盖挖半逆作上下协同施工诱发环境变形特征

李立云，蒋浩楠，王兆辉，王兵兵，王熠琛

（1.北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124；2.北京京能地质工程有限公司，北京 102300；3.北京建工博海建设有限公司，北京 100071）

0 引言

盖挖逆作法源于1951年加拿大多伦多地铁工程，20世纪50年代末意大利米兰地铁工程首次用临时盖板、盖板梁和立柱桩系统将路面荷载传到地基成功解决了施工与交通的矛盾，当时被称为“米兰法”，在日本称之为“逆作法”［1］，我国于20世纪80年代修建北京地铁车站时引入该法［2］。

近年来，随着我国城市的快速发展，北京、上海、广州等大城市地上空间濒临拥挤，地下空间的开发和利用势在必行。鉴于施工过程中基坑变形小、对周围环境影响小、施工便利、作业环境好，可以降低不确定性因素的影响，有效缩短工期，逆作法被广泛应用于地下工程建设［3－7］，一些学者亦对该工法施工的影响进行了探索性研究。倪冰玉对盖挖逆作法施工技术进行了一定的探讨［8］。Gui分析了基坑采用逆作法开挖时建筑物的变形性状，发现采用钢筋混凝土桩基的建筑物沉降模式为凹形轮廓［9］。王国粹基于实际工程，发现逆作法施工下基坑变形的时间效应尤为显著［10］。宗露丹通过监测和模拟结合的手段研究了逆作法施工下基坑的变形性状［11］。然而，逆作法的施工空间狭小致使施工效率受到制约，将顺作法和逆作法相结合的半逆作法逐渐为工程界所关注。谢小松［12］、应宏伟［13］、钟卫斌［14］等对半逆作法进行了探讨。与逆作法相比，半逆作法可以增大作业空间，提高效率，同时也能满足安全性要求。

目前，针对盖挖半逆作法的研究尚缺乏对地上地下结构同步施工的考虑。为缩短工期节约成本，降低碳排放量，北京市某工程建设采用了半逆作地上地下结构同步施工方法，本文称该工法为盖挖半逆作上下协同施工方法。依托该工程，本文利用大型有限元软件ABAQUS对该工程的施工过程进行数值模拟，分析盖挖半逆作上下协同施工全过程中周边场地、既有建筑物、围护结构和墙后土体的力学响应，探讨盖挖半逆作上下协同施工和周边环境的相互作用，为后续施工及类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

为满足居民的回迁安置要求，北京市启动了某棚户区改造项目工程。该工程周边环境复杂，右侧有既有建筑、左侧临近地铁车站，场地地理位置如图1所示。

图1 拟建场地地理位置图Fig.1 Location of the pr oposed site

工程分两期施工，本文仅对1＃地块施工过程进行研究。1＃地块规划为地下5层＋地上23层，施工方式为盖挖半逆作上下协同施工，基坑围护结构采用地下连续墙，墙体入土深度36.5m；坑内竖向支撑采用一体化桩柱，基坑东西方向62.3m，南北向45.7m，开挖深度25.5m，施工平面简图及监测点位见图2。

图2 施工平面简图及监测点位置Fig.2 Plan diagram of construction and the location of monitoring points

1.2 工程地质条件

按岩土体的沉积年代和成因类型，本工程场地地层分为人工填土层和第四系冲洪积层两大类。根据工程场地地质勘察报告，各土层的物理力学指标如表1所示。本工程地下水共有两层，分别为位于中砂层的潜水和位于卵石层的层间水，其中，潜水水位埋深20.05～21.54m，层间水水位埋深28.02～28.50m。地下水对混凝土结构无腐蚀性，对钢筋混凝土中的钢筋无腐蚀。层间水位于基坑底面以下3m左右，对结构影响影响很小。

