盖挖逆作法基坑开挖对地表沉降的影响及控制措施研究

贾振华，尚 超，张社荣，宋 冉，胡安奎

（1.中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041；2.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；3.天津大学 建筑工程学院，天津 300072）

盖挖逆作法基坑开挖对地表沉降的影响及控制措施研究

贾振华1，尚 超2，3，张社荣2，3，宋 冉2，3，胡安奎2，3

（1.中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041；2.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；3.天津大学 建筑工程学院，天津 300072）

深圳地铁七号线福民站工程采用盖挖逆作法进行基坑开挖，依托该工程研究新建福民车站施工对基坑周边地表沉降的影响并提出控制地表沉降措施。采用ABAQUS有限元计算软件对基坑开挖过程中周边土体地表沉降变形进行精细化数值模拟，结合施工过程中实时动态监测资料，总结采用盖挖逆作法施工对地表沉降的影响规律，为施工过程中结构变形发展预测和设计方案实时调整提供理论支撑。结果表明，在福民站基坑盖挖逆作施工过程中，地表最大沉降值随基坑开挖第一、二次卸、加载的进行而增大，后随第三、四次卸、加载的进行逐步趋于稳定。新建地铁周边土体地表变形较小，距离基坑从近到远，沉降值逐渐减小直至趋于零，数值模拟及现场监测的最大沉降值均在预警值10mm之内，保证了周边建筑物的安全性和稳定性，验证了当前设计方案的可行性。

盖挖逆作法；地表沉降；数值模拟；现场监测；控制措施

0 引言

随着经济发展、人口膨胀和城市功能的拓展，地下工程方兴未艾。在繁华的城市中心修建地下工程，采用开槽明挖施工法会长时期干扰交通、影响市容环境，采用暗挖法施工会使得工期较长、工程造价高、地层沉陷对相邻建筑物安全性影响较大，相比而言采用盖挖逆作法，可以有效地减少施工占地及对地面的干扰，大大缩短交通中断时间，促进城市中心区域建设与日常运作的协调统一[1]。开挖地下岩土体会引起地表沉降和变形，当地表沉降到一定程度，会影响周围地面建筑物的安全和地下管线的正常使用[2]。

盖挖逆作法最早在意大利米兰得以首次应用，目前已在美国、日本、德国、法国等国家广泛应用，取得较好的效果。我国于1955年在哈尔滨地下人防工程中提出应用逆作法施工技术，一直到20世纪90年代，随着我国高层建筑的发展与地铁工程的大规模建设，地下工程逆作法的应用逐渐在全国推广开来[3]。基坑开挖对周边土体位移以及地表沉降的影响是基坑周边环境面临的最主要问题，也是其他问题产生的最直接原因。自1969年Peck[4]通过数值分析揭示了基坑开挖与地表沉降的相关性以来，Attwell[5]、Bransby[6]和Bryson Lindsey Sebas⁃tian[7]等相继对基坑开挖、挡土墙等对地表沉降的影响进行了研究。随着北京、上海、深圳等大城市地下工程施工的增多，国内学者李进军[8]、王印[9]、闫周福[10]、李淑[11]及田鹏程[12]等也相继对基坑开挖对周边环境的影响进行了研究，但基本都是通过对施工完成后周边地表沉降的分析来研究基坑周边土体的水平位移和竖向位移，而对基坑开挖过程中周边地表沉降变化的研究较少。

由此可见，基坑工程对周围环境的影响越来越成为人们关注和研究的课题，但是开挖引起地表沉降的分析大多数都是通过现场监测来反映，工程技术的难点在于结构跨度大、工序转换多、地层与结构受力转换复杂、岩土体变形及结构差异沉降控制难度大[13]，若能通过数值模拟对施工时期的地表沉降进行预估并采取有效的控制措施，可以有效地预防基坑安全事故的发生。本文依托深圳地铁七号线福民站施工工程，通过对数值模拟和现场监测的总结和分析，对盖挖逆作法基坑开挖过程对地表沉降的影响及控制措施进行研究，为今后类似工程积累了经验。

1 工程概况

1.1 工程简介

深圳地铁福民站是地铁七号线的某换乘车站，位于福民路与金田路交叉口的东侧。车站主体沿福民路呈东西走向，西接皇岗村站，东接皇岗口岸站，车站西端与既有四号线福民站T形换乘，车站东端设置盾构接收井。所在地区地貌单元为海冲积平原，场地为现状道路，地势平坦，地面高程为4.96～5.30m。车站为地下车站，共有三层，分为地下一层（站厅层）、地下二层（设备层）、地下三层（站台层），采用岛式站台的形式。

