深基坑逆作法施工地表沉降规律分析

周嘉宾，张建新，牛 磊

(1. 天津城市建设学院，天津 300384；2. 上海长凯岩土工程有限公司，上海 200002)

深基坑逆作法施工地表沉降规律分析

周嘉宾1，张建新1，牛 磊2

(1. 天津城市建设学院，天津 300384；2. 上海长凯岩土工程有限公司，上海 200002)

以天津某交通枢纽深基坑工程为例，通过基坑开挖过程中周围地表竖向位移的实测资料分析，对比了基坑不同开挖方法下周围地表沉降的特点，总结了基坑开挖对周围地表沉降的影响因素，并提出控制沉降的措施．

逆作基坑；地表沉降；施工降水；附加荷载

随着城市化进程的加快，高层建筑以及地下铁路工程迅速发展，产生了大量的深基坑工程．在保证基坑本身安全可靠的同时，深基坑开挖引起的环境效应也日益引起人们的重视，而其中尤其以基坑开挖引起的地表沉降对环境的影响最大[1-2]．据报道，贯穿金沙洲的武广铁路隧道工程施工排水造成广州金沙洲地区部分房屋开裂、地面塌陷，受到地质灾害影响的居民高达263户1,002人．而逆作法施工作为一项新兴的基坑支护方式，以其变形小、施工周期短、对环境影响小等特点在城市密集建筑群中的深基坑工程中得以广泛应用[3-4]．因此，有必要对深基坑逆作法施工引起的周围地表沉降情况进行监测和分析．

国内外对地下工程施工引起的地表沉降规律的研究，取得很多成果，包括根据大量实测数据总结的经验公式、理论计算以及模型模拟实验等．但由于地下工程的复杂性，影响因素众多，很难从理论或模型实验取得具有普遍意义的成果．另外，研究对象多为隧道盾构施工或明挖顺作基坑[5-7]，而对深基坑逆作法施工对周围环境的影响却鲜有涉及．

鉴于此，笔者首先总结了不同基坑周围地表沉降的特点，然后以天津某交通枢纽基坑工程为例，通过基坑开挖过程中周围地表竖向位移的实测资料分析，研究了逆作基坑开挖过程中地表土体的变位情况，探讨了不同施工方法下基坑开挖对周围环境的影响因素，并提出了相应的减小沉降的措施．

1 顺作法施工基坑周围地表沉降特点

1.1 最大地表沉降发生的位置

悬臂支护基坑周围地表沉降最大位移发生在基坑边缘，开挖结束时的沉降曲线近似呈三角形分布；而带支撑基坑，墙后最大地表沉降发生在距离围护墙一定距离处，且与开挖深度相关性不大．其地表沉降的分布是一个不对称的沉降盆，如图 1所示．另外，在距围护墙一定距离(即最大沉降发生处距围护墙的距离 xmax)内，地表沉降随距围护墙距离的增大基本上呈线性增大；超过该距离后，沉降逐渐减小，其减小的速度先快后慢．

图1 内支撑基坑周围地表沉降曲线

1.2 地表沉降的估算范围

地表沉降实际范围目前在学术界有较大的分歧，根据各自不同的沉降分布概化曲线(见图 2)，主要的观点有：根据 Peck曲线[8]，软土地区基坑地表沉降范围小于 4,L(L为基坑开挖深度)；文献[9]地表沉降范围取支护结构背后滑动棱体的宽度，即Ltan(/4-/2)φπ(φ为土体内摩擦角)；文献[10]认为存在一个所谓的“显著影响范围”，在该范围外地表沉降不随基坑开挖过程显著增大；文献[11]认为沉降范围为(10～12)Ltan(/4-/2)φπ；文献[12]中对地表沉降范围直接给定为1.6,L．

实际上，基坑周围地表沉降的范围取决于地层的性质、基坑开挖深度、墙体入土深度、下卧软弱土层深度以及开挖支撑施工方法等多方面的因素．各种观点并存的原因在于考虑“沉降”的起点标准不统一，数据源不同，例如有些主要根据实测数据，有些则以有限元计算数据为准．

