复杂环境下盖挖法施工过程中差异沉降控制研究

梁 荣

（中铁十六局集团有限公司， 北京 100018）

0 引言

伴随着我国经济建设的快速发展，城市化水平也在不断地提高，既而出现了大规模城市地下空间的开发和利用。伴随越来越多的地下工程建设，不可避免的出现部分工程周边环境复杂，交通疏解困难。例如在地铁建设过程中，随着线网的加密，更多的车站周边商业和住宅建筑物密集，施工场地狭窄，尤其是车站位于主要道路交叉口下方，同时需要考虑到交通、商业和金融活动的顺畅，盖挖法成了地铁车站施工的首选工法。

盖挖法先施作车站周边地连墙和结构中间桩、柱，然后将结构顶板（梁、板结构）置于地连墙和中间桩之上，自上而下完成土方开挖并施作边墙、中隔板及底板等车站主体结构的施工方法，相对于明挖法，施工荷载存在一个转换的过程。转换前的施工荷载（主要是顶板部分）由中间立柱、基础桩和周边地下连续墙入土部分的摩擦力来承担。转换后由主体结构的边墙、中隔板及底板承担。由于地质条件不同以及周边环境情况的差异，中间桩和周边地下连续墙自身的形式有很大差异，分担荷载大小也不同。在土方开挖和结构施工的过程中，由于“卸载”“加载”的反复变化，立柱易出现竖向下沉或上升，立柱之间、柱墙之间会出现差异沉降，导致主体结构的内力重新分布，由此引起的附加内力，将对车站结构后续施工和使用带来安全隐患。采取有效措施控制差异沉降，在复杂的周边及水文地质环境下进行的盖挖法施工过程中十分必要。

因此, 本文以天津机场扩建配套交通中心工程施工为例, 研究在盖挖逆作施工过程中中间桩、地连墙的沉降规律，分析对地铁车站结构的影响及开展的相关控制措施研究。

1 工程概况和水文地质条件

1.1 复杂的工程环境

天津机场扩建配套交通中心工程位于天津机场航站楼北侧进出港广场及其东侧的空地下，是对既有大型复杂建筑的改造与功能提升，主要由地铁 2号线机场站工程、地下停车场工程、换乘通道工程、T1航站楼连接通道工程以及和 T2航站楼连接的集散大厅等工程组成。

图1 天津机场扩建配套交通中心工程平面位置图

为降低对运营机场的影响，本工程采用盖挖逆作法施工，确保施工过程中既有建筑的结构安全。主体结构基坑采用1.0m和1.2m厚地下连续墙围护，墙深分别为30.2m～57m不等，单元标准幅宽为5m。中间支撑桩柱底板上部采用Φ1100mm、Φ1200mm钢管混凝土永久柱和600×600mm的临时格构柱，桩长自底板以下长度为36～58m。临时格构柱下部为Φ1000mm钻孔灌注桩，桩长为自底板以下长度为20米。顶板

图2 横剖面示意图

1.2 独特的水文地质条件

本工程地基土范围内为第四纪松散沉积物，自上而下由饱和粘性土、粉土、砂土组成，具有成层分布、多层承压水的特点。地层特点如下：

（1）浅部填土局部厚度较大，最厚处约5.3m。

（2）⑥2淤泥质粉质粘土层分布不连续，厚度不均匀，最厚处达5.2m。

（3）土质不均匀，特别是⑥4层，局部砂性大。

图3 施工场区地下土层分布示意图

（4）土层中分布多层承压含水层，⑧2为第一层承压水；⑨2为第二层承压水；（11）2、（11）4、（12）2、（13）1夹和（13）2为第三层承压水；（14）2为第四层承压水。

图4 施工场区地下水分布示意图

2 盖挖逆作工法及控制标准

2.1 盖挖逆作法工艺

作为一种成熟的工艺，盖挖逆作法须先在地表面向下做基坑的围护结构和中间支撑桩柱，随后即可开挖表层土体至主体结构顶板地面标高，利用未开挖的土体作为土模浇筑顶板。然后在顶板覆盖下自上而下逐层开挖，并分层建造主体结构直至底板。以本工程为例，开挖共分为4步。

图5 盖挖逆做法土体开挖分层示意图

2.2 车站竖向支撑体系

支撑的架设是保证基坑开挖和主体结构施工安全、控制基坑收敛和位移的有效措施。根据基坑地质条件、基坑宽度、深度、周边环境等因素分别设置相应的支撑体系。本工程主体结构为盖挖逆作车站，仅在地下二层设置1道混凝土支撑，截面尺寸为1300×1100，周边设1400×1200腰梁，支撑纵向设置1000×800联系梁。

图6 典型断面处横向支撑及立柱布置图

2.3 盖挖逆做法沉降控制标准

竖向立柱的沉降应满足主体结构的受力和变形要求。立柱的回弹不应大于10mm，桩顶累计沉降量≤20mm；在主体结构底板施工之前，中间桩间以及中间桩与围护墙间差异沉降不大于10mm。

3 中间桩及地下连续墙的隆起与沉降机理分析

车站基坑尚未开挖时，墙及柱周摩阻力远大于自身重量，所以墙、柱不发生任何沉降变形。

伴随着基坑开挖，土体逐步卸荷，地连墙加大了对基坑内土体的压缩，出现了外侧土体向坑内移动、坑内土体向上回弹的趋势。支撑柱上部荷载逐步增加导致桩基沉降加剧。当桩对下部土体产生向上的反作用力时，桩周与桩端土体垂直应力减小、桩端土体应力释放而产生隆胀，桩也随之上升。坑内土体回弹带动中间柱体上移，桩身上部承受向上的正摩阻力与桩身下部向下的负摩阻力不断达到平衡。在整个开挖过程中，桩柱表现出时沉时隆的规律。由于墙一侧土体挖除减小了磨阻力，地下墙主要表现为沉降。所以，在受力和平衡的复杂中，中间桩与地连墙分别表现出不同的隆沉过程。

