響較單一，不用考慮多個(gè)工作面甚至多個(gè)標(biāo)段施工的綜合影響，減小模型體積，降低運(yùn)算量。

由圖2可知:3標(biāo)段及其北側(cè)2棟居民樓為近似平行條形分布，因滲流計(jì)算量十分巨大，對(duì)其簡(jiǎn)化，選取南北方向切片區(qū)域建立模型，切片長(zhǎng)度從基坑中心線向北共101.5 m。由于該條形基坑的內(nèi)支撐間距為5 m，由此確定該切片厚度為5 m。模型地層深度取76 m。整個(gè)模型共2 784個(gè)單元，4 116個(gè)節(jié)點(diǎn)。本模型采用摩爾－庫(kù)倫模型和滲流計(jì)算模式，基本模型圖見(jiàn)圖3。材料物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

圖3 基本模型圖Fig.3 Model

表1 各土層物理參數(shù)表Table 1 Physical parameters of different strata

表2 其他構(gòu)筑物物理參數(shù)Table 2 Physical parameters of other structures

由于采用水土耦合計(jì)算模式，其邊界條件分述如下:

1)固體邊界條件。模型底端固結(jié)，限制X，Y，Z方向位移，X方向側(cè)面鉸接，在2個(gè)端面限制X方向的位移;同理，Y方向側(cè)面鉸接，在2個(gè)端面限制Y方向位移。

2)流體邊界條件。在－3m深度定義潛水面，固定孔隙水壓力為零;在模型底部固定孔隙水壓力為0.6 MPa;四周封閉，不設(shè)置孔隙水壓力;之后進(jìn)行滲流計(jì)算，生成初始孔隙水壓力場(chǎng)以后，固定遠(yuǎn)端面孔隙水壓力。

2.2 初步模擬試驗(yàn)

在建立了基本模型之后，首先進(jìn)行了3項(xiàng)數(shù)值模擬試驗(yàn)，分別為無(wú)隔水結(jié)構(gòu)(地連墻)的地層降水試驗(yàn)、有隔水結(jié)構(gòu)(地連墻)的地層降水試驗(yàn)和單純開(kāi)挖試驗(yàn)(無(wú)滲流計(jì)算)。其中，降水和開(kāi)挖都參照實(shí)際施工的工序和深度分步進(jìn)行，每進(jìn)行一步模擬(降水或開(kāi)挖)都依次進(jìn)行流體模型平衡計(jì)算和固體模型平衡計(jì)算。降水分 6 步進(jìn)行，深度依次為 5，10，15，20，23，28 m。開(kāi)挖步驟具體見(jiàn)表3。

表3 開(kāi)挖步驟Table 3 Excavation processes

本試驗(yàn)為研究比較基坑降水和開(kāi)挖分別對(duì)周邊地層沉降造成的影響，從而為后文工程實(shí)例固流耦合分析提供對(duì)比參考依據(jù)。部分結(jié)果如圖4和圖5所示。

將上述降水試驗(yàn)(含有地連墻和無(wú)地連墻2套方案)和開(kāi)挖試驗(yàn)的結(jié)果綜合比較，結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 數(shù)值模擬試驗(yàn)平均沉降比較曲線圖Fig.6 Average settlement obtained by numerical simulations

圖7 數(shù)值模擬試驗(yàn)差異沉降比較曲線圖Fig.7 Differential settlement obtained by numerical simulations

由圖6和圖7可知:1)在影響建筑整體(平均)沉降的因素中，降水施工處于決定地位，隨著降水深度和開(kāi)挖深度的增加，建筑沉降增加;在影響建筑差異沉降(建筑傾斜)的因素中，開(kāi)挖施工和降水施工都對(duì)其有影響，但隨降水深度的變化，差異沉降變化不大，而隨著開(kāi)挖深度的增加，差異沉降將明顯增大。2)在小于5 m深度施工時(shí)(包括降水和開(kāi)挖)，降水對(duì)周邊環(huán)境變形影響居主導(dǎo)地位，開(kāi)挖施工造成的平均沉降較小。3)在5～15 m深度施工時(shí)，周邊的平均沉降有一定增加，但開(kāi)挖造成的差異沉降開(kāi)始大于降水的影響。由于實(shí)際施工中多少存在圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲水以及架設(shè)支撐滯后的情況，所以認(rèn)為降水和開(kāi)挖對(duì)周邊建筑差異沉降(傾斜)的影響是近似相等的。4)在大于15 m深度施工時(shí)，無(wú)論是受降水施工還是開(kāi)挖施工影響，周邊建筑的平均沉降的速率開(kāi)始增大;而開(kāi)挖造成的建筑差異沉降開(kāi)始顯著增加，明顯大于降水施工的影響。

