深基坑逆作法施工地表沉降規(guī)律分析

周嘉賓，張建新，牛 磊

(1. 天津城市建設(shè)學(xué)院，天津 300384；2. 上海長(zhǎng)凱巖土工程有限公司，上海 200002)

深基坑逆作法施工地表沉降規(guī)律分析

周嘉賓1，張建新1，牛 磊2

(1. 天津城市建設(shè)學(xué)院，天津 300384；2. 上海長(zhǎng)凱巖土工程有限公司，上海 200002)

以天津某交通樞紐深基坑工程為例，通過基坑開挖過程中周圍地表豎向位移的實(shí)測(cè)資料分析，對(duì)比了基坑不同開挖方法下周圍地表沉降的特點(diǎn)，總結(jié)了基坑開挖對(duì)周圍地表沉降的影響因素，并提出控制沉降的措施．

逆作基坑；地表沉降；施工降水；附加荷載

隨著城市化進(jìn)程的加快，高層建筑以及地下鐵路工程迅速發(fā)展，產(chǎn)生了大量的深基坑工程．在保證基坑本身安全可靠的同時(shí)，深基坑開挖引起的環(huán)境效應(yīng)也日益引起人們的重視，而其中尤其以基坑開挖引起的地表沉降對(duì)環(huán)境的影響最大[1-2]．據(jù)報(bào)道，貫穿金沙洲的武廣鐵路隧道工程施工排水造成廣州金沙洲地區(qū)部分房屋開裂、地面塌陷，受到地質(zhì)災(zāi)害影響的居民高達(dá)263戶1,002人．而逆作法施工作為一項(xiàng)新興的基坑支護(hù)方式，以其變形小、施工周期短、對(duì)環(huán)境影響小等特點(diǎn)在城市密集建筑群中的深基坑工程中得以廣泛應(yīng)用[3-4]．因此，有必要對(duì)深基坑逆作法施工引起的周圍地表沉降情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析．

國(guó)內(nèi)外對(duì)地下工程施工引起的地表沉降規(guī)律的研究，取得很多成果，包括根據(jù)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式、理論計(jì)算以及模型模擬實(shí)驗(yàn)等．但由于地下工程的復(fù)雜性，影響因素眾多，很難從理論或模型實(shí)驗(yàn)取得具有普遍意義的成果．另外，研究對(duì)象多為隧道盾構(gòu)施工或明挖順作基坑[5-7]，而對(duì)深基坑逆作法施工對(duì)周圍環(huán)境的影響卻鮮有涉及．

鑒于此，筆者首先總結(jié)了不同基坑周圍地表沉降的特點(diǎn)，然后以天津某交通樞紐基坑工程為例，通過基坑開挖過程中周圍地表豎向位移的實(shí)測(cè)資料分析，研究了逆作基坑開挖過程中地表土體的變位情況，探討了不同施工方法下基坑開挖對(duì)周圍環(huán)境的影響因素，并提出了相應(yīng)的減小沉降的措施．

1 順作法施工基坑周圍地表沉降特點(diǎn)

1.1 最大地表沉降發(fā)生的位置

懸臂支護(hù)基坑周圍地表沉降最大位移發(fā)生在基坑邊緣，開挖結(jié)束時(shí)的沉降曲線近似呈三角形分布；而帶支撐基坑，墻后最大地表沉降發(fā)生在距離圍護(hù)墻一定距離處，且與開挖深度相關(guān)性不大．其地表沉降的分布是一個(gè)不對(duì)稱的沉降盆，如圖 1所示．另外，在距圍護(hù)墻一定距離(即最大沉降發(fā)生處距圍護(hù)墻的距離 xmax)內(nèi)，地表沉降隨距圍護(hù)墻距離的增大基本上呈線性增大；超過該距離后，沉降逐漸減小，其減小的速度先快后慢．

圖1 內(nèi)支撐基坑周圍地表沉降曲線

1.2 地表沉降的估算范圍

地表沉降實(shí)際范圍目前在學(xué)術(shù)界有較大的分歧，根據(jù)各自不同的沉降分布概化曲線(見圖 2)，主要的觀點(diǎn)有：根據(jù) Peck曲線[8]，軟土地區(qū)基坑地表沉降范圍小于 4,L(L為基坑開挖深度)；文獻(xiàn)[9]地表沉降范圍取支護(hù)結(jié)構(gòu)背后滑動(dòng)棱體的寬度，即Ltan(/4-/2)φπ(φ為土體內(nèi)摩擦角)；文獻(xiàn)[10]認(rèn)為存在一個(gè)所謂的“顯著影響范圍”，在該范圍外地表沉降不隨基坑開挖過程顯著增大；文獻(xiàn)[11]認(rèn)為沉降范圍為(10～12)Ltan(/4-/2)φπ；文獻(xiàn)[12]中對(duì)地表沉降范圍直接給定為1.6,L．

