天津站交通樞紐深基坑降水開挖引起的建筑物沉降分析

王 玥

(中鐵隧道集團技術中心，河南洛陽 471009)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速增長，交通流量越來越大，交通方式也越來越多，于是大規(guī)模的立體復合式交通樞紐工程應運而生。由于其匯集的交通線路和交通方式繁多，將給城市地區(qū)施工帶來更多的困難和挑戰(zhàn)，尤其是基坑的施工(開挖和降水)造成周邊地層沉降是目前最直接和顯著的不良影響，施工控制難度大，風險高，迫切需要對其沉降機制和特征進行研究分析。

目前國內(nèi)外對于基坑施工引起的地層沉降的研究多集中在地表沉降，最有影響的是1969年Peck通過工程實測統(tǒng)計得出的一套與土性及開挖深度有關的地表沉降估算方法［1］。此外，Attwell［2］探討了地下工程或基坑開挖引起的地面沉降以及對地面建(構)筑物和地下管線的影響;Iame［3］定性分析了影響坑周土體變形的各種因素;Bransby等［4］研究了砂土地層中土與擋墻之間接觸面光滑程度及砂土性質等對擋墻側移和坑周土體沉降的影響;魏汝龍［5］探討了基坑開挖卸載與被動土壓力的關系;潘秋元等［6］研究了基坑開挖中應力路徑對不排水強度的影響;孫均［7］研究了地下連續(xù)墻基坑開挖對環(huán)境土工病害的預測與防治;陳觀勝等［8］結合工程實例探討了深基坑開挖對周圍建筑物的影響問題及其保護措施;鄒明［9］探討了基坑開挖引起的環(huán)境問題及產(chǎn)生原因，包括地下水和支護結構方面的影響;李勇［10］針對基坑開挖對緊鄰既有建(構)筑物地基承載力的影響作了探討及計算。

以上這些研究多集中于開挖施工和支護手段，而忽略了降水施工，并且以經(jīng)驗的分析和總結居多?；咏邓畯拇蟮姆矫婵梢苑譃榛油饨邓突觾?nèi)降水［11］。目前降水設計規(guī)范給出的公式大都是用于坑外降水設計的，而坑內(nèi)降水用的計算公式相當復雜而不被工程人員設計時采用。因此，細致分析基坑施工各步驟，并綜合考慮支護方式，為控制周邊地層沉降提供適用的、廣泛的借鑒經(jīng)驗十分有必要。

本文以天津站交通樞紐3標段基坑工程為例，結合監(jiān)測數(shù)據(jù)，并利用數(shù)值模擬，對基坑的降水和開挖引發(fā)的地層沉降進行分析，總結降水施工和開挖施工各自引發(fā)沉降的不同特點，提出實際施工的優(yōu)化方案。

1 工程概況

天津站交通樞紐工程是集普速鐵路、京津城際高速鐵路、城市軌道交通、公交和周邊市政道路于一體的特大型綜合項目，建設資金80億元，集中在以鐵路天津站南(前)、北(后)廣場為核心，東至李公樓立交，北至新開路，西至五經(jīng)路，南至海河東路的范圍內(nèi)，規(guī)劃總占地面積為94.46 hm2。天津站交通樞紐總平面圖見圖1。

圖1 天津站交通樞紐總平面圖Fig.1 General plan of Tianjin Railway Station Terminal

本工程場地處于沖積平原，地形平坦，地面高程為1.72～3.41 m，現(xiàn)處于市區(qū)，多為公路及房屋建筑。場地屬穩(wěn)定場地，適宜地鐵建設;但基坑開挖范圍內(nèi)土體主要為黏性土、填土、淤泥質土、粉土及粉砂，土質松軟，直立性差，場地內(nèi)存在軟弱地層，工程地質條件較差。應針對具體工程要求采取適宜的處理措施。

