孫 毅，戴李春，齊 俊，陳軍鋒，孟 猛

(1.北京交通大學(xué)城市地下工程教育部重點實驗室，北京 100044；2.貴州中交貴甕高速公路有限公司，甕安 550400；3.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088)

深淺式異形基坑開挖工法比選與地表沉降特點研究

孫 毅1，戴李春2，齊 俊1，陳軍鋒3，孟 猛1

(1.北京交通大學(xué)城市地下工程教育部重點實驗室，北京 100044；2.貴州中交貴甕高速公路有限公司，甕安 550400；3.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088)

目前關(guān)于深淺式異形基坑的開挖并未形成專門的規(guī)范，針對此類工程的施工方法及其相應(yīng)的地表沉降特點仍不明確。為了解決這些問題，研究以北京地鐵6號線車站基坑為背景展開討論，研究利用有限差分軟件建立數(shù)值模型，對比常見開挖工法的地表沉降控制能力，認為先淺后深的方法在該工程的支護條件下最為有效。在此基礎(chǔ)上，研究進一步分析先深后淺、先淺后深、同步開挖3種工法在分步開挖條件下的地表沉降特點，總結(jié)兩側(cè)地表最大沉降值的變化規(guī)律。

深淺式異形基坑；工法比選；地表沉降

1 概述

基坑工程在城市軌道交通工程的建設(shè)中占有重要地位，它的安全、綠色施工直接影響著整個工程的經(jīng)濟性及可持續(xù)性。但是，由于城市環(huán)境日趨復(fù)雜，城市工程施工對周圍環(huán)境影響的控制要求愈趨嚴(yán)格。這就對大型地上、地下建構(gòu)筑物的基坑工程提出了新的挑戰(zhàn)，主要影響因素包括超大規(guī)模、超深尺寸、幾何形狀不規(guī)則、空間狹小、周圍環(huán)境復(fù)雜等。深淺式異形基坑作為其中的典型受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注[1-2]。

基坑開挖會導(dǎo)致一定范圍內(nèi)地層變形，地層變形又會帶動與之相接觸的各種建構(gòu)筑物的變形[3]，如果這種變形過大，就會導(dǎo)致基坑、建構(gòu)筑物發(fā)生事故，危及施工人員生命并造成財產(chǎn)損失[4-6]。而深淺式異形基坑周圍地層的位移場變化較普通基坑更為復(fù)雜[7-10]。為了更好地控制地層變形，降低施工對周圍環(huán)境影響，需進一步對深淺式異形基坑的相關(guān)問題展開討論。采用有限差分軟件FLAC3D，比較了北京地鐵6號線南鑼鼓巷車站基坑的3種不同開挖方案所造成的基坑兩側(cè)最大地表沉降，在此基礎(chǔ)上進一步分析了深淺式異形斷面基坑的變形特點，為類似基坑工程的設(shè)計、施工提供參考。

2 工程概況

2.1 基坑結(jié)構(gòu)形式

北京6號線南鑼鼓巷車站主體明挖基坑深28.85 m，長160.6 m，寬12.5～27 m，外掛明挖基坑深14.1 m，最寬處寬約12 m；基坑里程范圍K10+961.529～K11+121.994(右線)。主體明挖基坑坑底主要位于卵石-圓礫⑦層、粉質(zhì)黏土⑧層， 支護形式采用φ1 000 mm鉆孔灌注樁+7道錨索，外掛一層附屬結(jié)構(gòu)；基坑坑底主要位于粉細砂④1層、卵石圓礫⑤層，支護形式采用φ1 000 mm鉆孔灌注樁+3道錨索。其具體結(jié)構(gòu)與形式見圖1。

圖1 南鑼鼓巷站支護結(jié)構(gòu)(單位：mm)

其外掛副基坑下方為6號與8號線的聯(lián)絡(luò)通道，該基坑的特點在于賦存形式獨特，基坑斷面為深淺結(jié)合的異形基坑，亦可以將其看作內(nèi)坑單側(cè)靠墻的非典型坑中坑工程。該基坑右側(cè)不單存在地下構(gòu)筑物，其周邊保護建筑物也較左側(cè)更為集中，因此地表變形要求控制十分嚴(yán)格。

2.2 工程地質(zhì)概況

根據(jù)《北京地鐵6號線一期01合同段南鑼鼓巷站巖土工程勘察報告》：本工程場地位于永定河沖洪扇中下部，整體地勢較為平坦。土層分布情況見圖1，各層土的主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 主要土層物理力學(xué)指標(biāo)

