车站深基坑施工期地表沉降监测与分析

［摘 要］ 以某地铁车站深基坑工程为研究背景，介绍了该工程周边环境、结构型式及拟建场区的地质条件; 根据该工程特点将该工程分为四个典型工况，并根据各个工况结束时测得的基坑周围土体沉降结果，分析了该基坑在开挖过程中土体沉降规律; 通过建立三维模型对基坑开挖过程中周围土体沉降情况进行了数值模拟，并将计算结果与实测结果进行对比分析，最终得到基坑开挖过程中周围土体沉降规律及影响范围。本文的研究成果可作为深基坑设计与制定施工方案的科学依据。

［关键词］ 地铁车站; 深基坑; 地表沉降; 数值分析; 监测

 

      某地铁换乘站位于十字路口处，基坑两侧规划道路宽均为 50m，车站共三层，车站全长 194. 8m，标准段宽度为 22. 7m，基坑围护结构平面布置如图 1所示。车站结构采用钢筋混凝土箱型框架结构，车站顶板埋深 3m，底板埋深 16m，主体结构采用 C40的 S10 防水混凝土，外包全封闭防水墙形式，车站基坑变形控制为特级。本站基坑围护结构为钻孔灌注桩，标准段设三道水平支撑，节点段设四道支撑，主体结构采用明挖顺做法施工，标准段基坑开挖深度为 16. 11m，节点段开挖深度为 22. 61m。

      根据现场地质勘察结果，在基坑开挖深度及影响范围内，主要地基土的组成自上而下为: 全新统人工填土、上更新统风积新黄土及残积古土壤、再下为冲积粉质黏土、粉土、细砂、中砂及粗砂等，拟建场地各主要土层分布及力学指标见表 1。

      基坑的开挖导致地表沉降主要是由于以下两方面的原因: 一是围护结构墙体的变形引起土体向坑内移动，导致围护结构墙后地表和土层的沉降和位移; 二是由于基坑降水导致周围土体空隙水压力的消失，从而土体有效应力增加，导致土体被压缩沉降。基坑开挖引起围护结构后相当范围内地表沉降是基坑工程对周围环境的主要危害之一。为确保该基坑工程的施工安全，应进行必要的监测工作，根据监测数据，及时调整开挖速度及位置，防止因地表沉降过大导致建筑物破坏，因此，需在典型位置设置地表沉降监测点，以研究该基坑施工过程中地表沉降规律，监测点布置如图 2 所示。

      本文将基坑开挖分为四个主要工况，即: 工况1: 挖第 1 层土并撑第 1 道支撑; 工况 2: 挖第 2 层土并撑第 2 道支撑; 工况 3: 挖第 3 层土并撑第 3 道支撑; 工况 4: 挖第 4 层土并撑第 4 道支撑。对四个工况的有关数据进行监测与计算分析。

      为研究在基坑周围地表沉降变化规律，特选择了四个断面研究基坑外地面随基坑开挖所发生的地表沉 降，其中断面 1 包 括: D1、D2、D3、D10、D11、D12; 断面 2 包括: D28、D29、D30、D39、D40、D41; 断面 3 包括: D22 、D23、D24、D60、D61、D62; 断面 4 包括: D33、D34、D35、D45、D46、D47，具体位置见图 2。各断面土体沉降曲线如图 3 ～ 6 所示。

      从图 3 ～ 6 中可以看出: 基坑在开挖过程中，地表最大沉降发生在距基坑坑壁为 8m 左右的位置上，其沉降形状类似于勺形，沉降量不大。随着开挖的进行，地表的竖向沉降开始增大。随着监测点与基坑距离不断地增加，沉降趋势逐渐变小，基坑开挖过程中，周围地表竖向沉降沿坑壁水平方向呈曲线分布，距基坑坑壁一定距离的范围内沉降最大，随后沿远离坑壁方向逐渐减小，距离坑壁越远变化幅度越小，最终逐渐稳定，每开挖一步，坑后地表都有一定量的沉降的增加，每步形成的沉降分布曲线形状相似。基坑开挖影响范围大于 25m，因此在施工场地周围如有重要建筑物，应做好监测工作。

 

      本文采用强度折减有限元法，运用大型有限元软件，根据表 1 中各个土层参数，建立有限元模型，模型及典型工况土体沉降云图如图 7 ～ 8 所示。在计算过程中，仅计算工况 1 ～ 4 完成后土体沉降值。土体开挖水平影响范围取大于 3 倍基坑宽度，分别沿基坑边缘扩展 60m，影响深度取 3 倍基坑开挖深度，起基坑底向下扩展 50m。

      为探讨数值计算结果的正确性，分别提取模型中断面 1、2、3、4 所在位置在基坑开挖过程中各工况土体沉降曲线加以分析，如图 9。

      从图 9 可以看出，通过数值计算得到的地表沉降有以下几个特点:

      ( 1) 随着施工进展，基坑周围地表沉降值不断增大，离基坑边距离不同，沉降值也不相同;

      ( 2) 基坑周围地表沉降整体变形性状呈抛物线形;

      ( 3) 随着施工进展，开挖对地表沉降的影响范围逐步增大，距离坑边基坑开挖深度 1 ～ 1. 5 倍都受到影响。其中最大沉降位置一般在距离坑边围护桩5 ～ 15m;

      ( 4) 计算结果最大地表沉降为约 6mrn，满足基坑设计和监测关于地面最大沉降的控制要求。

      对比计算结果和实测可以看出，采用数值计算的方法能够得到基坑周围地表沉降的基本变化趋势和大致的影响范围，此数值计算可以作为基坑施工过程中，基坑变形分析的有效手段之一。