地铁深基坑工程引起地表及建筑物沉降分析

李海峰

地铁深基坑工程引起地表及建筑物沉降分析

李海峰

摘 要：深基坑工程对坑外地表沉降的影响，主要包含基坑开挖、基坑降水引起的地表沉降。文章通过对基坑开挖的有限元模拟及降水影响计算，分析了深基坑工程周边地表沉降、沉降的组成、变化趋势，以及对周边建筑沉降的影响。

关键词：地铁；深基坑开挖；基坑降水；地表及建筑物沉降

李海峰：中国铁建十三局集团有限公司，高级工程师，天津 300300

城市地铁基坑工程具有规模大、基坑深的特点，其工程风险的控制难度也较大。一方面，由于基坑规模大，深度深（深度通常在16～30 m），基坑的开挖会导致周边地表的沉降、水平位移等变形；另一方面，对于地下水丰富的地区，基坑设计及开挖过程中对地下水的处理方式，直接影响到周边地层的固结压缩，从而导致地表沉降。目前，国内外对基坑开挖引起的地表沉降已有较多的研究，但基坑降水对周围地表沉降的影响却因各地地下水情况而异，因此，实有必要研究深基坑工程开挖与降水对周边环境的影响及有效地防治措施。

1　工程概况

某市地铁车站全长183.8 m，线间距15 m，站台宽12.0 m，主体结构宽20.7～24.9 m，深16.89～18.59 m，为地下双层岛式车站，车站主体基坑工程采用明挖顺做法施工。基坑场区范围内地层多以黏土、粉质黏土、粉土及粉砂土为主，工程性质较好。局部地层呈软、流塑性，工程性质一般。场地内含潜水及2层微承压水。表层地下水类型为第四系孔隙潜水，地下水埋藏较浅，水位埋深0.80～1.50 m（高程0.78 ～1.48 m）。站位东侧有3栋居民住宅，7层砖混结构，条形基础，距离主体基坑最小水平净距26 m。

本次研究选取最不利断面，即小里程端盾构井段（地层较差、邻近既有河流和既有建筑物），该处基坑宽24.9 m，深18.477 m，采用800 mm厚地连墙支护，工字钢接头，设首道钢筋混凝土撑+4道钢支撑的水平对撑体系，地连墙接缝外设旋喷止水。

2　地表沉降及计算分析方法

基坑开挖与降水均会导致地表沉降，在采用水土分算、不考虑饱和土体失水固结后侧压力变化等的影响，可以近似认为开挖和降水2种因素引起的地表沉降是相互独立的，在工程使用中地表最终沉降量可以将这2种因素所产生的地表沉降线性叠加。

2.1基坑开挖引起地表沉降及分析方法

平面分析基坑开挖过程中，围护墙（桩）在支撑体系共同作用下，引起地表发生沉降的原因只是由于基坑周边土体向开挖空间运动所导致的基坑开挖断面的收缩，即，围护结构变形产生。目前，在设计过程中常用的基坑开挖引起地表沉降计算方法多采用补偿法（如，同济抛物线、peck曲线、同济三角形）和有限元法。本文采用有限元法对基坑开挖引起的地表沉降进行分析。

结合本工程实际情况，本文采用MIDAS GTS 4.0有限元软件，建立平面基坑应力渗流耦合模型，分析基坑开挖过程对周边环境的影响。模型两侧取至5.0H（H为基坑深度）范围，底部取至地连墙底以下较好的不透水层，模型尺寸186.5 m×60 m，划分13 020个网格单元（图1）。地层参数按详勘报告取值。

图1　有限元模型

2.2基坑降水引起地表沉降分析方法

地层一般由固相的土颗粒骨架和液相的孔隙水两相介质组成，土体所受荷载由土骨架和孔隙水共同承担。当土体中的孔隙水位（水头）减小和孔隙水压力降低时，将导致土体颗粒所承担的应力增加，即，土的有效应力增加，从而使土体产生固结压密。

基坑开挖过程中采取降水措施将导致基坑内外存在一定的孔隙水水头差，从而引起基坑周边土体中地下水产生水平向、竖向的渗透补给，坑外水位随之逐渐降低，形成漏斗形水位曲线。

对于含孔隙水层为承压水层的地区，基坑设计过程必须考虑承压水问题。在条件允许的情况下，可采取加深止水帷幕（地连墙）将潜水及承压含水层隔断，在坑内形成一个封闭的水体，避免坑内降水过程中，坑外地下水向坑内补给。该方法可大大降低基坑降水对周边环境的影响，但投资较大，经济型较差。