場區(qū)地層為第四系全新統(tǒng)人工填土層、第Ⅰ陸相層、第Ⅰ海相層、第Ⅱ陸相層、第Ⅲ陸相層、第Ⅱ海相層、第Ⅳ陸相層、第Ⅲ海相層、第Ⅴ陸相層和第Ⅳ海相層。

天津地下水受基底構造、地層巖性和地形、地貌、氣象以及海進、海退等綜合因素影響，水文地質條件非常復雜。在自然條件下總的地下水補、徑、排特點是:在水平方向上，淺層水和深層水由北向南形成補給;在垂直方向上，下伏含水巖組接受上覆含水巖組的滲透補給。

場地地下水包括淺層第四系孔隙潛水、賦存于－15.00～－75.00 m的粉土和砂土層中淺層微承壓水和－75.00 m以下的深層承壓水。

2 數(shù)值模擬方案及結果分析

2.1 基本模型的選取與建立

本段線路位于市中心，地面道路交通繁忙，地下管線管道較多，場地周圍既有建筑物基礎密集，從北起順時針依次為城市之光小區(qū)、美震寫字樓、裕陽家園小區(qū)、惠森家園小區(qū)、網(wǎng)通分局和匯和家園小區(qū)，其對施工場地的安排和施工方案的選擇都有較大的影響。建筑分布總圖見圖2。

圖2 建筑分布總圖Fig.2 Distribution of buildings

本數(shù)值模擬以3標段基坑工程及鄰近的裕陽17棟為基本模型。選取的理由為:1)具備完整的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從基坑開挖前至完工都有真實詳盡的數(shù)據(jù);2)監(jiān)測數(shù)據(jù)的響應變化較理想，隨各步施工的進行有相應變化;3)受工況的影響較單一，不用考慮多個工作面甚至多個標段施工的綜合影響，減小模型體積，降低運算量。

由圖2可知:3標段及其北側2棟居民樓為近似平行條形分布，因滲流計算量十分巨大，對其簡化，選取南北方向切片區(qū)域建立模型，切片長度從基坑中心線向北共101.5 m。由于該條形基坑的內(nèi)支撐間距為5 m，由此確定該切片厚度為5 m。模型地層深度取76 m。整個模型共2 784個單元，4 116個節(jié)點。本模型采用摩爾－庫倫模型和滲流計算模式，基本模型圖見圖3。材料物理力學參數(shù)見表1和表2。

圖3 基本模型圖Fig.3 Model

表1 各土層物理參數(shù)表Table 1 Physical parameters of different strata

表2 其他構筑物物理參數(shù)Table 2 Physical parameters of other structures

由于采用水土耦合計算模式，其邊界條件分述如下:

1)固體邊界條件。模型底端固結，限制X，Y，Z方向位移，X方向側面鉸接，在2個端面限制X方向的位移;同理，Y方向側面鉸接，在2個端面限制Y方向位移。

2)流體邊界條件。在－3m深度定義潛水面，固定孔隙水壓力為零;在模型底部固定孔隙水壓力為0.6 MPa;四周封閉，不設置孔隙水壓力;之后進行滲流計算，生成初始孔隙水壓力場以后，固定遠端面孔隙水壓力。

2.2 初步模擬試驗

在建立了基本模型之后，首先進行了3項數(shù)值模擬試驗，分別為無隔水結構(地連墻)的地層降水試驗、有隔水結構(地連墻)的地層降水試驗和單純開挖試驗(無滲流計算)。其中，降水和開挖都參照實際施工的工序和深度分步進行，每進行一步模擬(降水或開挖)都依次進行流體模型平衡計算和固體模型平衡計算。降水分 6 步進行，深度依次為 5，10，15，20，23，28 m。開挖步驟具體見表3。

表3 開挖步驟Table 3 Excavation processes

本試驗為研究比較基坑降水和開挖分別對周邊地層沉降造成的影響，從而為后文工程實例固流耦合分析提供對比參考依據(jù)。部分結果如圖4和圖5所示。

將上述降水試驗(含有地連墻和無地連墻2套方案)和開挖試驗的結果綜合比較，結果如圖6和圖7所示。

圖6 數(shù)值模擬試驗平均沉降比較曲線圖Fig.6 Average settlement obtained by numerical simulations