2.3 原施工方案數(shù)值模擬

原施工方案擬采用明挖順作工法，經(jīng)過(guò)FLAC3D計(jì)算，部分結(jié)果如圖8和圖9、表4所示。

圖8 孔壓云圖及滲流場(chǎng)變化圖(明挖順作法)Fig.8 Developing process of pore water pressure and flow vectors(open excavation)

由表4可知:1)在基坑開(kāi)挖完畢后建筑平均沉降(中心沉降)為 －14.8 mm，差異沉降為8.2 mm;2)基坑及周邊土體的變形主要從19 m以下降水開(kāi)挖后變化速率明顯加快，建筑整體平均沉降較小，差異沉降較大。由此可以說(shuō)明此方案的降水設(shè)計(jì)是合理的，隔水帷幕的嵌入深度足夠，有效保證了坑外滲流場(chǎng)和孔壓分布的穩(wěn)定，使建筑的整體平均沉降在安全范圍內(nèi)。

圖9 開(kāi)挖完成后豎向位移云圖及位移矢量場(chǎng)Fig.9 Cloud of vertical displacement and vectors after excavation

表4 原施工方案數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果Table 4 Results of numerical simulation based on original construction scheme

從建筑差異沉降控制方面來(lái)看，此方案的設(shè)計(jì)存在不足之處，即內(nèi)支撐系統(tǒng)的剛度不夠，尤其是后3道支撐?；娱_(kāi)挖完畢后地連墻變形比較嚴(yán)重，墻體最大水平位移達(dá)到近－24.8 mm，這直接導(dǎo)致了墻外土體沉降和建筑差異沉降的劇增。

考慮到原設(shè)計(jì)地連墻厚度已經(jīng)達(dá)到1 m，鋼支撐間距最大為5 m，再綜合成本和施工方便因素，增厚地連墻和加大鋼支撐密度的方法都不可取;但若在關(guān)鍵部分(如在第5步開(kāi)挖到－19 m深時(shí))改鋼支撐為鋼筋混凝土支撐，可以明顯提高內(nèi)支撐系統(tǒng)的剛度，能控制墻體變形和建筑差異沉降。

2.4 實(shí)際施工方案數(shù)值模擬

由于2008年奧運(yùn)會(huì)對(duì)于京津城際使用的要求，市政強(qiáng)制施工恢復(fù)路面，實(shí)際施工在中途改用蓋挖逆作工法(見(jiàn)圖10)。

圖10 實(shí)際工程施工流程圖Fig.10 Construction process

經(jīng)過(guò) FLAC3D計(jì)算，部分結(jié)果如圖 11和表5所示。

圖11 實(shí)際施工完成后豎向位移云圖及位移矢量場(chǎng)Fig.11 Cloud of vertical displacement and vectors after construction

表5 實(shí)際施工方案數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果Table 5 Results of numerical simulation based on adopted construction scheme

由圖11和表5可知:對(duì)比于明挖順作工法，基坑內(nèi)支撐系統(tǒng)剛度增強(qiáng)，地連墻的水平位移得到了明顯抑制，基坑外地表沉降比較均勻，較好地控制了建筑的差異沉降;同時(shí)，無(wú)論是墻頂最終位移還是墻體最大水平位移都大大減小了。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)整理，2種施工方案的平均沉降和差異沉降對(duì)比曲線如圖12和圖13所示。

圖12 2種施工方案平均沉降對(duì)比Fig.12 Average settlements induced by two different construction schemes

由圖12可知:1)數(shù)值模擬曲線在開(kāi)挖到11 m以前降水和開(kāi)挖工況相同，不同工法引起的建筑沉降相同;而后隨開(kāi)挖深度的增加建筑沉降增加，且明挖順作工法引起的建筑沉降大于半蓋挖逆作工法，并且在降水施工和土方開(kāi)挖2種不利因素共同作用下有失穩(wěn)趨勢(shì);2)半蓋挖逆作工法對(duì)建筑的影響很小，在降水條件相同的情況下，土體開(kāi)挖可能引起的平均沉降被很好地控制。