由于降水引起的地表沉降量计算，本文采用目前常用的分层总和法，如式（1）：

式（1）中，s为计算剖面的地层压缩变形量，mm；ψ为沉降计算经验系数；Δσi'为降水引起的地表下第i层土体平均附加有效应力，kPa；Δhi为第i层土体厚度，m；Ei为第i层土体的压缩模量，kPa。

3　地表及建筑物沉降计算分析

3.1地表沉降计算

图2、3给出了基坑开挖及降水引起的地表沉降曲线。

（1）基坑开挖引起的地表沉降。不隔断承压水与隔断承压水情况下基坑开挖引起的地表沉降范围基本相同，约在基坑周边45 m范围。不隔断承压水情况下基坑开挖引起的地表沉降，自基坑边至20 m范围迅速增大，最大值为27.5 mm；隔断承压水情况下基坑开挖引起的地表沉降，自基坑边至15 m范围迅速增大，最大值为22.5 mm。

（2）降水引起的地表沉降。不隔断承压水与隔断承压水情况下降水引起的地表沉降范围差别较大，不隔断承压水情况下约为90 m，隔断承压水情况下约为60 m。不隔断承压水情况下降水引起的地表沉降，自基坑边至90 m范围由最大逐渐减小，最大值为40.5 mm；隔断承压水情况下降水引起的地表沉降，自基坑边至60 m范围由最大逐渐减小，最大为12.1 mm。

（3）自基坑周边45 m以外区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边地表沉降总量的30%～64%。基坑开挖及基坑降水引起的地表沉降在基坑附近达到最大值，随着与基坑距离的增大，开挖引起的沉降迅速减小，降水引起的沉降成为最主要的影响因素。因此，对于深基坑工程，在地表沉降预测中，降水影响不容忽视。

图2　基坑开挖引起地表沉降曲线

图3　基坑降水引起地表沉降曲线

（4）对于本基坑工程，围护结构隔断承压含水层，控制坑外地下水对坑内的补给作用，从而确保了坑外水位降深不超过0.5 m，可以有效地控制基坑周边地表沉降，对周边环境复杂的工程具有较好的控制效果。

3.2建筑物沉降倾斜计算

不考虑建筑物对基坑附近土体的压缩沉降，可认为基坑开挖和降水引起的地表沉降和建筑物的沉降相等。图4给出了基坑开挖及降水引起的地表总沉降曲线，由图4可以得到建筑物近端（26 m）和远端（46 m）的沉降值并由此计算得出建筑物的倾斜值（表1），由表1可见：

（1）不隔断承压水情况下，由于基坑开挖和降水导致的建筑物近端最大沉降为37.7 mm，远端最大沉降为14.8 mm，倾斜为1.15‰，满足2‰的规范要求；

（2）隔断承压水情况下，建筑物近端最大沉降为20 mm，远端最大沉降为5 mm，倾斜为0.75‰，满足2‰的规范要求。

图4　基坑开挖和降水引起地表总沉降曲线

表1　基坑开挖和降水引起建筑物倾斜计算结果

4　结论及建议

（1）针对目前深基坑工程开挖及降水过程，采用有限元模拟结合经验公式方法，对基坑开挖、降水引起的基坑周边地表沉降进行分析，可以在一定程度上反应地表沉降的时空特性，对指导工程设计与施工具有较强的实用性。

（2）对于有限元计算，采用节点位移连续原理进行计算，无法模拟墙背土体与围护墙间的剪切错动以及地层变化不均匀导致的开裂作用，其计算结果相对于实测值往往偏小，在工程设计施工过程中需考虑该因素的影响。

（3）利用围护墙（止水帷幕）隔断承压水，对基坑周边环境变形保护控制具有较好的效果。对于深基坑工程，应结合地下水及周边环境（周边建筑物、管线）情况，研究围护结构隔断承压水的技术、经济可行性与必要性，以确定合理的工程方案，确保基坑工程的顺利实施及周边建筑物、管线的正常使用。

（4）对于基坑周边建筑物，应根据其与基坑相对位置关系，重点分析其沉降变形的构成，结合建筑物自身特点（结构型式、基础、建成年代、使用功能等），进一步分析建筑物的安全性，从而确定是否采用额外的保护措施。

参考文献

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责任编辑 朱开明

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

中图分类号：TU433