3 基于地表沉降量比較的工法比選

對于同步開挖的異形基坑，不同的工法將對基坑周邊地表沉降及自身穩(wěn)定性將造成不同程度的影響，結(jié)合南鑼鼓巷站深淺基坑并存的實際情況，對“先深后淺”、“先淺后深”以及實際中采用的“同步放坡”方法進行數(shù)值模擬，為3種開挖方法所造成的基坑兩側(cè)地表沉降進行預(yù)測?？紤]到地鐵南鑼鼓巷站屬于長大深基坑，為了保證計算精度、提高計算效率，可將其看作平面應(yīng)力問題來進行簡化。模型主基坑深為30 m，寬度為25 m，副基坑緊貼主基坑開挖，基坑深14 m寬度為10 m，開挖完成后兩基坑中間無結(jié)構(gòu)或留土形成一個整體?；舆吘壘嗄Ｐ妥笥覂蛇吔缇鶠?0 m，所模擬的土層總厚度為100 m，設(shè)地面處高程為0 m。

為了保證3種工法的可比性，建立二維模型進行開挖模擬之前需先在基坑邊界打入3根樁，以模擬實際工程中的地下連續(xù)樁，樁長為36.2 m其嵌固深度為8.2 m(插入比0.3)，樁身混凝土強度等級為C30，樁身直徑為1 000 mm，模型選取pile結(jié)構(gòu)單元實現(xiàn)。開挖過程根據(jù)工程實際情況分層進行，開挖深度依次為：3.8、4、4.5、3.5、3.5、3.5、4、3.2 m。此外，邊墻加固所用的錨索選取統(tǒng)一規(guī)格為：φ150 mm，錨固段長度La=16 m，自由段長度Lf=7 m的預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計強度為300 kN，預(yù)應(yīng)力為180 kN，打設(shè)角度為15°，使用cable結(jié)構(gòu)單元實現(xiàn)。以下各種工法都進行了同樣的處理，后文不再贅述。

3.1 先深后淺法地表沉降結(jié)果

先深后淺的開挖方法是先對主基坑進行開挖并在開挖的過程中依次打入錨桿對基坑側(cè)壁進行保護，在達到設(shè)計開挖深度后對副基坑進行開挖。由于主副基坑無間隔，在副基坑的開挖過程中會拆除原先主基坑的部分錨索加固措施，同時在副基坑外側(cè)打入新錨桿進行加固。具體模型如圖2所示。

該方法中基坑左側(cè)地表最大沉降值為17.9 mm，最大沉降值出現(xiàn)在距基坑左側(cè)18.8 m，沉降范圍約為42 m；基坑右側(cè)地表最大沉降值為21.6 mm，出現(xiàn)在距基坑右側(cè)16.8 m處，沉降范圍約為36 m。具體沉降情況如圖3所示。

圖2 先深后淺開挖順序示意

圖3 先深后淺工法下基坑兩側(cè)地表沉降

3.2 先淺后深法地表沉降結(jié)果

先淺后深的開挖方法是先對副基坑進行開挖并在開挖的過程中依次打入錨桿，在達到設(shè)計開挖深度后對主基坑進行開挖。在主基坑開挖過程中會拆除原先副基坑與主基坑相連部分的錨索加固措施，同時在主基坑一側(cè)打入錨索加固。具體模型如圖4所示。

圖5 先淺后深工法下基坑兩側(cè)地表沉降

圖4 先淺后深開挖順序示意

該方法中基坑左側(cè)地表最大沉降值為16.7 mm，最大沉降值出現(xiàn)在距基坑左側(cè)18.8 m處，沉降范圍約為40 m；整個開挖過程中基坑右側(cè)地表沉降較為均勻，最大沉降值則為14.3 mm，出現(xiàn)在距基坑右側(cè)16.8 m處，沉降范圍約為32 m。具體沉降情況如圖5所示。

3.3 同步開挖法地表沉降結(jié)果

同步開挖是指同時對主、副基坑進行放坡開挖并在開挖的過程中依次打入錨桿。當(dāng)基坑開挖至副基坑設(shè)計深度時，基坑開挖斷面縮短至主基坑設(shè)計寬度繼續(xù)分層分步開挖。具體模型如圖6所示。

