天津某交通枢纽广场位于火车站主站房西侧广场三角区域范围内,主要作为联系前、后广场的旅客集散大厅以及出租车和社会车辆停车使用.主体为地下两层框架结构、中心区域局部地下三层,地下二、三层基础底板标高相同.工程占地面积约17 213 m²,总建筑面积约39 047 m².本工程基坑平面呈东南缺角的矩形分布,东西向边长96～196 m,南北向边长50～108 m,普遍区域基坑深度约14.8 m,局部集水坑处深度约17 m.

本工程基坑北侧为现有车站行包房,行包房共7层,距基坑边的最近距离约为21 m; 东侧为现状火车站,火车站共6层,距基坑边的最近距离约为11.6 m; 西侧为1～2层的低矮楼房区,距基坑边的最近距离约10 m; 南侧为某大厦,大厦共6层,距基坑边的最近距离约15 m.本工程建设时天津地铁3号线盾构区间尚未施工,待本工程施工完成后在东侧底板下穿越,隧道顶部距离底板约11 m.本项目工程平面及周边环境如图1所示,基坑支护平面布置如图2所示.

图1 基坑周边环境示意图
Fig.1 Plan view of surrounding environment

图2 基坑支护平面示意图
Fig.2 Plan view of excavation support

本项目场地地处冲积平原,地形平坦,场地类别为Ⅲ类,场地土类型为软弱～中软场地土.地表以下60 m深度范围内,分布的土层主要为杂填土、素填土、淤泥质黏土、粉质黏土、粉土、黏土及粉砂、细砂.

影响本工程的地下水主要为潜水和第一微承压水.潜水层水位埋深3.70～3.81 m,主要赋存于人工填土层Qml、新近沉积层Q^3N₄si、第Ⅰ陆相层Q³₄al和第Ⅰ海相层Q²₄m中,以第Ⅱ陆相层Q¹₄h+al的粉质粘土层及粘土层作为隔水底板.第一微承压水层水位埋深21.01～22.10 m,主要赋存于第Ⅲ陆相层Q^e₃al、第Ⅳ陆相层Q^c₃al中的粉土、粉砂层中,以第Ⅱ陆相层Q¹₄h+al的粉质粘土层和粘土层作为隔水顶板.

本工程基坑采用环形盖挖逆作、中心明挖顺作的半逆作方法进行施工.其思路是首先施工基坑围护桩(墙),浇注地下结构边跨以及若干相邻跨的梁、板,从而形成环形支撑体系以控制基坑变形,在此基础上进行下方的土方开挖,并由此依上而下施作周边盖挖区域的主体结构,待开挖至坑底后再由下而上依次施作中间明挖区域剩余的主体结构,最后回填土方并恢复地面.具体施工步序如下:

(1)施作围护结构桩(墙)及中间桩、柱;

(2)进行坑内降水,在围护结构的悬臂支护下开挖土方至顶板底标高,浇注盖挖范围的顶板结构,使顶板与中间桩柱形成第一道支撑系统;

(3)在第一道内支撑系统保护下,开挖土方至楼板底标高,浇注盖挖范围的楼板结构及地下一层侧墙,使楼板与中间桩柱形成第二道支撑系统;

(4)在第二道内支撑系统保护下,开挖土方至设计坑底标高,浇注盖挖范围的底板结构及地下二层侧墙;

(5)由下而上依次浇注中间明挖区域的底板、楼板和顶板以及夹层主体结构;

(6)封闭降水井,回填土方,恢复路面.

本工程共布设35个盖板隆沉监测点,监测点G1～G13、G14～G15、G16～G22、G23～G35的初值采集时间分别为第20周初、第27周初、第28周初、第29周初,自初值采集到本工程地下结构全部施作完成期间,各监测点的监测频率均为每日一次,将部分盖板监测点隆沉量的时程曲线绘制于图4中.

共布设15个结构柱隆沉监测点,初值采集时间均为第20周初,初值采集到本工程地下结构全部施作完成期间,各监测点的监测频率均为每日一次,将部分结构柱监测点隆沉量的时程曲线绘制于图5中.

