盖挖逆作法深基坑施工对周边建筑群的影响研究

费瑞振

摘 要：在城市繁华地区修建地铁车站，可采用盖挖逆作法。这样做，可以减少施工对周边环境和路面交通的影响。但是，基坑开挖过程中产生的加载和卸载作用会使周围土体发生多次变形，进而引发建筑物沉降和倾斜。以天津地铁4号线盖挖逆作法施工的某地铁车站基坑为研究对象，利用数值模拟的方法计算基坑开挖过程中周边建筑群的沉降值和倾斜率，并探讨了工程保护措施和监控量测设计，以期为盖挖逆作基坑开挖诱发建筑物沉降和倾斜问题提供了数值计算案例和保护措施参考。

关键词：盖挖逆作法；地铁车站；基坑开挖；建筑物沉降

中图分类号：U231.3 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.03.006

1 工程概况

1.1 车站位置和工程规模

多伦道站为天津地铁4号线和13号线换乘车站，位于和平路和福安大街交口，4号线沿和平路布置，13号线沿福安大街布置。福安大街交通流量比较大，和平路为商业步行街。4号、13号线通过换乘节点进行联络换乘。各子项工程分布情况如图1所示。

4号线和13号线多伦道站分别为双层三跨和三层三跨地下岛式车站。4号线多伦道站分为站厅、站台2层，4号线站厅与13号线站厅为一个整体，与13号线形成换乘节点。本工程共设3座风亭，8座出入口，其中，3座为预留出入口。4号线多伦道站的主体结构、换乘节点和1号风亭采用盖挖逆作法施工，13号线车站的主体结构和其余附属结构采用明挖法施工。本文主要研究4号线多伦道站盖挖逆作区域的深基坑施工对周边建筑群的影响。4号线车站主体标准段结构总宽20.9 m，结构高13.81 m，车站总长262.252 m；标准段基坑深约18 m，盾构井基坑深约20 m。13号线车站主体标准段结构总宽23.5 m，结构高22.14 m；换乘节点三层结构车站标准段基坑深约26.2 m，盾构井基坑深约28.1 m，换乘节点单层结构基坑深约11.2 m，出入口和风道基坑最深约11 m，盖挖逆作区域车站顶板覆土厚约3.5～4.1 m。

1.2 工程地质及水文地质

1.2.1 工程地质

多伦道站基坑施工区域地表以下80.0 m范围内的地基土属于第四系全新统、上更新统和中更新统地层。地基各土层的物理力学指标如表1所示。

1.2.2 水文地质

对本工程有直接影响的浅层地下水主要有4层，其中，潜水层静止水位埋深0.8～3.4 m，第一承压含水层水头埋深约4.9 m，第二承压含水层水头埋深约6.6 m，第三承压含水层埋深约7.2 m。

1.3 周边建筑和环境风险

多伦道站位于天津市中心区域，车站周边分布有5个大型商业，形成建筑群。面向东南方向，4号线多伦道站左侧为沃尔玛购物广场、国美电器，右侧为百盛百货、万达电影城、百安居，具体如图2所示。

沃尔玛购物广场距4号线多伦道站基坑最近处约2.82 m，百盛百货距车站基坑最近处约为5.50 m，距换乘节点单层基坑最近处约1.96 m，万达影城距4号线车站最近处为3.10 m。多伦道站车站基坑开挖会对周边建筑群产生不利影响，所以，有必要深入了解车站周边的主要风险源信息，具体如表2所示。

百盛百货地上8层，局部9层；百安居地上4层，局部5层，基础为桩基，桩基长度为直径为700 mm，桩长29.65 m；万达影城地上2层，局部3层，基础为筏片基础+减沉桩，桩基长度为19.35 m。百盛百货、万达影城、百安居均有一层地下室并连通。百盛百货地上结构距换乘节点单层结构基坑最近约1.96 m，距4号线多伦道站基坑最近约为5.5 m，万达影城距4号线车站最近距离为3.1 m

2 控制标准

2.1 深基坑变形控制标准

根据多伦道站主体结构的基坑深度和周边环境的特点，确定本基坑的变形控制保护等级为一级。其位移要求为：①地面最大沉降量小于等于0.1%H，每天发展小于2 mm，H为基坑開挖深度；②围护结构最大水平位移小于等于0.14%H，且小于等于30 mm，每天发展小于2 mm，H为基坑开挖深度。

2.2 周边建筑物控制变形标准

依据《城市轨道交通工程监测技术规范》《建筑地基基础设计规范》《建筑基坑工程监测技术规范》等相关规范，确定沃尔玛购物广场、万达电影城、百盛百货等建筑物的变形控制标准，具体内容包括以下2点：①沉降控制值。沉降控制值为20 mm，变化速率控制值为2 mm/d。②倾斜控制值。差异沉降控制值为0.001 5L，L为相邻基础的中心距离。