圖7 數(shù)值模擬試驗差異沉降比較曲線圖Fig.7 Differential settlement obtained by numerical simulations

由圖6和圖7可知:1)在影響建筑整體(平均)沉降的因素中，降水施工處于決定地位，隨著降水深度和開挖深度的增加，建筑沉降增加;在影響建筑差異沉降(建筑傾斜)的因素中，開挖施工和降水施工都對其有影響，但隨降水深度的變化，差異沉降變化不大，而隨著開挖深度的增加，差異沉降將明顯增大。2)在小于5 m深度施工時(包括降水和開挖)，降水對周邊環(huán)境變形影響居主導地位，開挖施工造成的平均沉降較小。3)在5～15 m深度施工時，周邊的平均沉降有一定增加，但開挖造成的差異沉降開始大于降水的影響。由于實際施工中多少存在圍護結構滲水以及架設支撐滯后的情況，所以認為降水和開挖對周邊建筑差異沉降(傾斜)的影響是近似相等的。4)在大于15 m深度施工時，無論是受降水施工還是開挖施工影響，周邊建筑的平均沉降的速率開始增大;而開挖造成的建筑差異沉降開始顯著增加，明顯大于降水施工的影響。

2.3 原施工方案數(shù)值模擬

原施工方案擬采用明挖順作工法，經(jīng)過FLAC3D計算，部分結果如圖8和圖9、表4所示。

圖8 孔壓云圖及滲流場變化圖(明挖順作法)Fig.8 Developing process of pore water pressure and flow vectors(open excavation)

由表4可知:1)在基坑開挖完畢后建筑平均沉降(中心沉降)為 －14.8 mm，差異沉降為8.2 mm;2)基坑及周邊土體的變形主要從19 m以下降水開挖后變化速率明顯加快，建筑整體平均沉降較小，差異沉降較大。由此可以說明此方案的降水設計是合理的，隔水帷幕的嵌入深度足夠，有效保證了坑外滲流場和孔壓分布的穩(wěn)定，使建筑的整體平均沉降在安全范圍內(nèi)。

圖9 開挖完成后豎向位移云圖及位移矢量場Fig.9 Cloud of vertical displacement and vectors after excavation

表4 原施工方案數(shù)值模擬計算結果Table 4 Results of numerical simulation based on original construction scheme

從建筑差異沉降控制方面來看，此方案的設計存在不足之處，即內(nèi)支撐系統(tǒng)的剛度不夠，尤其是后3道支撐?；娱_挖完畢后地連墻變形比較嚴重，墻體最大水平位移達到近－24.8 mm，這直接導致了墻外土體沉降和建筑差異沉降的劇增。

考慮到原設計地連墻厚度已經(jīng)達到1 m，鋼支撐間距最大為5 m，再綜合成本和施工方便因素，增厚地連墻和加大鋼支撐密度的方法都不可取;但若在關鍵部分(如在第5步開挖到－19 m深時)改鋼支撐為鋼筋混凝土支撐，可以明顯提高內(nèi)支撐系統(tǒng)的剛度，能控制墻體變形和建筑差異沉降。

2.4 實際施工方案數(shù)值模擬

由于2008年奧運會對于京津城際使用的要求，市政強制施工恢復路面，實際施工在中途改用蓋挖逆作工法(見圖10)。

圖10 實際工程施工流程圖Fig.10 Construction process

經(jīng)過 FLAC3D計算，部分結果如圖 11和表5所示。

圖11 實際施工完成后豎向位移云圖及位移矢量場Fig.11 Cloud of vertical displacement and vectors after construction

表5 實際施工方案數(shù)值模擬計算結果Table 5 Results of numerical simulation based on adopted construction scheme