图2 典型地表沉降曲线

2 逆作法深基坑地表沉降分析

2.1 工程概况

天津某交通枢纽工程位于市区中心，为铁路、地铁的换乘站．该工程地下结构整体三层，底板埋深25.0,m．基坑围护结构采用地下连续墙，墙深 42～53,m，墙厚 1.2,m，内侧设置 800,mm 厚衬墙．中间桩柱采用永临结合的单桩、单柱方案，采用盖挖逆作法施工．为便于分析，找出地表沉降规律，对开挖工况进行了简化(见表1)．

工程场地位于天津软土地区，地层主要为第四系黏土、粉质黏土、粉土等，地下水位埋深平均1.5,m．

表1 施工工况

2.2 基坑监测设计

地表沉降垂直基坑长边设观测断面，共设置 63个测点(DB1-DB63)，测点间距5,m，基坑深度变化与断面变化处加密．采用全站仪量测．监测点分布位置示意如图 3所示．因施工后期周围测点破坏严重，笔者仅对DB21-DB28测点进行分析．

图3 基坑地表沉降测点布置示意

2.3 地表沉降规律分析

2.3.1 地表沉降历程分析

图 4为各工况下 DB24-DB28测点地表沉降历程曲线．

从图4可以看出：

(1) 各工况下地表沉降历程曲线不同于图 1和图 2的几种典型沉降曲线，随着距基坑距离的增大，呈现出先增大后减小的趋势．另外，从纵向看，随基坑开挖深度的增大，支护结构变位加剧，由此使围护墙后地表沉降逐渐增大，并由大致均匀沉降演化为槽型沉降；

(2) 紧挨地连墙处地表沉降量较小，沉降最大值出现在距墙体一定的距离处，基本与带内支撑基坑沉降形式相同．这是因为：逆作法层板结构做为水平支撑，由于支撑具有强大的刚度，使围护墙体与土体之间的摩擦作用增大，阻碍了围护墙周围土体的沉降，所以墙后最大地表沉降发生在距离围护墙一定距离处，与悬臂支护由于墙体侧向位移较大，且摩擦作用有限而地表沉降最大值发生在墙体边缘有显著不同；

(3) 施工时降水引起的土体再固结是造成周围地面沉陷的另一主要原因：由于本工程以坑内降水为主且坑外有止水帷幕的保护，降水深度已达到承压水层，离基坑较近的观察井水位稳定，稍远的井内水位略有变化，受降水影响的范围基本在距离围护结构5,m范围以内，故地表沉降在0～5,m范围之内，随距基坑外围距离的增大沉降量逐渐增大；大于5,m范围后，沉降量有变小趋势，但幅度较小；

(4) 地表沉降最大值为24.59,mm，出现在工况7距基坑边缘6,m处．此时基坑挖深L为25.0,m，地表沉降的最大值与开挖深度之比δymax/L约为0.9‰，远小于类似顺作基坑的相应值[13]．另外，按同一垂直基坑的直线上的测点沉降梯度推算基坑开挖的影响范围为85,m，小于4倍的基坑深度L[9]．可见，逆作基坑以刚度较大的层板连续结构作为支撑，且分层分段开挖，来减轻时空效应对基坑周边环境的影响，其效果十分明显．

2.3.2 地表沉降历时分析

图5为测点DB21-DB28地表沉降的历时曲线．

从图5可看出：

(1) 地表沉降随基坑开挖深度的增加而不断增大，前期沉降梯度小，变形缓，后期沉降梯度变大，变形剧烈．其原因除了施工降水的不断进行以外，随着基坑开挖深度不断增大，基坑周围土体塑性区范围增大，塑性流动加剧，土体从围护墙外围向坑内和坑底移动，基坑周围既有建筑物的存在加剧了这种趋势，由此造成沉降历时曲线斜率后半程变化较大；

(2) 施工初期，基坑周围地表呈现隆起状态，这是因为：厚达 1.0,m 的顶板与墙体形成了很好的整体，由于大体积混凝土的膨胀应力作用，逆作基坑围护结构在墙顶坑口处均产生向坑外的位移，推挤周围土体导致其竖向隆起．而随着开挖深度的增大，回弹减小，沉降逐步增大．