表1 各土层物理力学性质参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil layers

1.3 盖挖半逆作上下协同施工步序

工程施工采用地上和地下协同施工的方法，地上结构采用顺作法施工，地下结构采用盖挖半逆作法施工，详细施工步序如图3所示：

（1）如图3a所示，施工围挡并平整场地，施作围护结构、核心筒地连墙，然后施工桩基。

（2）如图3b所示，墙外施作挡水台，拆除基坑内侧导墙，向下开挖基坑6.7m，施作负一层顶板。

图3 盖挖半逆作上下协同施工步序图Fig.3 Process step diagram of cooperative construction of superstructur e and substr uctur e by cover-excavation semi-reverse method

（3）如图3c所示，地下一层顶板强度达到设计强度80%后施作顶板防水，继续向下开挖基坑2.3m，施作侧墙防水、负二层顶板、负一层侧墙、中梁，侧墙上预留施工缝；同时，地上结构施工至5层。

（4）如图3d所示，地下二层顶板强度达到设计强度75%后，继续向下开挖基坑4.1m，施作侧墙防水、负三层顶板、负二层侧墙、中梁，侧墙上预留施工缝；同时，地上结构施工至8层。

（5）如图3e所示，地下三层顶板强度达到设计强度75%后，继续向下开挖基坑3.6m，施作侧墙防水、负四层顶板、负三层侧墙、中梁，侧墙上预留施工缝；同时，地上结构施工至10层。

（6）如图3f所示，地下四层顶板强度达到设计强度75%后，继续向下开挖基坑4.0m，施作侧墙防水、负五层顶板、负四层侧墙、中梁，侧墙上预留施工缝；同时，地上结构施工至15层。

（7）如图3g所示，地下五层顶板强度达到设计强度70%后，继续向下开挖到底板设计标高，距基坑底200～300mm采用人工开挖，施作底板及侧墙防水、负五层侧墙、底梁，侧墙上预留施工缝。地下结构施工完毕后，继续施作地上16～23层结构。

2 施工过程数值建模

2.1 模型及参数

采用ABAQUS有限元软件对整个施工过程进行模拟，模型东西方向上取值为170m，南北方向上取值为110m，高度方向上取值为70m。数值模拟过程中，顶面为自由面；底面固定，通过约束该面上节点的全部自由度实现；侧面节点允许发生竖向位移，约束其法向位移。由于缺乏周围建筑物的相关资料，计算时仅考虑既有建筑物荷载的影响，将既有建筑物自重以荷载的形式施加在相应的地表，建筑物的荷载取20kPa／层；协同施工的上部结构荷载也取20kPa／层。整体模型如图4所示。由于距地铁隧道较远，本文研究忽略地铁隧道的影响，同时亦未考虑地下水的影响。

图4 整体模型Fig.4 The overall model in the study

2.2 结构参数选取

土体、地下连续墙、核心筒采用实体单元模拟，板、侧墙采用2D板单元模拟，桩柱采用1D梁单元模拟；土体的应力应变关系选用摩尔－库伦模型描述，土体的物理力学参数如表1所示；地下连续墙、核心筒、板、侧墙、桩柱均假定为弹性构件。依据工程设计方案，结构构件的物理力学参数取值详见表2。

表2 结构构件物理力学参数Tab.2 Physical and mechanical parameters of structur al components

2.3 施工过程模拟

依据实际施工情况，将整个模拟过程分为9个工序，采用生死单元方法，分步移除和激活不同单元组来实现施工过程，数值模拟工序见表3。

表3 盖挖半逆作上下协同施工数值模拟工序Tab.3 Numerical simulation pr ocess of cooperative constr uction of super structure and substructure by cover-excavation semi-rever se method

2.4 模型验证

由于施工尚在进行中，仅以施工开始到地下二层开挖完成时间段的监测数据对数值模型的正确性进行验证。

图5为监测点DB-1-2、DB-2和DB-3位置处的地面沉降监测结果和数值模拟结果的对比。可以看出，DB-1-2和DB-3处现场监测结果与模拟值基本吻合；DB-2在地下二层开挖时略有差别，这可能是由于该位置处于交通出口部位，环境复杂，而在数值模拟中并未考虑这种因素导致的，但整体趋势大致相同，最大误差为28.1%。图6为周边建筑物沉降时程曲线，可以看出建筑物沉降监测结果和模拟结果基本吻合。后续将利用该数值模型对施工全过程进行分析。