圖13 2種施工方案差異沉降對(duì)比Fig.13 Differential settlements induced bytwo different construction schemes

由圖13可知:從開(kāi)挖到20m以后，明挖工法造成的建筑差異沉降開(kāi)始明顯增大，而蓋挖工法的差異沉降曲線則十分平穩(wěn)。鑒于差異沉降是造成建筑開(kāi)裂傾倒的首要因素，在環(huán)境保護(hù)等級(jí)高的城市地區(qū)，應(yīng)該優(yōu)先采用蓋挖逆作工法。

2.5 與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析

綜合原施工方案、實(shí)際施工方案和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，不同開(kāi)挖深度的平均沉降對(duì)比情況如圖14所示。

圖14 數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)平均沉降對(duì)比曲線圖Fig.14 Average settlement obtained by numerical simulation vs.that measured in site

由圖14可以看出:在c點(diǎn)以前的淺層降水開(kāi)挖施工中，數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值比較吻合;而到了d點(diǎn)及d點(diǎn)以后，實(shí)測(cè)值大于數(shù)值模擬結(jié)果。其原因是:在負(fù)四層開(kāi)挖施工后，地連墻有漏水現(xiàn)象，尤其是在2009年4月8日左右，地連墻靠建筑一側(cè)出現(xiàn)較大裂縫，漏水嚴(yán)重，導(dǎo)致了建筑的沉降值急劇增大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果。

將數(shù)值模擬結(jié)果插入實(shí)測(cè)差異沉降曲線圖(見(jiàn)圖15)中對(duì)應(yīng)的時(shí)間位置，可以看到在負(fù)四層開(kāi)挖施工之前，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果同實(shí)測(cè)值比較吻合，整體趨勢(shì)一致，最大差值不超過(guò)2 mm;但在負(fù)四層開(kāi)挖施工中，由于地連墻裂縫引起的漏水涌砂，在造成建筑及地表平均沉降驟增的同時(shí)，也使建筑的差異沉降急劇增大，對(duì)建筑產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅。在封堵好漏水并在建筑沉降較大一側(cè)進(jìn)行注漿加固后，其差異沉降情況才得到控制，趨于平穩(wěn)。

圖15 數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)差異沉降對(duì)比曲線圖Fig.15 Differential settlement obtained by numerical simulation vs.that measured in site

由上分析，再一次驗(yàn)證了富水軟土地區(qū)深層降水開(kāi)挖施工中隔水帷幕的重要性;而在現(xiàn)實(shí)施工中，地連墻的接縫處難以避免出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，且越是在深處漏水的概率就越大，這就導(dǎo)致數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不一致。

就不同漏水情況而言，本算例中平均沉降的數(shù)值模擬結(jié)果(地連墻未起到隔水作用)可以達(dá)到36 mm以上(參見(jiàn)2.2初步模擬試驗(yàn));而差異沉降情況則比較難以預(yù)計(jì)，其受孔壓場(chǎng)變化影響不大，主要由圍護(hù)結(jié)構(gòu)(地連墻)水平位移或圍護(hù)結(jié)構(gòu)漏水涌砂引起突變。

在今后的深基坑施工過(guò)程中應(yīng)做好應(yīng)急處理的準(zhǔn)備，建立良好的監(jiān)測(cè)信息反饋系統(tǒng)。在每步降水以后和開(kāi)挖之前，如發(fā)現(xiàn)地表或建筑沉降速率明顯加快，就意味著隔水帷幕可能存在較嚴(yán)重的漏水現(xiàn)象，可提前采取措施修補(bǔ)漏水部位，對(duì)重要建筑注漿加固。

3 優(yōu)化方案探討

由上述分析可知，從控制地表和建筑沉降角度而言，采用半蓋挖逆作工法比明挖順作工法更為有利，明挖順作和蓋挖逆作工法的優(yōu)缺點(diǎn)如表6所示。

本工程實(shí)際采用的是先淺層明挖而后改用蓋挖逆作，發(fā)揮了2種工法各自的優(yōu)勢(shì):