3 数值计算

3.1 计算模型

3.1.1 模型范围

为了减小边界约束对计算结果的影响，各方向均取至围护结构外侧2～3倍基坑深度。多伦道站盖挖逆作基坑的数值计算范围如下：沿4号线多伦道站纵向取400 m，沿垂直多伦道站纵向取350 m，沿基坑深度方向取60 m。

3.1.2 模型假定

在建模过程中，考虑以下基本假定：采用地质勘察报告的地质参数描述土层的物理力学特性，按最不利的情况考虑，模拟基坑开挖过程中所加的混凝土支撑，并未模拟钢支撑。同时，要模拟建筑物的地下室和桩基础，利用施工步序模拟整个施工过程，考虑施工过程中的空间位移变化。

3.1.3 模型建立

采用MIDAS-GTS有限元软件建立多伦道站车站、基坑、周边建筑物和土体的有限元模型，地应力场按自重应力场考虑。采用位移边界条件，土体模型顶面为自由边界，底面为竖向位移约束，四周为法向位移约束。在此过程中，并未模拟建筑物地上部分，而是将每层建筑等效为20 kPa的面荷载加于基础上。多伦道站基坑开挖模型如图3、图4所示。

3.1.4 模型单元

基坑周围土体采用实体单元模拟，用修正莫尔-库伦准则定义；地下连续墙采用板单元模拟；基坑中柱采用梁单元模拟；柱下抗拔桩采用桩单元模拟；围护结构腰梁、连系梁和混凝土内撑采用梁单元模拟；车站和周边建筑物的楼板和侧墙采用板单元模拟；梁、柱采用梁单元模拟；建筑物的减沉桩采用桩单元模拟。

3.2 计算参数

车站和建筑物的结构参数如表3所示。

3.3 施工过程

此次计算并未考虑到基坑分块开挖，与实际情况相比属更不利工况，基坑开挖的施工步骤如下：①施作地下连续墙和中间桩柱；②进行基坑开挖，向下开挖到结构顶板底，施作全部车站结构顶板；③回填覆土至路面标高；④向下开挖土体，开挖到负一层中板（底板）底，施作负一层结构中板（底板）；⑤向下开挖土体，开挖到4号线支撑底，施作混凝土临时支撑；⑥向下开挖土体，开挖到负二层中板（底板）底，施作负二层结构中板（底板）；⑦向下开挖土体，开挖到13号线支撑底，施作混凝土临时支撑；⑧向下开挖土体，开挖到负三层底板底，施作负三层结构底板。

3.4 计算结果

根据数值计算可知，建筑物的沉降和倾斜受到基坑开挖整个过程的影响并累积，在负三层底板施工完毕后建筑物基础的沉降达到最大值。此时，建筑物基础的竖向位移如图5所示。

由图5可知，右侧沃尔玛购物广场和国美电器的共同基础产生了不均匀沉降，基础到地铁车站基坑距离相同，其沉降值基本一致，到地铁车站基坑距离越小，基础沉降值越大。左侧万达电影城、百盛百货和百安居共同基础也产生了不均匀沉降，该基础同时向车站基坑和换乘节点基坑倾斜。这是因为该基础的2个长边分别紧邻地铁车站基坑和换乘节点基坑，临近基坑的百盛百货建筑层数为8层，百安居和万达电影城的建筑层数为4层和3层。由此可见，距离基坑越近、建筑物荷载越大，其沉降也越大。这些原因造成基础同时向车站基坑和换乘节点基坑倾斜，并形成沉降槽。

3.4.1 基坑周圍地表沉降

以地表沉降最大处且垂直于车站基坑的剖面为研究对象，该处的沉降云图如图6所示。

由图6可知，基坑附近地面的最大沉降值为16.32 mm，而本站基坑的变形控制保护等级为一级，地面最大沉降量为0.1%H，即36.70 mm。所以，4号线多伦道站车站和换乘节点基坑施工完毕后，基坑附近地面的最大沉降值满足控制要求。3.4.2 沃尔玛基础的沉降值和倾斜率

车站负三层底板施工完毕后，沃尔玛购物广场和国美电器共同基础的竖向位移云图如图7所示。以该基础沉降最大位置且垂直于车站基坑的剖面为研究对象，该处的沉降曲线如图8所示。

由图7可知，基坑开挖完成后，沃尔玛购物广场和国美电器共同基础发生沉降变形，距离车站基坑越近，基础沉降值越大，在距离车站基坑最近处达到最大值，并形成三角形沉降槽。

从图8沃尔玛和国美电器共同基础的沉降曲线中可以看出，该共同基础的最大沉降值为9.64 mm，位于该基础西南侧且紧邻车站基坑处；该共同基础的最大倾斜率为（9.64-4.02）/（46 303-28 097）=0.31‰，位于该基础西南侧且距离车站基坑18 m范围内。

建筑物沉降控制值为20.0 mm，倾斜率控制值为1.50‰，9.64 mm<20.0 mm，0.31‰<1.50‰，所以，车站和换乘节点基坑施工完毕后，该共同基础的沉降值和倾斜率均满足控制要求。