图3 基坑监测点平面布置图
Fig.3 Plan view of excavation monitoring

图4 盖板隆沉量时程曲线
Fig.4 Heave vs time for plates

图5 结构柱隆沉量时程曲线
Fig.5 Heave vs time for columns

本工程地下一层开挖时间为第20周～第24周,地下二层开挖时间为第24周～第27周,此后的四个月时间主要进行地下主体结构的施工.

从盖板及结构柱监测点的时程曲线中可以发现,随着基坑施工的进行,盖板及结构柱整体表现为隆起变形的趋势,仅有个别监测点在施工初期略产生沉降现象.

图4为结构盖板隆沉量随时间变化曲线,从图中可以看出盖板隆沉变化根据施工进度表现出如下规律:

(1)地下一层开挖期间,受卸荷作用影响,大部分盖板监测点均产生一定的隆起变形,但是隆起量较小且在地下一层施工期间变化不大,甚至在地下一层施工后期产生了轻微下沉现象.推测这主要是由于地下一层开挖深度相对较浅,卸荷作用较小,且盖挖区域地下一层的梁板柱已施作完成、结构整体性加强,导致盖板及结构柱的隆起变形量并不明显.地下一层施工后期受到地下二层预降水、楼板施工、土方运输堆放等施工影响,个别点甚至会产生一定的沉降;

(2)地下二层开挖期间,基坑开挖深度增加引起土体卸荷作用增强,导致各监测点隆起量均急剧增大,直至地下二层土方开挖完成、地下主体结构开始施作,监测点的隆起量方基本稳定,其后至地下主体结构全部施作完成,各监测点的隆起量变化并不大.

对比各监测点的隆起曲线可以发现,G2、G6、G7及G10监测点相比其他点变形量较大,且曲线规律一致,从图3监测点布置图中看这些点基本位于基坑中心区域,受基坑隆起的影响更强烈.G13监测点后期规律与前述监测点相同,只是由于局部施工原因前期产生一定沉降,导致变形整体相对较小.而G15、G22及G32监测点由于初值采集较晚,使其数据不完整且数值相比其他监测点明显偏小.

图5为结构柱隆沉量随时间变化曲线,其隆沉的变化规律与结构盖板基本一致,均表现为地下一层开挖期间结构柱隆起量较小,地下二层开挖期间隆起量迅速增加,而在后期主体结构施工期间隆起变形基本稳定.对比各监测点变形曲线,图5(a)中Z1、Z4及Z6点位置更靠近基坑中部,变形量较大且趋势相近,而Z9及Z11点位置接近均位于基坑西北角部,基坑隆起受空间效应影响相对较小,导致该点变形量也比前述点明显减小; 图5(b)中也呈现同样规律,位于基坑中心处监测点隆起更大、边角部的隆起相对较小.

通过上述对监测点时程曲线的分析可知,对于盖挖法施工的工程,由于地下结构的整体性较强,在浅部土体开挖阶段,结构隆起变形并不明显; 随着开挖深度逐渐增大,隆起将呈现出急剧增大的趋势.此时对于结构的安全更加不利,在施工时需加强监测,必要时辅以分块、抽条开挖等有效措施减缓基坑隆起的发展.由于基坑卸荷回弹受空间效应的影响有所差异,导致基坑中心位置处结构的隆起量更大,而靠近边角部位的隆起量相对较小.

天津站地下换乘中心基坑工程1、2标段的监测也有类似的结构柱隆沉变化规律^[19-20].天津站地下换乘中心基坑工程1、2标段位于天津站后广场.该项目基坑1标段为地下三层结构,2标段为地下三层、局部地下四层结构,地下三层基坑深度25～28 m,地下四层最大挖深可达33.5 m.基坑采用主体结构与支护结构全面结合的完全盖挖逆作法施工,基坑施工期间对结构柱隆沉进行了持续监测,得到的监测点隆沉时程曲线如图6所示.