图5 地面沉降监测和数值模拟结果Fig.5 Results of monitoring and numerical simulation of ground settlement

图6 周边建筑物沉降时程曲线Fig.6 Time history curves of the settlement of surrounding buildings

3 施工全过程诱发周边环境响应

3.1 地面沉降

图7为数值计算得到的施工全过程DB-1-2、DB-2、DB-3三个监测点的地面沉降历时曲线。可以看出，随着施工推进，DB-1-2、DB-2、DB-3三个监测点的变形最终均为沉降，沉降最大值分别为3.9mm、6.9mm、3.1mm，远小于设计控制值（30mm），满足安全要求。DB-3点处的沉降趋势与DB-2点基本一致，但数值上远小于DB-2点，其原因可能为基坑东侧的既有建筑物产生的侧向挤压所致。DB-1-2点在施工初期短暂上升，出现该现象可能是由于该监测点靠近基坑的西北角点，由于基坑角端效应导致，同时，还跟该点距离基坑壁较远有关。图8为基坑开挖6.7m后周边地面沉降云图，可以明显地看到地面沉降沿基坑坑壁分布为由中间向两侧逐渐减小，在基坑角端出现隆起，验证了基坑角端效应是DB-1-2点在开挖初期出现短暂上升的主要原因。

图7 施工全过程地面沉降Fig.7 Ground settlement of the monitoring points in the whole constr uction process

图8 基坑开挖6.7m 时周围地面沉降云图Fig.8 Cloud map of the settlement of the surr ounding ground when the foundation pit is excavated for 6.7m

3.2 地面沉降槽曲线

图9为坑外地表DB-1-1～DB-1-4所在断面的沉降槽曲线图，可以看出：（1）地面沉降形态呈凹槽型。靠近坑壁位置表现为隆起，距离坑壁3.9m左右位置沉降量达到最大，而后沉降量急剧减小，距离坑壁超约一倍开挖深度后沉降量趋于一致。（2）随着开挖进行，地面沉降不断增大，工序9对地面表沉降几乎没有影响，施工完成后达到最大值 8.8mm，小于设计控制值（30mm），满足安全要求。（3）沉降槽分布规律表明本基坑开挖的显著影响范围大致在基坑周围10m以内，开挖过程中需对基坑周围10m范围内的构筑物加强监测。

3.3 建筑物沉降

图10为建筑物沉降历时曲线图，可以看出，建筑物监测点JC-1和JC-2的变形趋势相近，沉降量均随施工推进逐渐增大，且呈现出明显的空间效应：在开挖Ⅰ段土时，沉降速率快且沉降量大，开挖Ⅱ和Ⅲ段土时，沉降速率降低且沉降量较小。开挖初期JC-2的沉降量大于JC-1的沉降量，随着开挖的进行，JC-1的沉降量逐渐超过JC-2的沉降量，JC-1和JC-2的最终沉降量分别为5.0mm和4.8mm，均小于设计控制值（15mm），满足安全要求。

图10 施工全过程建筑物沉降Fig.10 Building settlement in the whole construction process

3.4 围护结构响应

图11为施工结束后地下连续墙的位移云图，可以看出，地下连续墙均出现了指向基坑内的变形，变形分布具有明显的空间效应，长边对应的位移大于短边，基坑局部位置的形状突变导致围护结构最大水平变形减小；然而，由于负一层顶板施作于负一层开挖完成之后，地下连续墙顶部亦出现较大的变形，和逆作法施工下地连墙顶部变形小有所不同［15］。

