深浅式异形基坑开挖工法比选与地表沉降特点研究

孙 毅，戴李春，齐 俊，陈军锋，孟 猛

(1.北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室，北京 100044；2.贵州中交贵瓮高速公路有限公司，瓮安 550400；3.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088)

深浅式异形基坑开挖工法比选与地表沉降特点研究

孙 毅1，戴李春2，齐 俊1，陈军锋3，孟 猛1

(1.北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室，北京 100044；2.贵州中交贵瓮高速公路有限公司，瓮安 550400；3.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088)

目前关于深浅式异形基坑的开挖并未形成专门的规范，针对此类工程的施工方法及其相应的地表沉降特点仍不明确。为了解决这些问题，研究以北京地铁6号线车站基坑为背景展开讨论，研究利用有限差分软件建立数值模型，对比常见开挖工法的地表沉降控制能力，认为先浅后深的方法在该工程的支护条件下最为有效。在此基础上，研究进一步分析先深后浅、先浅后深、同步开挖3种工法在分步开挖条件下的地表沉降特点，总结两侧地表最大沉降值的变化规律。

深浅式异形基坑；工法比选；地表沉降

1 概述

基坑工程在城市轨道交通工程的建设中占有重要地位，它的安全、绿色施工直接影响着整个工程的经济性及可持续性。但是，由于城市环境日趋复杂，城市工程施工对周围环境影响的控制要求愈趋严格。这就对大型地上、地下建构筑物的基坑工程提出了新的挑战，主要影响因素包括超大规模、超深尺寸、几何形状不规则、空间狭小、周围环境复杂等。深浅式异形基坑作为其中的典型受到了学者们的广泛关注[1-2]。

基坑开挖会导致一定范围内地层变形，地层变形又会带动与之相接触的各种建构筑物的变形[3]，如果这种变形过大，就会导致基坑、建构筑物发生事故，危及施工人员生命并造成财产损失[4-6]。而深浅式异形基坑周围地层的位移场变化较普通基坑更为复杂[7-10]。为了更好地控制地层变形，降低施工对周围环境影响，需进一步对深浅式异形基坑的相关问题展开讨论。采用有限差分软件FLAC3D，比较了北京地铁6号线南锣鼓巷车站基坑的3种不同开挖方案所造成的基坑两侧最大地表沉降，在此基础上进一步分析了深浅式异形断面基坑的变形特点，为类似基坑工程的设计、施工提供参考。

2 工程概况

2.1 基坑结构形式

北京6号线南锣鼓巷车站主体明挖基坑深28.85 m，长160.6 m，宽12.5～27 m，外挂明挖基坑深14.1 m，最宽处宽约12 m；基坑里程范围K10+961.529～K11+121.994(右线)。主体明挖基坑坑底主要位于卵石-圆砾⑦层、粉质黏土⑧层， 支护形式采用φ1 000 mm钻孔灌注桩+7道锚索，外挂一层附属结构；基坑坑底主要位于粉细砂④1层、卵石圆砾⑤层，支护形式采用φ1 000 mm钻孔灌注桩+3道锚索。其具体结构与形式见图1。

图1 南锣鼓巷站支护结构(单位：mm)

其外挂副基坑下方为6号与8号线的联络通道，该基坑的特点在于赋存形式独特，基坑断面为深浅结合的异形基坑，亦可以将其看作内坑单侧靠墙的非典型坑中坑工程。该基坑右侧不单存在地下构筑物，其周边保护建筑物也较左侧更为集中，因此地表变形要求控制十分严格。

2.2 工程地质概况

根据《北京地铁6号线一期01合同段南锣鼓巷站岩土工程勘察报告》：本工程场地位于永定河冲洪扇中下部，整体地势较为平坦。土层分布情况见图1，各层土的主要物理力学指标见表1。

表1 主要土层物理力学指标

3 基于地表沉降量比较的工法比选

对于同步开挖的异形基坑，不同的工法将对基坑周边地表沉降及自身稳定性将造成不同程度的影响，结合南锣鼓巷站深浅基坑并存的实际情况，对“先深后浅”、“先浅后深”以及实际中采用的“同步放坡”方法进行数值模拟，为3种开挖方法所造成的基坑两侧地表沉降进行预测。考虑到地铁南锣鼓巷站属于长大深基坑，为了保证计算精度、提高计算效率，可将其看作平面应力问题来进行简化。模型主基坑深为30 m，宽度为25 m，副基坑紧贴主基坑开挖，基坑深14 m宽度为10 m，开挖完成后两基坑中间无结构或留土形成一个整体。基坑边缘距模型左右两边界均为90 m，所模拟的土层总厚度为100 m，设地面处高程为0 m。

为了保证3种工法的可比性，建立二维模型进行开挖模拟之前需先在基坑边界打入3根桩，以模拟实际工程中的地下连续桩，桩长为36.2 m其嵌固深度为8.2 m(插入比0.3)，桩身混凝土强度等级为C30，桩身直径为1 000 mm，模型选取pile结构单元实现。开挖过程根据工程实际情况分层进行，开挖深度依次为：3.8、4、4.5、3.5、3.5、3.5、4、3.2 m。此外，边墙加固所用的锚索选取统一规格为：φ150 mm，锚固段长度La=16 m，自由段长度Lf=7 m的预应力锚索设计强度为300 kN，预应力为180 kN，打设角度为15°，使用cable结构单元实现。以下各种工法都进行了同样的处理，后文不再赘述。

