李海峰

地鐵深基坑工程引起地表及建筑物沉降分析

李海峰

摘 要：深基坑工程對坑外地表沉降的影響，主要包含基坑開挖、基坑降水引起的地表沉降。文章通過對基坑開挖的有限元模擬及降水影響計算，分析了深基坑工程周邊地表沉降、沉降的組成、變化趨勢，以及對周邊建筑沉降的影響。

關(guān)鍵詞：地鐵；深基坑開挖；基坑降水；地表及建筑物沉降

李海峰：中國鐵建十三局集團有限公司，高級工程師，天津 300300

城市地鐵基坑工程具有規(guī)模大、基坑深的特點，其工程風(fēng)險的控制難度也較大。一方面，由于基坑規(guī)模大，深度深（深度通常在16～30 m），基坑的開挖會導(dǎo)致周邊地表的沉降、水平位移等變形；另一方面，對于地下水豐富的地區(qū)，基坑設(shè)計及開挖過程中對地下水的處理方式，直接影響到周邊地層的固結(jié)壓縮，從而導(dǎo)致地表沉降。目前，國內(nèi)外對基坑開挖引起的地表沉降已有較多的研究，但基坑降水對周圍地表沉降的影響卻因各地地下水情況而異，因此，實有必要研究深基坑工程開挖與降水對周邊環(huán)境的影響及有效地防治措施。

1　工程概況

某市地鐵車站全長183.8 m，線間距15 m，站臺寬12.0 m，主體結(jié)構(gòu)寬20.7～24.9 m，深16.89～18.59 m，為地下雙層島式車站，車站主體基坑工程采用明挖順做法施工。基坑場區(qū)范圍內(nèi)地層多以黏土、粉質(zhì)黏土、粉土及粉砂土為主，工程性質(zhì)較好。局部地層呈軟、流塑性，工程性質(zhì)一般。場地內(nèi)含潛水及2層微承壓水。表層地下水類型為第四系孔隙潛水，地下水埋藏較淺，水位埋深0.80～1.50 m（高程0.78 ～1.48 m）。站位東側(cè)有3棟居民住宅，7層磚混結(jié)構(gòu)，條形基礎(chǔ)，距離主體基坑最小水平凈距26 m。

本次研究選取最不利斷面，即小里程端盾構(gòu)井段（地層較差、鄰近既有河流和既有建筑物），該處基坑寬24.9 m，深18.477 m，采用800 mm厚地連墻支護，工字鋼接頭，設(shè)首道鋼筋混凝土撐+4道鋼支撐的水平對撐體系，地連墻接縫外設(shè)旋噴止水。

2　地表沉降及計算分析方法

基坑開挖與降水均會導(dǎo)致地表沉降，在采用水土分算、不考慮飽和土體失水固結(jié)后側(cè)壓力變化等的影響，可以近似認為開挖和降水2種因素引起的地表沉降是相互獨立的，在工程使用中地表最終沉降量可以將這2種因素所產(chǎn)生的地表沉降線性疊加。

2.1基坑開挖引起地表沉降及分析方法

平面分析基坑開挖過程中，圍護墻（樁）在支撐體系共同作用下，引起地表發(fā)生沉降的原因只是由于基坑周邊土體向開挖空間運動所導(dǎo)致的基坑開挖斷面的收縮，即，圍護結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生。目前，在設(shè)計過程中常用的基坑開挖引起地表沉降計算方法多采用補償法（如，同濟拋物線、peck曲線、同濟三角形）和有限元法。本文采用有限元法對基坑開挖引起的地表沉降進行分析。

結(jié)合本工程實際情況，本文采用MIDAS GTS 4.0有限元軟件，建立平面基坑應(yīng)力滲流耦合模型，分析基坑開挖過程對周邊環(huán)境的影響。模型兩側(cè)取至5.0H（H為基坑深度）范圍，底部取至地連墻底以下較好的不透水層，模型尺寸186.5 m×60 m，劃分13 020個網(wǎng)格單元（圖1）。地層參數(shù)按詳勘報告取值。

圖1　有限元模型

2.2基坑降水引起地表沉降分析方法

地層一般由固相的土顆粒骨架和液相的孔隙水兩相介質(zhì)組成，土體所受荷載由土骨架和孔隙水共同承擔(dān)。當土體中的孔隙水位（水頭）減小和孔隙水壓力降低時，將導(dǎo)致土體顆粒所承擔(dān)的應(yīng)力增加，即，土的有效應(yīng)力增加，從而使土體產(chǎn)生固結(jié)壓密。

基坑開挖過程中采取降水措施將導(dǎo)致基坑內(nèi)外存在一定的孔隙水水頭差，從而引起基坑周邊土體中地下水產(chǎn)生水平向、豎向的滲透補給，坑外水位隨之逐漸降低，形成漏斗形水位曲線。

對于含孔隙水層為承壓水層的地區(qū)，基坑設(shè)計過程必須考慮承壓水問題。在條件允許的情況下，可采取加深止水帷幕（地連墻）將潛水及承壓含水層隔斷，在坑內(nèi)形成一個封閉的水體，避免坑內(nèi)降水過程中，坑外地下水向坑內(nèi)補給。該方法可大大降低基坑降水對周邊環(huán)境的影響，但投資較大，經(jīng)濟型較差。