图11 地下连续墙位移云图Fig.11 Displacement nephogram of diaphragm wall

图12为ZQT-1监测点处地下连续墙的深层水平位移图。由图12可知：（1）地下连续墙的深层水平位移特征与明挖法有所不同［16］，由于负一层顶板施作于该层土体开挖完成之后，开挖过程中地下连续墙相当于悬臂梁，故地层开挖卸载导致负一层顶板处产生了较大位移；然而，负一层顶板施作完成后，地下连续墙顶端完全被限制，故在后续开挖中该位置处的水平位移不再增加。（2）随开挖进行，地下连续墙水平变形沿深度由“单峰”分布向“双峰”分布转变，上部峰值位移发生在地面以下4.0～7.0m深度处，下部峰值位移出现在22.5m深度处；开挖完成后地下连续墙的最大水平位移出现在22.5m深度处，工序9对地连墙位移几乎没有影响。（3）由于地下连续墙设计深度为36.5m，墙底距离负五层底板较浅（仅11m），随着开挖进行，地层对地下连续墙底端的约束作用变小，导致地下连续墙底端亦产生了较大的变形。

图12 ZQT-1监测点处地下连续墙深层水平位移Fig.12 The deep horizontal displacement of diaphr agm wall at the ZQT-1

3.5 墙后土体水平位移响应

图13为施工结束后墙后土体的水平位移响应，各监测点分别对应各段地连墙的中截面。可以看出，地下连续墙边长越长，墙后土体的位移越大，且土体位移的最大值均在地表下22.5m左右，约为土体顶部位移的1.5～2.0倍。

图13 深部地层的位移响应Fig.13 Displacement response of the deep formation

3.6 既有建筑物对场地变形的影响

图14展示了既有建筑物对地表监测点DB-3以及墙后土体QHT-2位置点沿深度范围内的影响。可以看出，建筑物存在一定程度上减小了开挖面与既有建筑物之间土体的沉降变形，同时对墙后土体的水平位移也有一定的抑制作用。

图14 建筑物对基坑变形的影响Fig.14 The influence of buildings on the deformation of foundation pit

4 施工因素影响分析

4.1 开挖顺序

图15展示出了开挖顺序对ZQT-1位置地下连续墙深层最终水平位移和DB-3点沉降的影响。图15a表明开挖顺序对地下连续墙的深层水平位移几乎没有影响，各位置变形值几乎相同，这与盖挖逆作法下采用从两边向中间开挖可以减小墙身位移不同［17］。由图15b可知，不同开挖顺序下DB-3点均表现为沉降，过程变形有所不同，但最终沉降值基本相同。可以得出如下结论：本工程中不同开挖顺序仅对基坑的过程变形有影响，对其最终变形无影响。

图15 开挖顺序的影响Fig.15 Influence of excavation sequence

4.2 上下协同施工工序

为研究地上地下协同施工工序对既有建筑物的影响，计算了几种不同施工顺序下既有建筑物的最终沉降，如表4所示。

表4 不同施工工序下建筑物的最终沉降Tab.4 The final settlement of the building under different construction procedures

由表4可以得出施工顺序对建筑物的沉降影响很小，几乎可以忽略不计。在实际施工中考虑结构的安全，在保证安全的情况下可以适当调整施工顺序，以达到最优工期。

5 结论

结合监测数据和三维数值模拟结果，分析了盖挖半逆作上下协同施工对基坑自身和周围环境的影响，并对开挖顺序和协同施工工序的影响进行探讨，得出如下结论：

（1）施工完成后地表均为沉降形式，但沉降值与地连墙边长和基坑距离有关。地面沉降整体呈明显的凹槽形，开挖显著影响区范围为2.0～10.0m。

（2）地下连续墙变形和墙后土体位移跟基坑延伸长度关系密切，延伸长度越长，地下连续墙变形越大，墙后土体位移越大；墙后土体的最大位移为土体顶部位移的1.5～2.0倍。

（3）既有建筑物的存在对邻近地表和墙后土体的变形具有一定的抑制作用。

（4）开挖顺序对基坑周围场地过程变形有一定影响，对其最终沉降无影响；对地下连续墙墙身最终水平位移影响很小；工程施工中可以根据实际情况合理调整开挖顺序。

（5）协同施工工序对建筑物的沉降影响不大，在保证施工安全的前提下可以适当调整施工顺序，以加快施工进度。