福民站具体布置及主体基坑与周边建（构）筑物的关系如图1所示。其西侧紧邻地铁四号线福民站，北侧紧邻知本大厦和皇褔裕苑，南侧紧邻褔民佳园和时代星居。基坑距离知本大厦基础承台最近距离为1.49m，距离知本大厦地下室外墙为2.09m，侵入建筑物红线宽2.90m；基坑与福民佳园围护结构零距离，距离地下室外墙2.84m；基坑距离时代星居地下室外墙2.87m，距离时代星居建筑红线0.81m；基坑距离皇福裕苑地下室外墙1.70m，侵入建筑物红线宽7.20m；基坑距离四号线福民站围护结构3.01m。

图1 福民站具体布置及主体基坑周边环境示意图

1.2 工程地质状况

深圳七号线福民站工程范围内上覆第四系全新统人工堆积层（Q4ml）、海积层（Q4m）、冲洪积层（Q4al+p）l、花岗岩残积层（Qel），下伏燕山期花岗岩（γ53），主要地层岩性概述如下。图2为简化后的六层土层示意图。

（1）第四系全新统人工堆积素填土，海积淤泥质黏土，冲洪积淤泥质黏土、细砂、中砂，第四系上更新统淤泥质黏土、粉质黏土、细砂、粗砂、砾砂、圆砾，花岗岩残积砾质黏性土；

（2）燕山期花岗岩：粗粒结构，块状构造，主要成分为石英、长石、云母，按风化程度可分为全风化岩、强风化岩、中等风化岩、微风化岩；

（3）构造岩：主要为断层碎裂岩，本车站主要为中等风化岩。

图2 福民站土层示意图

2 现场监测

2.1 地表沉降变形控制指标

在深圳地铁新建七号线福民站施工过程中，地表沉降变形控制指标见表1。

表1 地表沉降变形控制指标

2.2 盖挖逆作法施工工艺流程

盖挖逆作法施工工艺为：首先沿建筑物地下室的周围施工地下连续墙或其他支护结构，同时在建筑物内部的相关位置浇筑或打下中间支承桩、柱结构，作为施工期间在底板封底之前承受其上部结构自重和施工荷载的支撑；然后施工地面一层板梁结构，作为地下连续墙的大刚度支撑；最后逐层向下开挖土方和浇筑各层地下板梁结构，直至底板浇筑完成。

另外，由于地面一层的结构已完成，为其上部结构施工创造了条件，所以又可以同时向上逐层进行地上结构的施工。如此地面上、下同时施工，直至工程结束。

为了减小施工对周边环境的影响以及确保施工过程的安全有序，深圳地铁七号线福民站基坑开挖采用的方法为盖挖逆作法。盖挖逆作法施工流程如图3所示。

2.3 地表测点分布

图4所示为七号线福民站周边土体测点分布。由于篇幅所限且部分测点数据不全，新建车站基坑开挖时，在周边建筑物（皇福裕苑、知本大厦、时代星居和福民佳园）的沉降测点中分别选取数据完整且位置典型的2～3个测点作为典型监测点。

图3 盖挖逆作法施工流程

图4 基坑周边地表测点分布

2.4 现场监测结果分析

图5分别给出了自2012年12月七号线福民站开始施工至2014年11月浇筑混凝土永久柱期间，周边建筑物（皇福裕苑、知本大厦、时代星居和福民佳园）的沉降监测数据。

图5 地表测点沉降时程曲线

由图5可以看出：

（1）在七号线福民站基坑地下连续墙施工之前（2012年12月—2013年12月），周边建筑（皇福裕苑、时代星居、知本大厦和福民佳园）竖向变形在-2～2mm之间波动（负值表示沉降，正值表示回弹），说明该四幢建筑的竖向变形在基坑开挖前处于稳定状态。

（2）在2013年12月地下连续墙施工开始后，周边各建筑物的测点均发生了轻微的瞬时回弹，之后紧接着开始沉降。这是由于基坑开挖初期的瞬间卸荷扰动坑外土体，再加上之后施作临时格构柱和进行基坑降水，以及坑内施工伴随着基坑内结构自重的增加和基坑外土体流变的发展，使基坑周边建筑物沉降继续发展。

（3）至2014年6月站厅层（负一层）开挖至底板，地表沉降达到最大，约为8mm。随着设备层（负二层）和站台层（负三层）的施工，周边建筑的竖向变形逐渐回弹，但最终沉降值都小于0，最后在浇筑混凝土永久柱时趋于稳定。