图6 1标段及2标段结构柱隆沉量时程曲线
Fig.6 Heave vs time for columns of the excavation of section 1 and section 2

从图中可以看出,在负一层及负二层开挖阶段结构柱的隆起量相对较小,随着开挖深度继续增加,结构柱的隆起也随之更加明显.在基坑的施工全过程中,结构柱基本表现为开挖阶段隆起现象显著,层板施工阶段隆起稳定甚至发生轻微沉降.这与本工程中所观察得到的盖板及结构柱隆沉变化规律基本一致,从而验证了本文研究成果的准确性.

从图6(b)中观察可以发现,2标段基坑在负四层开挖阶段结构柱隆起时程曲线比较平缓,隆起量相对较小,这主要是由于负四层分区施工,每一区域土方开挖后立即对该区域进行底板浇筑,使得土方开挖与底板施工工况搭接,充分发挥结构整体性,结构柱的隆起能够得到有效控制.

至本工程监测结束时,盖板与中间柱各测点隆起累计变化量在28.3～51.7 mm范围之间,本工程基坑开挖深度为14.8 m,则结构柱隆起量为(0.19%～0.35%)D(D为基坑开挖深度).

根据天津地铁5、6号线车站的基坑立柱回弹实测数据统计规律,发现对于深度在15～18 m范围内的顺作法车站基坑,立柱回弹平均值在5～40 mm之间,约为开挖深度的0.05%～0.25%; 而同等条件下,采用逆作法施工的地铁车站基坑,其立柱回弹量仅为顺作法的1/10～1/3量值^[21].在文献[19,20]中天津站地下换乘中心基坑工程1、2标段盖挖逆作基坑的主体结构柱隆沉监测结果表明,结构柱最终隆起量为(0.07%～0.16%)D.

通过与上述监测成果进行比较可以发现,本项目基坑采用环形盖挖逆作、中心明挖顺作的半逆作法进行施工,盖板与结构柱的最终隆起量更接近于顺作法基坑的立柱回弹量值.究其原因主要是因为仅在基坑围护结构邻近几跨区域内采用盖挖逆作,中心区域地下结构暂不施工,导致地下结构的整体性远不及采用完全盖挖逆作法.尤其是在基坑中心区域缺少地下结构的制约,基坑回弹性状与明挖顺作基本相同.此外,本次盖板与结构柱监测点布置均邻近中心明挖顺作区,受基坑回弹的影响更加直接且显著,也是导致监测的隆起量偏大的原因之一.

通过对完全盖挖逆作法基坑监测的研究^[20],在相同工况下,不同位置处结构柱的隆起量也不相同,表现为中部隆起量最大,离地下连续墙越近受制约作用越明显,结构柱的隆起量越小,如图7所示.

图7 2标段基坑不同施工阶段下结构柱隆沉曲线[20]
Fig.7 Heave of columns of the excavation of section 2 at different construction stages[20]

由于本项目并未针对同一剖面下的中间柱的隆起变化进行监测布点,所以未得到相应的隆沉变化曲线.但是根据前人成果可以推测,在本项目盖挖逆作区域内,不同位置处的结构柱隆起量也不会相同,且距离基坑围护结构越近隆起量越小、距离中心明挖顺作区域越近隆起量越大.这将导致相邻柱之间在竖向产生差异变形,这种差异变形会引起已施作完成的地下结构产生相对变形和附加应力.当这种差异变形较大时,结构柱之间或结构柱与地下结构外墙之间已浇筑的层板与梁就会产生裂缝,严重时将危及结构安全.本项目采用环形盖挖逆作、中心明挖顺作的半逆作法进行施工,结构柱的隆起量比完全盖挖逆作法基坑更大,对于地下结构的影响也更加严重.因此需要针对相邻立柱间及立柱与侧墙之间的差异沉降进行密切监控,必要时应针对梁柱节点位置进行加强设计,避免结构柱的差异沉降引起结构梁板产生变形开裂问题.