1)在淺層降水和開(kāi)挖施工中(本工程為－15 m)，對(duì)周?chē)h(huán)境影響相對(duì)較小時(shí)采用明挖順作法，加快了工程進(jìn)度。

表6 不同工法對(duì)比表Table 6 Comparison and contrast between different construction schemes

2)隨降水和開(kāi)挖深度的增加，周?chē)h(huán)境對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度提出了更高的要求。在完成負(fù)一和負(fù)二層結(jié)構(gòu)后改用蓋挖逆作工法，可以有效控制地連墻的墻體變形，從而降低土體開(kāi)挖帶來(lái)的空間效應(yīng)，相比于單純明挖更有利于減少建筑的沉降值，尤其是建筑物的差異沉降值。

3)此混合工法很好地適應(yīng)了交通環(huán)境。前期天津站后廣場(chǎng)1標(biāo)段和2標(biāo)段正在進(jìn)行蓋挖逆作施工，1標(biāo)段上方地表正在進(jìn)行城際站房結(jié)構(gòu)和裝修施工，整片區(qū)域?qū)儆诮煌ㄏ拗茀^(qū)域。此時(shí)3標(biāo)段用明挖法快速出土，而后在奧運(yùn)前夕，城際站房和其地下設(shè)備房都施工安裝完畢，城際鐵路投入使用，3標(biāo)段改用蓋挖法，及時(shí)恢復(fù)了后廣場(chǎng)交通運(yùn)營(yíng)，保證了京津城際鐵路的良好運(yùn)營(yíng)。

綜上，天津站后廣場(chǎng)3標(biāo)段基坑工程的混合工法在工程安全和環(huán)境適應(yīng)方面都取得了良好的效果，值得今后的其他工程借鑒。

后期最后1步開(kāi)挖前，工程施作了間隔5 m、斷面1 m×1 m的鋼筋混凝土支撐，保證了最后步開(kāi)挖基坑的穩(wěn)定。從數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的角度看，最后2步降水開(kāi)挖相比，建筑和地表的沉降情況變化不大，本工程在最后嘗試刪減此鋼筋混凝土支撐，以期達(dá)到優(yōu)化目的。優(yōu)化方案最終沉降云圖見(jiàn)圖16。

圖16 優(yōu)化方案最終沉降云圖Fig.16 Cloud of final settlement of optimized construction scheme

由圖16可知，優(yōu)化后建筑平均沉降約為15 mm，差異沉降小于2 mm，處于可控制范圍內(nèi)。因此，采用蓋挖逆作工法后，最后1道鋼筋混凝土支撐是可以省略的，但出于安全考慮，可以適當(dāng)加大其支撐的間距，或者視場(chǎng)地施工便利與否采用其他形式的內(nèi)支撐。

4 結(jié)論與討論

1)降水施工是引起建筑沉降的主要因素，根據(jù)無(wú)隔水結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬試驗(yàn)，其導(dǎo)致的沉降占總量的90%以上。在天津站后廣場(chǎng)3標(biāo)段基坑工程中，最終實(shí)測(cè)平均累積沉降達(dá)到約－40 mm，其中由于施工降水引起的沉降超過(guò)－35mm，二者是相符合的。

2)開(kāi)挖施工對(duì)建筑的不利影響主要體現(xiàn)在差異沉降上，其引起的差異沉降值為降水引起差異沉降值的1～2倍。在本例淺層土體(－10～－15 m)施工中，降水和開(kāi)挖引起的差異沉降相差不多，均為1 mm;在較深土體(－15～－26 m)施工中，開(kāi)挖引起的差異沉降為5 mm，降水引起的差異沉降約2 mm。

3)在富水軟土地區(qū)的基坑工程中應(yīng)高度重視及時(shí)封堵隔水帷幕漏水和架設(shè)足量的內(nèi)支撐，這是施工過(guò)程控制周邊地層平均沉降和差異沉降的重點(diǎn)。

4)蓋挖逆作法比明挖順作法更能控制地表沉降和建筑沉降，且不影響地面交通，十分適合環(huán)境保護(hù)要求嚴(yán)格的大中城市(如上海、北京、天津、武漢等)。本例中的半蓋挖逆作(前期明挖順作，后期蓋挖逆作)則兼具了施工快速、沉降風(fēng)險(xiǎn)小的優(yōu)點(diǎn)，值得推廣使用。

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