由于降水引起的地表沉降量計算，本文采用目前常用的分層總和法，如式（1）：

式（1）中，s為計算剖面的地層壓縮變形量，mm；ψ為沉降計算經(jīng)驗系數(shù)；Δσi'為降水引起的地表下第i層土體平均附加有效應(yīng)力，kPa；Δhi為第i層土體厚度，m；Ei為第i層土體的壓縮模量，kPa。

3　地表及建筑物沉降計算分析

3.1地表沉降計算

圖2、3給出了基坑開挖及降水引起的地表沉降曲線。

（1）基坑開挖引起的地表沉降。不隔斷承壓水與隔斷承壓水情況下基坑開挖引起的地表沉降范圍基本相同，約在基坑周邊45 m范圍。不隔斷承壓水情況下基坑開挖引起的地表沉降，自基坑邊至20 m范圍迅速增大，最大值為27.5 mm；隔斷承壓水情況下基坑開挖引起的地表沉降，自基坑邊至15 m范圍迅速增大，最大值為22.5 mm。

（2）降水引起的地表沉降。不隔斷承壓水與隔斷承壓水情況下降水引起的地表沉降范圍差別較大，不隔斷承壓水情況下約為90 m，隔斷承壓水情況下約為60 m。不隔斷承壓水情況下降水引起的地表沉降，自基坑邊至90 m范圍由最大逐漸減小，最大值為40.5 mm；隔斷承壓水情況下降水引起的地表沉降，自基坑邊至60 m范圍由最大逐漸減小，最大為12.1 mm。

（3）自基坑周邊45 m以外區(qū)域的地表沉降主要是由降水引起，基坑降水引起的地表沉降占周邊地表沉降總量的30%～64%?；娱_挖及基坑降水引起的地表沉降在基坑附近達到最大值，隨著與基坑距離的增大，開挖引起的沉降迅速減小，降水引起的沉降成為最主要的影響因素。因此，對于深基坑工程，在地表沉降預(yù)測中，降水影響不容忽視。

圖2　基坑開挖引起地表沉降曲線

圖3　基坑降水引起地表沉降曲線

（4）對于本基坑工程，圍護結(jié)構(gòu)隔斷承壓含水層，控制坑外地下水對坑內(nèi)的補給作用，從而確保了坑外水位降深不超過0.5 m，可以有效地控制基坑周邊地表沉降，對周邊環(huán)境復(fù)雜的工程具有較好的控制效果。

3.2建筑物沉降傾斜計算

不考慮建筑物對基坑附近土體的壓縮沉降，可認為基坑開挖和降水引起的地表沉降和建筑物的沉降相等。圖4給出了基坑開挖及降水引起的地表總沉降曲線，由圖4可以得到建筑物近端（26 m）和遠端（46 m）的沉降值并由此計算得出建筑物的傾斜值（表1），由表1可見：

（1）不隔斷承壓水情況下，由于基坑開挖和降水導(dǎo)致的建筑物近端最大沉降為37.7 mm，遠端最大沉降為14.8 mm，傾斜為1.15‰，滿足2‰的規(guī)范要求；

（2）隔斷承壓水情況下，建筑物近端最大沉降為20 mm，遠端最大沉降為5 mm，傾斜為0.75‰，滿足2‰的規(guī)范要求。

圖4　基坑開挖和降水引起地表總沉降曲線

表1　基坑開挖和降水引起建筑物傾斜計算結(jié)果

4　結(jié)論及建議

（1）針對目前深基坑工程開挖及降水過程，采用有限元模擬結(jié)合經(jīng)驗公式方法，對基坑開挖、降水引起的基坑周邊地表沉降進行分析，可以在一定程度上反應(yīng)地表沉降的時空特性，對指導(dǎo)工程設(shè)計與施工具有較強的實用性。

（2）對于有限元計算，采用節(jié)點位移連續(xù)原理進行計算，無法模擬墻背土體與圍護墻間的剪切錯動以及地層變化不均勻?qū)е碌拈_裂作用，其計算結(jié)果相對于實測值往往偏小，在工程設(shè)計施工過程中需考慮該因素的影響。

（3）利用圍護墻（止水帷幕）隔斷承壓水，對基坑周邊環(huán)境變形保護控制具有較好的效果。對于深基坑工程，應(yīng)結(jié)合地下水及周邊環(huán)境（周邊建筑物、管線）情況，研究圍護結(jié)構(gòu)隔斷承壓水的技術(shù)、經(jīng)濟可行性與必要性，以確定合理的工程方案，確?；庸こ痰捻樌麑嵤┘爸苓吔ㄖ?、管線的正常使用。

（4）對于基坑周邊建筑物，應(yīng)根據(jù)其與基坑相對位置關(guān)系，重點分析其沉降變形的構(gòu)成，結(jié)合建筑物自身特點（結(jié)構(gòu)型式、基礎(chǔ)、建成年代、使用功能等），進一步分析建筑物的安全性，從而確定是否采用額外的保護措施。

參考文獻

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責(zé)任編輯 朱開明

Analysis of Ground and Buildings Settlements Caused by Deep Pit Foundation

Li Haifeng

Abstract:The infl uence of deep pit excavation on the outside surface subsidence mainly includes foundation pit excavation, and surface subsidence caused by foundation pit drainage. Based on the calculation of fi nite element simulation and infl uence of foundation pit excavation and drainage, the paper makes analysis of surrounding ground settlement of deep pit foundation, settlement factors, changing trend, as well as settlement impact on the surrounding buildings.

Keywords:metro, deep foundation pit excavation, foundation pit drainage, ground and buildings settlement

收稿日期2015-02-02

中圖分類號：TU433