图5 地表沉降历时曲线

3 控制沉降措施

综上所述，坑外地基土沉降主要受开挖深度的控制，与基坑支撑刚度密切相关，受基坑降水影响较大，并且随着基坑开挖深度的逐渐加大，基坑周边的附加荷载对围护结构水平位移的影响也逐渐变大．鉴于此，提出以下措施来控制地表沉降：①采用地下连续墙作围护结构，加强支撑刚度；②分层分段开挖，并对基底土及时进行加固；③合理设置支撑和预加轴力：土体开挖后及时设置支撑，顶撑位置尽量偏高，底撑位置尽量放低，支撑设置后尽量施加轴力；④合理选用井点类型，设置隔水帷幕，坑内降水漏斗不要超过墙底；⑤在基坑外设置回灌井，尽量减少降水次数；⑥在施工过程中，在地表沉降的影响范围内，严格控制附加超载，减小邻近建筑物的有效附加应力，尽量避免频繁的机械调动和过量的堆载；⑦对于周围环境要求严格的深基坑工程，施工期应监测地表沉降、墙体变位、基坑隆起等，以便利用信息反馈法指导施工．

4 结 论

笔者总结了顺作基坑周围地表沉降特点，并结合天津某交通枢纽深基坑工程，分析了逆作基坑施工对周边地表沉降的影响，得出结论如下：

(1) 逆作基坑地表沉降随着距基坑距离的增大，呈现出先增大后减小的趋势；坑外在降水影响范围内沉降显著；沉降最大值出现在距墙体一定的距离处，且远小于类似顺作基坑的相应值．施工初期，基坑周围地表呈现隆起状态；

(2) 坑外地基土沉降主要受开挖深度的控制，与基坑支撑刚度密切相关，受基坑降水影响较大，并且随着基坑开挖深度的逐渐加大，基坑周边的附加荷载对围护结构水平位移的影响也逐渐变大；

(3) 可通过加强支撑刚度、分层分段开挖、土体开挖后及时设置支撑、在基坑外设置回灌井、尽量减少降水次数、严格控制附加超载、信息化施工等措施来控制地表沉降．

［1］孙 钧. 市区基坑开挖施工的环境土工问题[J]. 地下空间，1999(4)：261-265．

［2］董新平，周顺华，高万春，等. 地下通道开挖宽度对地表沉降的影响[J]. 地下空间与工程学报，2005(3)：55-61．

［3］徐至均，赵锡宏. 逆作法设计与施工[M]. 北京：机械工业出版社，2002.

［4］赵锡宏，张启辉，张保良，等. 上部结构、地基和基础共同作用理论在逆作法设计与施工中的应用[J]. 建筑技术，1999(11)：769-772．

［5］王保建. 围护结构变形模式对土压力和坑周地表沉降的影响[D]. 上海：同济大学，2007．

［6］王 翠. 天津地区地铁深基坑变形及地表沉降研究[D]. 天津：天津大学，2005．

［7］赵运臣．城市地下工程施工引起的地表沉降规律研究及数据库开发[D]. 上海：同济大学，2007．

［8］PECK R B. Deep excavation and tunnelling in soft ground[C]// Proceedings of 7th International Conference Soil Mechanics and Foundation Engineering. New York：ASCE，1969：225-290.

［9］侯学渊，廖少明. 盾构隧道沉降预估[J]. 地下工程与隧道，1993(4)：24-32.

［10］简艳春. 软土基坑变形估算及其影响因素研究[D]. 南京：河海大学，2001.

［11］高俊合. 深基坑支护结构设计理论研究[D]. 南京：河海大学，1998.

［12］王照宇. 深基坑支护结构的环境土工问题及其对策[J]. 西部探矿工程，2003(5)：161-163．

［13］赵锡宏，陈志明，胡中雄. 高层建筑深基围护工程实践与分析[M]. 上海：同济大学出版社，1996．

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.

周嘉宾（1985—），男，河南平顶山人，天津城市建设学院硕士生.

（编辑：胡玉敏）