3.1 先深后浅法地表沉降结果

先深后浅的开挖方法是先对主基坑进行开挖并在开挖的过程中依次打入锚杆对基坑侧壁进行保护，在达到设计开挖深度后对副基坑进行开挖。由于主副基坑无间隔，在副基坑的开挖过程中会拆除原先主基坑的部分锚索加固措施，同时在副基坑外侧打入新锚杆进行加固。具体模型如图2所示。

该方法中基坑左侧地表最大沉降值为17.9 mm，最大沉降值出现在距基坑左侧18.8 m，沉降范围约为42 m；基坑右侧地表最大沉降值为21.6 mm，出现在距基坑右侧16.8 m处，沉降范围约为36 m。具体沉降情况如图3所示。

图2 先深后浅开挖顺序示意

图3 先深后浅工法下基坑两侧地表沉降

3.2 先浅后深法地表沉降结果

先浅后深的开挖方法是先对副基坑进行开挖并在开挖的过程中依次打入锚杆，在达到设计开挖深度后对主基坑进行开挖。在主基坑开挖过程中会拆除原先副基坑与主基坑相连部分的锚索加固措施，同时在主基坑一侧打入锚索加固。具体模型如图4所示。

图5 先浅后深工法下基坑两侧地表沉降

图4 先浅后深开挖顺序示意

该方法中基坑左侧地表最大沉降值为16.7 mm，最大沉降值出现在距基坑左侧18.8 m处，沉降范围约为40 m；整个开挖过程中基坑右侧地表沉降较为均匀，最大沉降值则为14.3 mm，出现在距基坑右侧16.8 m处，沉降范围约为32 m。具体沉降情况如图5所示。

3.3 同步开挖法地表沉降结果

同步开挖是指同时对主、副基坑进行放坡开挖并在开挖的过程中依次打入锚杆。当基坑开挖至副基坑设计深度时，基坑开挖断面缩短至主基坑设计宽度继续分层分步开挖。具体模型如图6所示。

该方法中基坑左侧地表最大沉降值为19 mm，最大沉降值出现在距基坑左侧16.8 m处，沉降范围约为

图6 同时开挖开挖顺序示意

42 m；基坑右侧地表最大沉降值则为15 mm，出现在距基坑右侧16.8 m处，沉降范围约为33 m。具体沉降情况如图7所示。

3.4 工法比选

根据上面所描述的基坑开挖变形结果，将各种开挖方法所造成的最大沉降进行比较，如表2所示。从基坑两侧地表的最大沉降值统计结果来看：先浅后深的方法最优、同步开挖其次、先深后浅最差。

图7 同步开挖工法下基坑两侧地表沉降

部位先深后浅先浅后深同步开挖基坑左侧最大地表沉降/mm17.916.719.0基坑右侧最大地表沉降/mm21.614.315.0

整体而言先浅后深的方法对基坑附近地表沉降的控制效果最好，原因在于副基坑尺寸相对较小而由锚索为主的支护体系可以很好地控制基坑变形，在对主基坑开挖时相当于所开挖的地层已被加强。先深后浅的方法在主基坑开挖后对副基坑进行开挖，相当于在已有基坑的基础上进行二次开挖，地层稳定性进一步被削弱，因此沉降位移较大。

同步开挖法对基坑变形的控制效果处于两者中间稍弱于先浅后深法，但其开挖面较大能够保证工期。实际工程中，为了配合暗挖段隧道开挖进度近坑已经被选为最终方案。此外也应该注意到，南锣鼓巷周边保护建筑物较多，选取该方法也较好地控制了周围地表沉降。

4 深浅式异形基坑地表沉降特点

基坑开挖扰动周围土体，改变了其周边原有地应力的大小及分布，考虑到土体高度非线性的特点，应力路径必然对地层最终变形产生不同的影响[11]。在工程中则表现为：即使在相同的加固条件下，不同的基坑开挖顺序也将会产生不同的地层变形。其本质原因在于岩土材料对于应力路径的敏感性较高[12]。中间的加固措施对应力场的传递起到了阻碍作用，反映在位移场上就是地表沉降不同。

3种工法所造成的地表沉降差异不仅在最终结果上，从各开挖步来看也各具特点。

4.1 先深后浅法地表沉降特点

图8展示了先深后浅的开挖方法中地表最大沉降值随开挖步的变化过程。可以看出，当主基坑先开挖时左侧地表沉降的累计值要大于右侧，从主基坑开挖完毕(第8步)，即副基坑开挖时右侧沉降值开始逐渐增大随即超过左侧。

图8 先深后浅法地表最大沉降-开挖步关系曲线

对于左侧地表沉降而言，主基坑带来的影响要明显大于副基坑，这点曲线体现在斜率在第9步时变缓，其中主基坑开挖累计带来14.9 mm沉降，副基坑开挖累计带来3 mm沉降。