實(shí)際上，基坑周圍地表沉降的范圍取決于地層的性質(zhì)、基坑開挖深度、墻體入土深度、下臥軟弱土層深度以及開挖支撐施工方法等多方面的因素．各種觀點(diǎn)并存的原因在于考慮“沉降”的起點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)源不同，例如有些主要根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，有些則以有限元計(jì)算數(shù)據(jù)為準(zhǔn)．

圖2 典型地表沉降曲線

2 逆作法深基坑地表沉降分析

2.1 工程概況

天津某交通樞紐工程位于市區(qū)中心，為鐵路、地鐵的換乘站．該工程地下結(jié)構(gòu)整體三層，底板埋深25.0,m．基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，墻深 42～53,m，墻厚 1.2,m，內(nèi)側(cè)設(shè)置 800,mm 厚襯墻．中間樁柱采用永臨結(jié)合的單樁、單柱方案，采用蓋挖逆作法施工．為便于分析，找出地表沉降規(guī)律，對(duì)開挖工況進(jìn)行了簡(jiǎn)化(見表1)．

工程場(chǎng)地位于天津軟土地區(qū)，地層主要為第四系黏土、粉質(zhì)黏土、粉土等，地下水位埋深平均1.5,m．

表1 施工工況

2.2 基坑監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

地表沉降垂直基坑長(zhǎng)邊設(shè)觀測(cè)斷面，共設(shè)置 63個(gè)測(cè)點(diǎn)(DB1-DB63)，測(cè)點(diǎn)間距5,m，基坑深度變化與斷面變化處加密．采用全站儀量測(cè)．監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布位置示意如圖 3所示．因施工后期周圍測(cè)點(diǎn)破壞嚴(yán)重，筆者僅對(duì)DB21-DB28測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析．

圖3 基坑地表沉降測(cè)點(diǎn)布置示意

2.3 地表沉降規(guī)律分析

2.3.1 地表沉降歷程分析

圖 4為各工況下 DB24-DB28測(cè)點(diǎn)地表沉降歷程曲線．

從圖4可以看出：

(1) 各工況下地表沉降歷程曲線不同于圖 1和圖 2的幾種典型沉降曲線，隨著距基坑距離的增大，呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)．另外，從縱向看，隨基坑開挖深度的增大，支護(hù)結(jié)構(gòu)變位加劇，由此使圍護(hù)墻后地表沉降逐漸增大，并由大致均勻沉降演化為槽型沉降；

(2) 緊挨地連墻處地表沉降量較小，沉降最大值出現(xiàn)在距墻體一定的距離處，基本與帶內(nèi)支撐基坑沉降形式相同．這是因?yàn)椋耗孀鞣▽影褰Y(jié)構(gòu)做為水平支撐，由于支撐具有強(qiáng)大的剛度，使圍護(hù)墻體與土體之間的摩擦作用增大，阻礙了圍護(hù)墻周圍土體的沉降，所以墻后最大地表沉降發(fā)生在距離圍護(hù)墻一定距離處，與懸臂支護(hù)由于墻體側(cè)向位移較大，且摩擦作用有限而地表沉降最大值發(fā)生在墻體邊緣有顯著不同；

(3) 施工時(shí)降水引起的土體再固結(jié)是造成周圍地面沉陷的另一主要原因：由于本工程以坑內(nèi)降水為主且坑外有止水帷幕的保護(hù)，降水深度已達(dá)到承壓水層，離基坑較近的觀察井水位穩(wěn)定，稍遠(yuǎn)的井內(nèi)水位略有變化，受降水影響的范圍基本在距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)5,m范圍以內(nèi)，故地表沉降在0～5,m范圍之內(nèi)，隨距基坑外圍距離的增大沉降量逐漸增大；大于5,m范圍后，沉降量有變小趨勢(shì)，但幅度較?。?/p>

(4) 地表沉降最大值為24.59,mm，出現(xiàn)在工況7距基坑邊緣6,m處．此時(shí)基坑挖深L為25.0,m，地表沉降的最大值與開挖深度之比δymax/L約為0.9‰，遠(yuǎn)小于類似順作基坑的相應(yīng)值[13]．另外，按同一垂直基坑的直線上的測(cè)點(diǎn)沉降梯度推算基坑開挖的影響范圍為85,m，小于4倍的基坑深度L[9]．可見，逆作基坑以剛度較大的層板連續(xù)結(jié)構(gòu)作為支撐，且分層分段開挖，來減輕時(shí)空效應(yīng)對(duì)基坑周邊環(huán)境的影響，其效果十分明顯．