由圖11和表5可知:對比于明挖順作工法，基坑內(nèi)支撐系統(tǒng)剛度增強，地連墻的水平位移得到了明顯抑制，基坑外地表沉降比較均勻，較好地控制了建筑的差異沉降;同時，無論是墻頂最終位移還是墻體最大水平位移都大大減小了。

經(jīng)過數(shù)據(jù)整理，2種施工方案的平均沉降和差異沉降對比曲線如圖12和圖13所示。

圖12 2種施工方案平均沉降對比Fig.12 Average settlements induced by two different construction schemes

由圖12可知:1)數(shù)值模擬曲線在開挖到11 m以前降水和開挖工況相同，不同工法引起的建筑沉降相同;而后隨開挖深度的增加建筑沉降增加，且明挖順作工法引起的建筑沉降大于半蓋挖逆作工法，并且在降水施工和土方開挖2種不利因素共同作用下有失穩(wěn)趨勢;2)半蓋挖逆作工法對建筑的影響很小，在降水條件相同的情況下，土體開挖可能引起的平均沉降被很好地控制。

圖13 2種施工方案差異沉降對比Fig.13 Differential settlements induced bytwo different construction schemes

由圖13可知:從開挖到20m以后，明挖工法造成的建筑差異沉降開始明顯增大，而蓋挖工法的差異沉降曲線則十分平穩(wěn)。鑒于差異沉降是造成建筑開裂傾倒的首要因素，在環(huán)境保護等級高的城市地區(qū)，應該優(yōu)先采用蓋挖逆作工法。

2.5 與實測值對比分析

綜合原施工方案、實際施工方案和監(jiān)測數(shù)據(jù)，不同開挖深度的平均沉降對比情況如圖14所示。

圖14 數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測平均沉降對比曲線圖Fig.14 Average settlement obtained by numerical simulation vs.that measured in site

由圖14可以看出:在c點以前的淺層降水開挖施工中，數(shù)值模擬結果和現(xiàn)場實測值比較吻合;而到了d點及d點以后，實測值大于數(shù)值模擬結果。其原因是:在負四層開挖施工后，地連墻有漏水現(xiàn)象，尤其是在2009年4月8日左右，地連墻靠建筑一側出現(xiàn)較大裂縫，漏水嚴重，導致了建筑的沉降值急劇增大，遠遠超過數(shù)值模擬的計算結果。

將數(shù)值模擬結果插入實測差異沉降曲線圖(見圖15)中對應的時間位置，可以看到在負四層開挖施工之前，數(shù)值模擬計算結果同實測值比較吻合，整體趨勢一致，最大差值不超過2 mm;但在負四層開挖施工中，由于地連墻裂縫引起的漏水涌砂，在造成建筑及地表平均沉降驟增的同時，也使建筑的差異沉降急劇增大，對建筑產(chǎn)生了嚴重威脅。在封堵好漏水并在建筑沉降較大一側進行注漿加固后，其差異沉降情況才得到控制，趨于平穩(wěn)。

圖15 數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測差異沉降對比曲線圖Fig.15 Differential settlement obtained by numerical simulation vs.that measured in site

由上分析，再一次驗證了富水軟土地區(qū)深層降水開挖施工中隔水帷幕的重要性;而在現(xiàn)實施工中，地連墻的接縫處難以避免出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，且越是在深處漏水的概率就越大，這就導致數(shù)值模擬結果與實測數(shù)據(jù)不一致。

就不同漏水情況而言，本算例中平均沉降的數(shù)值模擬結果(地連墻未起到隔水作用)可以達到36 mm以上(參見2.2初步模擬試驗);而差異沉降情況則比較難以預計，其受孔壓場變化影響不大，主要由圍護結構(地連墻)水平位移或圍護結構漏水涌砂引起突變。

在今后的深基坑施工過程中應做好應急處理的準備，建立良好的監(jiān)測信息反饋系統(tǒng)。在每步降水以后和開挖之前，如發(fā)現(xiàn)地表或建筑沉降速率明顯加快，就意味著隔水帷幕可能存在較嚴重的漏水現(xiàn)象，可提前采取措施修補漏水部位，對重要建筑注漿加固。