該方法中基坑左側(cè)地表最大沉降值為19 mm，最大沉降值出現(xiàn)在距基坑左側(cè)16.8 m處，沉降范圍約為

圖6 同時開挖開挖順序示意

42 m；基坑右側(cè)地表最大沉降值則為15 mm，出現(xiàn)在距基坑右側(cè)16.8 m處，沉降范圍約為33 m。具體沉降情況如圖7所示。

3.4 工法比選

根據(jù)上面所描述的基坑開挖變形結(jié)果，將各種開挖方法所造成的最大沉降進行比較，如表2所示。從基坑兩側(cè)地表的最大沉降值統(tǒng)計結(jié)果來看：先淺后深的方法最優(yōu)、同步開挖其次、先深后淺最差。

圖7 同步開挖工法下基坑兩側(cè)地表沉降

部位先深后淺先淺后深同步開挖基坑左側(cè)最大地表沉降/mm17.916.719.0基坑右側(cè)最大地表沉降/mm21.614.315.0

整體而言先淺后深的方法對基坑附近地表沉降的控制效果最好，原因在于副基坑尺寸相對較小而由錨索為主的支護體系可以很好地控制基坑變形，在對主基坑開挖時相當(dāng)于所開挖的地層已被加強。先深后淺的方法在主基坑開挖后對副基坑進行開挖，相當(dāng)于在已有基坑的基礎(chǔ)上進行二次開挖，地層穩(wěn)定性進一步被削弱，因此沉降位移較大。

同步開挖法對基坑變形的控制效果處于兩者中間稍弱于先淺后深法，但其開挖面較大能夠保證工期。實際工程中，為了配合暗挖段隧道開挖進度近坑已經(jīng)被選為最終方案。此外也應(yīng)該注意到，南鑼鼓巷周邊保護建筑物較多，選取該方法也較好地控制了周圍地表沉降。

4 深淺式異形基坑地表沉降特點

基坑開挖擾動周圍土體，改變了其周邊原有地應(yīng)力的大小及分布，考慮到土體高度非線性的特點，應(yīng)力路徑必然對地層最終變形產(chǎn)生不同的影響[11]。在工程中則表現(xiàn)為：即使在相同的加固條件下，不同的基坑開挖順序也將會產(chǎn)生不同的地層變形。其本質(zhì)原因在于巖土材料對于應(yīng)力路徑的敏感性較高[12]。中間的加固措施對應(yīng)力場的傳遞起到了阻礙作用，反映在位移場上就是地表沉降不同。

3種工法所造成的地表沉降差異不僅在最終結(jié)果上，從各開挖步來看也各具特點。

4.1 先深后淺法地表沉降特點

圖8展示了先深后淺的開挖方法中地表最大沉降值隨開挖步的變化過程。可以看出，當(dāng)主基坑先開挖時左側(cè)地表沉降的累計值要大于右側(cè)，從主基坑開挖完畢(第8步)，即副基坑開挖時右側(cè)沉降值開始逐漸增大隨即超過左側(cè)。

圖8 先深后淺法地表最大沉降-開挖步關(guān)系曲線

對于左側(cè)地表沉降而言，主基坑帶來的影響要明顯大于副基坑，這點曲線體現(xiàn)在斜率在第9步時變緩，其中主基坑開挖累計帶來14.9 mm沉降，副基坑開挖累計帶來3 mm沉降。

對于右側(cè)地表沉降而言，主基坑、副基坑都帶來了很大的影響，這主要是因為副基坑雖然開挖深度較小但卻與右側(cè)基坑毗鄰，而主基坑雖然遠離右側(cè)但其開挖深度、開挖斷面寬度都很大，因此，整體而言關(guān)系曲線始終保持著上升的態(tài)勢。其中主基坑開挖累計帶來13 mm沉降，副基坑開挖累計帶來8 mm沉降。

4.2 先淺后深法地表沉降特點

圖9展示了先淺后深的開挖方法中地表最大沉降值隨開挖步的變化過程。可以看出，當(dāng)副基坑先開挖時右側(cè)地表沉降的累計值明顯要大于左側(cè)，從副基坑開挖完畢(第4步)即主基坑開挖時左側(cè)沉降值開始逐漸增大最終超過右側(cè)。

圖9 先淺后深法地表最大沉降-開挖步關(guān)系曲線

對于左側(cè)地表沉降而言，主基坑帶來的影響稍大于副基坑，從關(guān)系曲線的增長情況可以看出，副基坑開挖時其沉降增長緩慢且沉降值均小于左側(cè)，直到主基坑開挖時才開始加速增長，并在最后兩步超過右側(cè)。其中，主基坑開挖累計帶來11.5 mm沉降，副基坑開挖累計帶來4.2 mm沉降。