2.3.2 地表沉降歷時(shí)分析

圖5為測(cè)點(diǎn)DB21-DB28地表沉降的歷時(shí)曲線．

從圖5可看出：

(1) 地表沉降隨基坑開挖深度的增加而不斷增大，前期沉降梯度小，變形緩，后期沉降梯度變大，變形劇烈．其原因除了施工降水的不斷進(jìn)行以外，隨著基坑開挖深度不斷增大，基坑周圍土體塑性區(qū)范圍增大，塑性流動(dòng)加劇，土體從圍護(hù)墻外圍向坑內(nèi)和坑底移動(dòng)，基坑周圍既有建筑物的存在加劇了這種趨勢(shì)，由此造成沉降歷時(shí)曲線斜率后半程變化較大；

(2) 施工初期，基坑周圍地表呈現(xiàn)隆起狀態(tài)，這是因?yàn)椋汉襁_(dá) 1.0,m 的頂板與墻體形成了很好的整體，由于大體積混凝土的膨脹應(yīng)力作用，逆作基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在墻頂坑口處均產(chǎn)生向坑外的位移，推擠周圍土體導(dǎo)致其豎向隆起．而隨著開挖深度的增大，回彈減小，沉降逐步增大．

圖5 地表沉降歷時(shí)曲線

3 控制沉降措施

綜上所述，坑外地基土沉降主要受開挖深度的控制，與基坑支撐剛度密切相關(guān)，受基坑降水影響較大，并且隨著基坑開挖深度的逐漸加大，基坑周邊的附加荷載對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響也逐漸變大．鑒于此，提出以下措施來控制地表沉降：①采用地下連續(xù)墻作圍護(hù)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)支撐剛度；②分層分段開挖，并對(duì)基底土及時(shí)進(jìn)行加固；③合理設(shè)置支撐和預(yù)加軸力：土體開挖后及時(shí)設(shè)置支撐，頂撐位置盡量偏高，底撐位置盡量放低，支撐設(shè)置后盡量施加軸力；④合理選用井點(diǎn)類型，設(shè)置隔水帷幕，坑內(nèi)降水漏斗不要超過墻底；⑤在基坑外設(shè)置回灌井，盡量減少降水次數(shù)；⑥在施工過程中，在地表沉降的影響范圍內(nèi)，嚴(yán)格控制附加超載，減小鄰近建筑物的有效附加應(yīng)力，盡量避免頻繁的機(jī)械調(diào)動(dòng)和過量的堆載；⑦對(duì)于周圍環(huán)境要求嚴(yán)格的深基坑工程，施工期應(yīng)監(jiān)測(cè)地表沉降、墻體變位、基坑隆起等，以便利用信息反饋法指導(dǎo)施工．

4 結(jié) 論

筆者總結(jié)了順作基坑周圍地表沉降特點(diǎn)，并結(jié)合天津某交通樞紐深基坑工程，分析了逆作基坑施工對(duì)周邊地表沉降的影響，得出結(jié)論如下：

(1) 逆作基坑地表沉降隨著距基坑距離的增大，呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)；坑外在降水影響范圍內(nèi)沉降顯著；沉降最大值出現(xiàn)在距墻體一定的距離處，且遠(yuǎn)小于類似順作基坑的相應(yīng)值．施工初期，基坑周圍地表呈現(xiàn)隆起狀態(tài)；

(2) 坑外地基土沉降主要受開挖深度的控制，與基坑支撐剛度密切相關(guān)，受基坑降水影響較大，并且隨著基坑開挖深度的逐漸加大，基坑周邊的附加荷載對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響也逐漸變大；

(3) 可通過加強(qiáng)支撐剛度、分層分段開挖、土體開挖后及時(shí)設(shè)置支撐、在基坑外設(shè)置回灌井、盡量減少降水次數(shù)、嚴(yán)格控制附加超載、信息化施工等措施來控制地表沉降．

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Analysis of Ground Settlement Law due to Deep Excavation Using the Top-down Method

ZHOU Jia-bin1，ZHANG Jian-xin1，NIU Lei2
(1. Tianjin Institute of Urban Construction，Tianjin 300384，China；2. Shanghai Changkai Geotechnical Engineering Ltd.，Shanghai 200002，China)

Based on the deep foundation project of a transportation hub in Tianjin，through the analysis of the actual testing data of the vertical displacement of surrounding ground during the excavation，this paper contrasts the ground settlement characteristics of different construction methods，and then analyzes the influencing factors of deep excavation on surrounding ground settlement，and finally puts forward the control measures of ground settlement.

top-down method；ground settlement；foundation pit dewatering；additional load

TU473.2

A

1006-6853(2010)04-0251-04

2010-05-18；

2010-05-28.

周嘉賓（1985—），男，河南平頂山人，天津城市建設(shè)學(xué)院碩士生.

（編輯：胡玉敏）