对于右侧地表沉降而言，主基坑、副基坑都带来了很大的影响，这主要是因为副基坑虽然开挖深度较小但却与右侧基坑毗邻，而主基坑虽然远离右侧但其开挖深度、开挖断面宽度都很大，因此，整体而言关系曲线始终保持着上升的态势。其中主基坑开挖累计带来13 mm沉降，副基坑开挖累计带来8 mm沉降。

4.2 先浅后深法地表沉降特点

图9展示了先浅后深的开挖方法中地表最大沉降值随开挖步的变化过程。可以看出，当副基坑先开挖时右侧地表沉降的累计值明显要大于左侧，从副基坑开挖完毕(第4步)即主基坑开挖时左侧沉降值开始逐渐增大最终超过右侧。

图9 先浅后深法地表最大沉降-开挖步关系曲线

对于左侧地表沉降而言，主基坑带来的影响稍大于副基坑，从关系曲线的增长情况可以看出，副基坑开挖时其沉降增长缓慢且沉降值均小于左侧，直到主基坑开挖时才开始加速增长，并在最后两步超过右侧。其中，主基坑开挖累计带来11.5 mm沉降，副基坑开挖累计带来4.2 mm沉降。

对于右侧地表沉降而言，副基坑开挖时沉降值迅速增长，但当主基坑开挖后(第5步)增长速度减缓但持续时间较长。造成这一现象的主要原因是，主基坑开挖步序多、开挖深度大、持续时间长，其相应的关系曲线在第5步出现拐点，逐步变缓也反映出这一特性。其中主基坑开挖累计带来6.1 mm沉降，副基坑开挖累计带来8.2 mm沉降。

4.3 同步开挖法地表沉降特点

图10展示了同步开挖法中地表最大沉降值随开挖步的变化过程。需要指出的是，虽然同步开挖的前半部分对于两侧地表来说是完全对称的，但图10中两侧的最大地表沉降却始终保持一定的差距未能一致。其原因主要是开挖之前打入的右侧围护桩相对其左侧而言要短的多(左侧及中间的桩体长度都是右侧的2.56倍，相当于在全断面同步开挖过程中位于右侧的维护措施更弱。此外，与前两种开挖方法不同的是：为了保持开挖深度一致便于比较，在数值模拟的过程中同步开挖模型的开挖步数只有8步。从图10中可以看出，全断面开挖完毕(第4步)之前右侧地表最大沉降值更大，当主基坑的下半部分开挖(第5步)时，左侧地表最大沉降加速增大并最终超过右侧。

图10 同步开挖法地表最大沉降-开挖步关系曲线

对于左侧地表沉降而言，上层基坑开挖累计带来9 mm沉降，下层基坑开挖累计带来10 mm沉降；对于右侧地表沉降而言，上层基坑开挖累计带来8.3 mm沉降，下层基坑开挖累计带来6.7 mm沉降。

5 结语

目前针对深浅式异形基坑的开挖，并未形成专门的规范，考虑到基坑断面形式的多样性确实很难对其开挖、支护过程进行定量的规定。但就开挖而言常见的工法都可以归结为上面的3种即：先深后浅、先浅后深、同步开挖(变断面)，其相应的地表沉降规律对类似工程有很好的借鉴作用。从前文的研究不难看出：异形基坑工程必须结合工期、经济、支护方法、变形特点等因素因地制宜地选取开挖方法，只有这样才能保证高效、安全地完成工程任务。

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Excavation Methods Comparison and Ground Settlement Features of Deep-shallow Foundation Pit

SUN Yi1， DAI Li-chun2， QI Jun1， CHEN Jun-feng3， MENG Meng1

(1.Tunnel and Underground Engineering Research Center of Ministry of Education， Beijing Jiaotong University，Beijing 100044， China; 2.Zhong Jiao Gui Weng Expressway Company Limited， Weng’an 550400, China 3.China Communications Construction Company Highway Consultants Company Limited， Beijing 100088， China)

At present， there is no special specification for the excavation of deep-shallow special-shaped foundation pit， and the construction methods and surface settlement characteristics are defined. To solve these problems， this paper addresses the issue with based on the construction of Beijing Metro Line 6 station. The finite differential software is employed to establish a numerical model to compare the ability of common construction methods to control surface settlement. The results show that the method of “shallow to deep excavation” is most effective in the construction where supporting is provided. On this basis， further analyses are conducted to study surface settlement control with such three methods as “first deep then shallow， first shallow then deep， and synchronized excavation” and variation laws of the maximum surface settlement on both sides are derived.

deep-shallow foundation pit; comparison of construction methods; surface settlement

2014-12-17；

2015-01-04

优秀博士研究生创新研究基金项目(2014YJS101)

孙 毅(1987—)，男，博士研究生，2010年毕业于西北农林科技大学水利水电工程专业，E-mail：12115284@bjtu.edu.cn。

1004-2954(2015)09-0125-05

U455.45

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.09.028