3.4.3 万达电影城基础的沉降值和倾斜率

车站负三层底板施工完毕后，万达电影城、百盛百货和百安居共同基础的竖向位移云图如图9所示。

以该基础沉降最大位置且垂直于车站基坑的剖面为研究对象，该处的沉降曲线如图10所示。

从图10万达电影城、百盛百货和百安居共同基础的沉降曲线中可以看出，该共同基础的最大沉降值为11.42 mm，位于该基础北端且紧邻车站基坑和换乘节点基坑处。该共同基础的最大倾斜率为（11.42-3.24）/（37 337-2 238）=0.23‰，位于该基础东北侧且距离车站基坑35 m的范围内。

建筑物沉降控制值为20.0 mm，倾斜率控制值为1.5‰，11.42 mm<20.0 mm，0.23‰<1.50‰，所以，车站和换乘节点的基坑施工完毕后，该共同基础的沉降值和倾斜率均满足控制要求。

4 保护措施和监控设计

在基坑开挖过程中，采用预警值、报警值和极限值三级控制，一般预警值为极限值的60%～65%，报警值为极限值的80%～85%.由多伦道站基坑开挖的数值计算结果可知，周边建筑物的最大沉降值基本达到预警值范围，有必要针对该基坑进行工程保护措施和监控量测设计等方面的探讨。

4.1 工程保护措施

在施工时，具体的工程保护措施有以下几点：①施工前，应由建设单位委托专业评估单位对多伦道站周边临近建筑物进行现状评估，给出房屋已存在变形、倾斜等信息，以及临近建筑物可以承受的变形、倾斜等指标。经建设单位和产权单位共同组织专家评审后，施工单位据此制订专项施工方案，监理单位据此控制管理施工。②检测地连墙的接缝止水效果，确保基坑整体封闭，减小降水对周边环境的影响。③坑外设地下水位观测井，在基坑开挖降水过程中加强对坑外水位的观测。④结合周边建筑物变形控制标准，施工时，遵循预警值、报警值和极限值三级控制。对于建筑物的沉降值和倾斜率，可按月控制管理。⑤施工前，在多伦道站基坑与周边近接重要建筑物之间，按1.5 m间距预埋袖阀注浆管。当监测到建筑物沉降速率加大时，应该及时注浆。

4.2 监控量测设计

4.2.1 监测项目

多伦道站基坑围护结构与周围环境的监测主要分为应力内力监测和变形监测。变形监测仪器主要采用经纬仪、水准仪和测斜仪等，应力监测仪器主要采用应变计、钢筋计和压力传感器等。

监测项目包括以下主要内容：地连墙墙顶水平和竖向位移、

墙身倾斜变形、地表沉降、墙外土压力、土体分层沉降和水平位移、地下水位、墙体内力、支撑轴力、坑底隆起、立柱隆沉、盖挖逆作部位工程桩的竖向沉降和水平位移、钢管柱轴力、地下管线变形和沉降、周围建筑物的变形和沉降、基坑渗漏水情况等。

监测数据应及时反馈给业主、设计、监理和施工单位，如果发现基坑工程有异常情况，应立即会同相关单位共同研究保护措施，防止工程事故的发生。

4.2.2 监测注意事项

基坑监测应以获得定量数据的专门仪器监测为主，以现场目测检查为辅。各监测项目在基坑支护施工前应测得稳定的初始值，且不少于2次。

每次监测工作结束后，要及时提交监测简报和处理意见。量测数据需完整、可靠，对施工工况应有详细描述，与时间有关的监测数据应编制时程曲线，形成监测日报、周报、月报等文字信息材料，及时报送业主、设计、监理和施工單位。

当多伦道站基坑变形超过设计预警值，或者场地条件发生较大变化时，应该加密观测。有危险事故征兆时，应立即会同各方分析原因，及时采取有效的应对措施，加大监测频率，密切了解危险事件的发展变化情况，以便业主及时作出相关决策。

5 结论

盖挖逆作法基坑开挖深度比较大时，基坑周围土体塑性区范围比较大，土体的塑性流动也比较大，土体从围护结构外侧向基坑内部移动，导致基坑围护结构后方地表产生三角形沉降槽，使得建筑物发生沉降和倾斜。

建立三维有限元模型对基坑开挖进行数值模拟，以便指导和优化地铁车站围护结构设计，为现场施工和建筑保护提供参考。这样做，有利于在确保工程安全的前提下设计出经济、合理的工程方案。

数值计算表明，在多伦道站盖挖逆作基坑施工过程中，周

边建筑物的沉降值和倾斜率并未超过控制值。由于数值计算结果基本达到预警值范围，为了防止重大基坑事故的发生，应该研究工程保护措施，并进行监控量测设计，确保基坑施工过程中周边建筑物的安全。

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〔编辑：白洁〕