（4）整个基坑开挖过程中，周边建筑物沉降变形小于预警值10mm，可认为基坑开挖对周边建筑物的扰动不影响其稳定性，可保证周边建筑物的安全。图中曲线出现短期较大起伏（6～8mm），分析其原因为现场监测期间受基坑施工影响，原先的地表沉降测点受到一定程度的破坏或者迫于施工或交通等原因发生移动，降低了监测精度。

3 有限元计算数值模拟

3.1 主要土层物理力学参数

新建七号线福民站范围内土体力学参数根据《福民站初勘阶段岩土一般物理力学指标设计参数建议值表》取值，具体参数如表2所示。

表2 主要土层物理力学参数

3.2 数值计算模型及仿真方法

本文采用ABAQUS有限元计算软件建立三维计算模型，对基坑开挖及施工过程中地表沉降变形进行数值模拟，模拟中假定工程条件及仿真方法如下：①地铁车站场地地势平坦，土体为理想各向同性弹塑性材料，采用Mohr-Coulomb本构模型，土层之间的分界线设置为水平，且每层土的厚度均取其平均厚度[14]；②车站采用生死单元技术模拟施工中的土体开挖、临时支护的拆除及永久支护施作过程，开挖施工阶段土体分层逐步开挖并施作底板和梁结构；③不考虑土体固结引起的长期沉降；④不考虑土中地下水位的变化；⑤假定围护墙体在各层土中的物理力学参数保持不变，墙体与周围同一层土体之间的摩擦接触系数不随埋深变化，且对混凝土与岩土体之间设置接触面进行模拟。

有限元计算模型如图6所示，沿新建七号线纵向长448.0m，横向延伸长度为340.0m，高60.0m。模型共152 000个单元，169 919个节点。基坑分为覆土层 （4.5m）、站厅层 （4.9m）、设备层（6.3m）、站台层（6.8m）。

图6 三维数值几何模型

3.3 盖挖逆作法施工步模拟

盖挖逆作法是多层地下结构施工的有效方法，能有效地保护周边环境。福民站盖挖逆作法施工模拟过程分析步见表3。

表3 基坑开挖分析步

根据表3，可将新建七号线福民站基坑开挖主要施工步序全过程描述为四次卸载-加载过程：①第一次卸载-加载过程：覆土开挖，顶板、梁和格构柱施作，覆土回填；②第二次卸载-加载过程：地下一层土体开挖，负一层（站厅层）底板、梁和侧墙施作；③第三次卸载-加载过程：地下二层开挖，负二层（设备层）底板、梁和侧墙施作；④第四次卸载-加载过程：地下三层开挖，负三层（站台层）底板、侧墙施作。

3.4 数值计算结果分析

图7为数值模拟基坑开挖从开始施作至完成期间距基坑不同距离的地表测点的沉降变形曲线。不同测点距基坑的距离在图7的图例中已说明，如“Jc1-2（26m）”即“测点（距离）”。

图7 地表测点沉降变形曲线

由图7中的各曲线可知：

（1）第一次卸载-加载期间，开挖深度浅，各地表测点的变形微小，主要表现为1～2mm的沉降，随着第一次卸载-加载的完成，开挖深度开始增大，对周边土体的扰动增大，从而地表测点的沉降开始增大。

（2）随着时间的推移，开挖深度逐渐加大，经过第二、三、四次的卸载-加载，地层累计沉降逐渐增大，但沉降速率逐渐减小，随着内部结构的施工完成，基坑开挖对周边土体的扰动减小，变形逐渐趋于稳定。

（3）随着测点与基坑距离的增大，沉降值逐渐减小直至趋于0，表明距离基坑近的测点处的土体受扰动较大，但沉降最大值在4mm以内，所以变形较小，周边建筑物不会受影响。

（4）基坑内部结构施工完成时的最终地表沉降值小于施工期间产生的最大沉降值，差值为1mm左右，且距离基坑越近则差值越大。分析其原因是随着基坑开挖及内部结构的施工完成，基坑内部的钢筋混凝土结构具有较大刚度，有效地承担了作用在其结构上的土压力，从而使基坑附近的地表沉降减小并逐渐趋于稳定。

4 控制措施

基坑开挖必然会引起周边土体的地表沉降。修建地铁车站时的基坑开挖，多数是在市中心进行，周边都是既有建筑物，甚至临近既有车站，所以对控制地表沉降要求更高。过大的地表沉降或严重的不均匀沉降会造成周边既有结构的破坏，危害很大，此时对于周边地表沉降的控制显得尤为重要。因此建议采取以下措施控制周边地表沉降。