3.1 中间桩之间沉降分析

按照上述隆沉原理分析，由于中间桩分担荷载的不同，土质以及每根桩施工质量的差异，所处基坑内位置不同，越靠近基坑中部抬升量越大。这些差异就造成了中间桩之间的沉降不同。

3.2 地连墙与中间桩之间沉降分析

地连墙和中间桩的沉降差异，主要在于地连墙自重大,同时地连墙可连成整体，自身刚度较大。而中间桩为单体抗浮，自身抗上浮能力较弱，并且间距均在9m左右，无法与车站结构形成的共同刚度。车站结构板的荷载分布不均匀，结构的施工顺序不同，阶段性的荷载也不同，同样造成结构沉降差异。

4 中间桩和地下连续墙的沉降监测分析

天津机场配套扩建工程基坑整体长度为746.36m，鉴于基坑较大，本次监测已东侧1～41轴范围内的数据为参考。

4.1 中间桩、地连墙沉降点的布置

根据本基坑的特性，在地连墙顶部设置监测点，沿地连墙顶每隔12～15m左右布设一个监测点。监测点布设在帽梁上，用钻孔埋设膨胀螺栓把不锈钢观测点固定好后涂上红油漆，以示点位。下图为地连墙沉降观测点。

图7 地连墙沉降观测点

在中间柱的顶部位置布设监测点。用钻孔埋设膨胀螺栓把观测点固定好或与混凝土同时浇筑，于墙顶测点布设方法相同。之后涂上红油漆，标注点号，以示点位。盖挖顶板上的沉降测点应使测点与顶板内结构钢筋联结起来，与混凝土浇筑为一体。

图8 中间桩沉降观测点

4.2 桩、墙沉降监测数据分析

监测数据显示，在地下一层土方开挖过程中，立柱顶的初始变形表现为下沉，随着开挖深入，立柱发生隆起。地下一层土方开挖期间，中间桩监测数据由隆起转为沉降。地下一层结构浇筑完毕后，中间柱的隆起、沉降位移都趋于稳定，说明结构施工后对沉降、隆起存在着明显的抑制作用。

地下二层的土方开挖过程中，土体又开始卸载，中间桩柱在此出现上升，但隆起的变化量相对地下一层中较小。由于地下二层以上结构均已完成，已完工结构对立柱的竖向变形起到抑制作用。最终施工完成后，累计变形量35mm，超出设计要求的20mm，通过分析相邻桩的沉降，控制在2～3mm范围。车站结构处于安全状态。

图9 中间桩沉降变化

根据监测报表，车站开挖时，地下连续墙出现为下沉状况，到车站顶板施工完成后，沉降速率变小,结构板完成后对地下连续墙的变形起到了抑制作用。

图10 地连墙顶沉降变化

5 采取必要措施后差异沉降分析

5.1 强化支护体系控制中间桩之间的沉降变化

通过以上数据可以分析出两相邻中间桩的差异沉降量较小，从观测开始到车站顶板施工完成，中间桩差异量在逐步增大，最大到1.3 mm。随着车站的土方开挖，中间桩的差异沉降量变小，地下一层土方开挖完成后，开挖过程中的最小值 0.4 mm。说明支护体系已形成一体,有效地控制了差异沉降。

5.2 加快结构底板施工控制地下连续墙与中间桩之间的差异沉降

由沉降原理与监测数据分析可知，在逆作法施工过程中地连墙与中间桩之间的沉降差异较大，须采取更为有力的措施加以控制。

以地下一层施工为例，施工中采取各种措施加快土方开挖，尽快生成底板浇筑条件。监测显示，土方开始开挖到地下一层板开始浇筑前这段时间内，地下连续墙和中间立柱的差异沉降一直减小，LZ1和YDQ4的沉降差异减小到0.8 mm。底板浇筑前差异沉降量达到最大值，LZ1和YDQ4的差异沉降量达到8.0 mm。当地下一层结构底板浇筑完后，差异沉降量又明显减小，LZ2-2和 YDQ4的差异沉降量减小到9.7 mm。可见地下一层板的浇筑对差异沉降具有明显的约束调节作用。

6 结论

在盖挖法施工过程中，差异沉降是不可避免的，如何有效的控制差异沉降以保证盖板的安全和主体结构的永久的安全是我们研究的核心。通过本工程施工过程中的差异沉降分析得出如下几个方面的结论：

（1）盖挖基坑开挖过程中桩墙的最大位移和深度及时间的关系非常密切，基坑开挖到基底时，横向位移仍在继续增加，在开挖到底后的横向位移增加量占总位移量的 30%～47%。在基坑开挖过程中，严格遵循时空效应，加快施工进度，土方开挖完成后应及时施作结构板，防止中间桩柱之间的沉降差异过大，是控制基坑变形的关键手段之一。

（2）盖挖逆作法快速施工情况下地下连续墙与中间桩之间的差异沉降量较小,除非受到集中荷载较大的情况，可能会引起局部差异沉降较大的情况，其余情况都能满足规范要求。

（3）在基坑土方开挖完成后，中间桩的沉降差异还是比较大的。必须采取措施强化支护体系，使中间立柱变成一个整体，形成较大的刚度，能够有效抑制之间的沉降变化，使差异沉降变小。