3 優(yōu)化方案探討

由上述分析可知，從控制地表和建筑沉降角度而言，采用半蓋挖逆作工法比明挖順作工法更為有利，明挖順作和蓋挖逆作工法的優(yōu)缺點如表6所示。

本工程實際采用的是先淺層明挖而后改用蓋挖逆作，發(fā)揮了2種工法各自的優(yōu)勢:

1)在淺層降水和開挖施工中(本工程為－15 m)，對周圍環(huán)境影響相對較小時采用明挖順作法，加快了工程進度。

表6 不同工法對比表Table 6 Comparison and contrast between different construction schemes

2)隨降水和開挖深度的增加，周圍環(huán)境對圍護結構的剛度提出了更高的要求。在完成負一和負二層結構后改用蓋挖逆作工法，可以有效控制地連墻的墻體變形，從而降低土體開挖帶來的空間效應，相比于單純明挖更有利于減少建筑的沉降值，尤其是建筑物的差異沉降值。

3)此混合工法很好地適應了交通環(huán)境。前期天津站后廣場1標段和2標段正在進行蓋挖逆作施工，1標段上方地表正在進行城際站房結構和裝修施工，整片區(qū)域屬于交通限制區(qū)域。此時3標段用明挖法快速出土，而后在奧運前夕，城際站房和其地下設備房都施工安裝完畢，城際鐵路投入使用，3標段改用蓋挖法，及時恢復了后廣場交通運營，保證了京津城際鐵路的良好運營。

綜上，天津站后廣場3標段基坑工程的混合工法在工程安全和環(huán)境適應方面都取得了良好的效果，值得今后的其他工程借鑒。

后期最后1步開挖前，工程施作了間隔5 m、斷面1 m×1 m的鋼筋混凝土支撐，保證了最后步開挖基坑的穩(wěn)定。從數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測的角度看，最后2步降水開挖相比，建筑和地表的沉降情況變化不大，本工程在最后嘗試刪減此鋼筋混凝土支撐，以期達到優(yōu)化目的。優(yōu)化方案最終沉降云圖見圖16。

圖16 優(yōu)化方案最終沉降云圖Fig.16 Cloud of final settlement of optimized construction scheme

由圖16可知，優(yōu)化后建筑平均沉降約為15 mm，差異沉降小于2 mm，處于可控制范圍內(nèi)。因此，采用蓋挖逆作工法后，最后1道鋼筋混凝土支撐是可以省略的，但出于安全考慮，可以適當加大其支撐的間距，或者視場地施工便利與否采用其他形式的內(nèi)支撐。

4 結論與討論

1)降水施工是引起建筑沉降的主要因素，根據(jù)無隔水結構的數(shù)值模擬試驗，其導致的沉降占總量的90%以上。在天津站后廣場3標段基坑工程中，最終實測平均累積沉降達到約－40 mm，其中由于施工降水引起的沉降超過－35mm，二者是相符合的。

2)開挖施工對建筑的不利影響主要體現(xiàn)在差異沉降上，其引起的差異沉降值為降水引起差異沉降值的1～2倍。在本例淺層土體(－10～－15 m)施工中，降水和開挖引起的差異沉降相差不多，均為1 mm;在較深土體(－15～－26 m)施工中，開挖引起的差異沉降為5 mm，降水引起的差異沉降約2 mm。

3)在富水軟土地區(qū)的基坑工程中應高度重視及時封堵隔水帷幕漏水和架設足量的內(nèi)支撐，這是施工過程控制周邊地層平均沉降和差異沉降的重點。

4)蓋挖逆作法比明挖順作法更能控制地表沉降和建筑沉降，且不影響地面交通，十分適合環(huán)境保護要求嚴格的大中城市(如上海、北京、天津、武漢等)。本例中的半蓋挖逆作(前期明挖順作，后期蓋挖逆作)則兼具了施工快速、沉降風險小的優(yōu)點，值得推廣使用。

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