（1）施工初期，可以进行坑外注浆支护，如施作旋喷桩或搅拌桩，此措施可以加强对周边土体的约束，从而有效减小周边地表沉降；在基坑开挖过程中，分层、分段开挖，并施作临时或永久混凝土支撑，也可以有效抑制两侧土体向内变形，从而减小周边地表沉降。

（2）施工初期可以采取坑内加固措施。特别是对于软土地区，加固基坑坑底的被动区土体可以有效减小基坑周边土体位移。近年来，为了改善基坑内侧土体物理力学性质，更多的是通过基坑坑内加固土体的措施达到控制周边土体位移的目的。

（3）施工中，每次卸载、加载时从基坑两侧向中间开挖，同时施作板梁钢筋混凝土结构。此措施相对于一次性开挖完一层土体的做法可以有效地减缓土体向基坑内部的挤压，从而起到控制周边地表沉降的作用，还能避免延误工期，缩短基坑施工时间，减小基坑开挖对周边地表沉降的影响。

5 结论

通过数值模拟及现场监测，对深圳地铁新建七号线福民站基坑周边地表沉降进行了分析，得出以下结论。

（1）深圳地铁新建七号线福民站基坑开挖的数值模拟结果显示，新建地铁周边土体地表变形较小，均在预警值之内，证明采用盖挖逆作法基坑开挖可以有效控制周边土体地表沉降。

（2）地表最大沉降值随基坑开挖第一、二次卸载-加载的进行而增大，然后随第三、四次卸载-加载的进行，地表沉降产生较小回弹并逐渐趋于稳定（因为随着施工的完成，基坑结构具有了较大的刚性），使地表沉降产生1mm以内回弹并逐渐趋于稳定。

（3）基坑变形具有明显的时空效应：各测点的沉降速率随着时间的推移及开挖深度的增大而逐渐增大，但随着基坑内部结构施作的完成，变形逐渐趋于稳定。距离基坑从近到远，沉降值逐渐减小直至趋于0。距离基坑近的测点处的土体受扰动较大，但沉降最大值在4mm以内，距离基坑50m左右的测点其沉降值趋于0。

（4）从现场监测数据可以看出，盖挖逆作法基坑开挖全过程对周边地表沉降的影响较小，在覆土层及站厅层开挖时沉降速率最大，直到站厅层开挖至底板产生最大沉降值8mm，仍小于预警值10mm，说明施工方案可行。

[1]萧岩，汪波，王光明.盖挖法和盖挖法施工[J].市政技术，2004，22（6）：359-370.

[2]邢宾.隧道开挖引发的地表变形对上部建筑物的影响研究[D].青岛：青岛理工大学，2010.

[3]田德森.盖挖逆作法施工关键技术研究[D].北京：中国地质大学（北京），2010.

[4]PECK R B.Deep Excavations and Tunneling in Soft Ground [C]//Mexico City:Proceeding of 7th International Confer⁃ence on Soil Mechanics and Foundation Engineering,1969: 225-290.

[5]ATTWELL P B,YEATES J,Selby A R.Soil Movement In⁃duced by Tunneling and Their Effects on Pipelines and Structures[M].Blackie:Chapman and Ha11,1986:20-46.

[6]BRANSBY B L,MILLIGAN G W.Solid Formation Near Cantilever Sheet Pile Walls[J].Geotechnique,1975,25 (2)：185-192.

[7]BRYSON L S.Performance of a Stiff Excavation Support System in Soft Clay and the Response of an Adjacent Build⁃ing[D].Evanston:Northwestern University,2002.

[8]李进军，王卫东，邸国恩，等.基坑工程对邻近建筑物附加变形影响的分析[J].岩土力学，2007，28（S1）：623-629.

[9]王印.深基坑开挖对紧邻地铁车站影响的位移分析及施工保护措施研究[D].上海：同济大学，2008.

[10]闫周福.软土地区深基坑开挖对围护结构及其周边环境影响的研究[D].重庆：重庆大学，2009.

[11]李淑，张顶立，房倩，等.北京地铁车站深基坑地表变形特性研究[J].岩石力学与工程学报，2012，31（1）：189-198.

[12]魏鹏程.盖挖逆作法基坑开挖对周边环境影响的研究[D].湘潭：湘潭大学，2013.

[13]苏洁，张顶立，高自友，等.盖挖逆作法施工地铁车站结构变形及其控制[J].中国铁道科学，2010，31（1）：59-65.

[14]刘耀凯.某软土场地地铁车站深基坑明挖法施工性状研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

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

国家自然科学基金创新研究群体科学基金项目（51321065）

贾振华（1972—），男，河南郸城人，高级工程师，从事地铁施工、设计工作。E-mail:3022618186@qq.com。