對于右側(cè)地表沉降而言，副基坑開挖時沉降值迅速增長，但當(dāng)主基坑開挖后(第5步)增長速度減緩但持續(xù)時間較長。造成這一現(xiàn)象的主要原因是，主基坑開挖步序多、開挖深度大、持續(xù)時間長，其相應(yīng)的關(guān)系曲線在第5步出現(xiàn)拐點，逐步變緩也反映出這一特性。其中主基坑開挖累計帶來6.1 mm沉降，副基坑開挖累計帶來8.2 mm沉降。

4.3 同步開挖法地表沉降特點

圖10展示了同步開挖法中地表最大沉降值隨開挖步的變化過程。需要指出的是，雖然同步開挖的前半部分對于兩側(cè)地表來說是完全對稱的，但圖10中兩側(cè)的最大地表沉降卻始終保持一定的差距未能一致。其原因主要是開挖之前打入的右側(cè)圍護樁相對其左側(cè)而言要短的多(左側(cè)及中間的樁體長度都是右側(cè)的2.56倍，相當(dāng)于在全斷面同步開挖過程中位于右側(cè)的維護措施更弱。此外，與前兩種開挖方法不同的是：為了保持開挖深度一致便于比較，在數(shù)值模擬的過程中同步開挖模型的開挖步數(shù)只有8步。從圖10中可以看出，全斷面開挖完畢(第4步)之前右側(cè)地表最大沉降值更大，當(dāng)主基坑的下半部分開挖(第5步)時，左側(cè)地表最大沉降加速增大并最終超過右側(cè)。

圖10 同步開挖法地表最大沉降-開挖步關(guān)系曲線

對于左側(cè)地表沉降而言，上層基坑開挖累計帶來9 mm沉降，下層基坑開挖累計帶來10 mm沉降；對于右側(cè)地表沉降而言，上層基坑開挖累計帶來8.3 mm沉降，下層基坑開挖累計帶來6.7 mm沉降。

5 結(jié)語

目前針對深淺式異形基坑的開挖，并未形成專門的規(guī)范，考慮到基坑斷面形式的多樣性確實很難對其開挖、支護過程進行定量的規(guī)定。但就開挖而言常見的工法都可以歸結(jié)為上面的3種即：先深后淺、先淺后深、同步開挖(變斷面)，其相應(yīng)的地表沉降規(guī)律對類似工程有很好的借鑒作用。從前文的研究不難看出：異形基坑工程必須結(jié)合工期、經(jīng)濟、支護方法、變形特點等因素因地制宜地選取開挖方法，只有這樣才能保證高效、安全地完成工程任務(wù)。

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Excavation Methods Comparison and Ground Settlement Features of Deep-shallow Foundation Pit

SUN Yi1， DAI Li-chun2， QI Jun1， CHEN Jun-feng3， MENG Meng1

(1.Tunnel and Underground Engineering Research Center of Ministry of Education， Beijing Jiaotong University，Beijing 100044， China; 2.Zhong Jiao Gui Weng Expressway Company Limited， Weng’an 550400, China 3.China Communications Construction Company Highway Consultants Company Limited， Beijing 100088， China)

At present， there is no special specification for the excavation of deep-shallow special-shaped foundation pit， and the construction methods and surface settlement characteristics are defined. To solve these problems， this paper addresses the issue with based on the construction of Beijing Metro Line 6 station. The finite differential software is employed to establish a numerical model to compare the ability of common construction methods to control surface settlement. The results show that the method of “shallow to deep excavation” is most effective in the construction where supporting is provided. On this basis， further analyses are conducted to study surface settlement control with such three methods as “first deep then shallow， first shallow then deep， and synchronized excavation” and variation laws of the maximum surface settlement on both sides are derived.

deep-shallow foundation pit; comparison of construction methods; surface settlement

2014-12-17；

2015-01-04

優(yōu)秀博士研究生創(chuàng)新研究基金項目(2014YJS101)

孫 毅(1987—)，男，博士研究生，2010年畢業(yè)于西北農(nóng)林科技大學(xué)水利水電工程專業(yè)，E-mail：12115284@bjtu.edu.cn。

1004-2954(2015)09-0125-05

U455.45

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.09.028