不同开挖步距对地铁深基坑影响的研究

莫 少 聪

(浙江工业大学建筑工程学院，浙江 杭州 310012)

0 引言

随着城市化的发展，基坑开挖的规模也会越来越大，在地铁施工过程中，有关于地铁开挖产生的安全问题也渐渐出现，所以开展相关领域的研究有重要的意义[1]。因为在深基坑的开挖过程中所需要涉及的各类因素和情况很多也非常复杂，所以对于深基坑工程来说，解决深基坑开挖过程中的各类问题依旧是一个热门课题[2-4]。基坑开挖的过程其实也是土体卸荷的过程，它的变形特性具有独特的变化规律，在软土地带进行一系列的基坑开挖工程都要涉及到软土的卸荷问题，如果周边的建筑物比较靠近基坑，那么对周边的建筑物还会产生损坏[5]。基坑开挖和地下工程的建设对地铁隧道肯定会产生一定的影响，但这种影响有多大需要定量的研究分析[6]。

1 工程背景

1.1 实际工程概况

模拟实际建造地铁，需进行深基坑的开挖。在实际开挖工程中，在地铁基坑开挖过程中对深基坑及周围环境进行监测。所以在试验模拟基坑时，也同样使用各种监测方法来研究不同开挖步距对基坑及周边各类参数的变化影响。

1.2 周围环境

地铁位于两条主干线交叉口地下空间处，工程位于杭州市，结构南面横跨另一条主干道，主体结构在一条主要道路正下方。而此条主干道两边建筑以商铺裙房为主，因此在此设计上此处基础以桩基础为主，且桩均比结构底板深，另一侧东面为电力局及农贸市场，因此基础以条形基础为主。

2 试验概况

2.1 试验目的

1)确保在基坑开挖的过程中，保证基坑内部和侧边的稳定性，并降低对周围环境和道路造成的影响，确保工程能够有效开展，并在发生危险的时候及时预警并采取相应措施。

2)研究比较不同开挖步距，对基坑周围深层土体的水平位移，基坑底部土体的沉降，以及水位的影响。

2.2 建立模型

由于实际基坑比较大，所以在建立模型时，只取其中一段，按比例10∶1倍来建立模型，见表1。

表1 模型比例表

由于基坑在承压水层之上，所以进行模型实验时暂不考虑承压水层的影响。模型实验所用材料与实际工程中的一样，采用相应的建筑材料。支撑第一道为混凝土支撑，剩余的支撑根据不同步距数设置不同的数量，并且采用钢支撑，材料相同，直径按比例缩小10倍。挡土墙厚度也同比例缩小10倍，所用材料为原先同样强度的混凝土。基坑截面图如图1所示。

周围土质模拟采用与实际相同的土层按比例缩小厚度堆叠而成。

2.3 设置开挖路径

在上述模型建立后，控制等量条件，同时搭建三个相同的基坑空间，分别命名为一、二、三号基坑，分别对其进行不同步距的开挖。其中一号基坑开挖时，采用一次性开挖到底部的开挖方式，并对基坑进行支护；二号基坑开挖时，采用分两次匀速开挖的方式，即先开挖一半深度，进行支护，稳定后按照实际情况再次进行开挖到预定深度，再进行支护；同理三号基坑，平均分成五次，匀速进行开挖，直到预定深度，每次开挖后都需进行支护。保证基坑稳定，并对周围安装的监测计进行读数，得到相关参数并进行比较。

2.4 监测原则

监测方案的编制一般参照以下原则：

1)基坑周围环境、建筑物、道路、地下设施和一些埋设管线一般会遭到基坑施工影响，所以这些周边环境和基坑自身都应当作为监测的对象。应适当的加宽监测范围以满足基坑的影响范围，通常是2倍基坑开挖深度的情况。

2)在对基坑监测项目内容的确定和监测点的布置上，需要满足相应有关规范和工程设计的规定，并且可以全面反映出周边环境和基坑围护结构的情况在基坑施工过程中的变化。

3)监测方法的使用、仪器以及监测频率都要符合相关规范和设计要求，而且可以适时、精准地提供数据，使其满足信息化施工的规范规定要求。

2.5 监测项目及点位布置

本实验按照实际工程的情况，将基坑围护施工和开挖施工的时间段作为监测工作的重点阶段。

依据《基坑工程设计规程》的规范规定，本试验在基坑施工过程中主要的监测内容为以下几点：

1)围护墙顶沉降、位移；2)围护墙深部水平位移(测斜)；3)立柱隆沉；4)支撑轴力；5)坑外水位；6)地表沉降。

2.6 监测点埋设

本模型实验可以在(8 000×6 000×3 000)mm3模型箱中进行。各监测点布设位置和密集程度应根据围护结构的类型、深基坑开挖的步距、监测基坑段的特点和周围情况来进行布设。并且从基坑的现场情况出发，要根据实际围护结构墙体分幅情况和分区开挖的参数，来布置监测点。

2.6.1 围护墙顶沉降

监测点的布设需沿围护墙体圈梁所对应的墙体边测斜孔的位置进行布设。通常在围护墙上埋设带圆头的不锈钢沉降标志的方式布设监测点。

2.6.2 支撑轴力

因为基坑周围的侧向土压力会对基坑支护产生轴向压力，如果大于支撑所能够承受的最大极限荷载，就会引发安全事故。所以为了能够及时的掌握混凝土支撑的内力状态，我们需在混凝土支撑支护上设置支撑轴力监测点。混凝土支撑轴力监测可以通过在混凝土支护浇筑的前期，进行钢筋计的绑扎。在混凝土浇筑的同时将钢筋计直接浇筑在支撑当中。

2.6.3 坑外地下水位

通常情况下在基坑开挖的过程中和围护结构在后期的止水时期，都需对坑外水位进行监测。大量工程实例表明，在基坑开挖时如果不注意坑外水位，很有可能造成围护结构发生渗水、漏水现象，造成大量坑外水流入坑内的情况，并引发安全事故的情况，所以需要及时的对坑外水位进行监测，掌握坑外水位的情况，并及时的做出相应的措施。

水位管的埋设通常采用钻孔的方式。水位管的埋设深度应大于基坑开挖深度。并且埋设时在围护墙两侧都需要设置。

2.6.4 坑外地表沉降

坑外地表沉降是基坑监测中最重要、也是最基本的监测项目，因为它直观地反映了基坑周边地表土的变形情况，可以对基坑的各类变化有较为直观的预警。通常的测点布置采用地表桩的形式，并沿着基坑四周布置。在支撑对应的外侧路面上的两边各布设3个，距围护墙距离分别为0.3 m,0.6 m,1.0 m。

3 试验结果分析

本模型实验方案如上所述，施工方案按实际施工进行操作，控制其他所有变量，测量时间与实际相同，得到数据可以用以分析基坑变形。通过分析上述三个不同步距的基坑的监测数据发现：不同的施工开挖步距会对基坑变形产生不同的影响。无论是基坑周边土体的水平位移还是周围路面的沉降，比较发现，一次性开挖到底的施工步距的影响都表现为最大。而随着步距的增加，分步开挖次数的增多，其对周围土体的影响会慢慢减小。但是对于水位影响都相差不大。同时发现，基坑底部隆起程度也会随着开挖分步次数的增加而变小。同时对于支撑，比较钢筋计等数据发现，随着时间的增加，同样三号基坑支护的支撑力较其他两种要小。

4 结语

在深基坑开挖过程中，选择合理的开挖步距，增加开挖次数，有助于实现减小基坑开挖对周围的影响，更好的做到基坑的保护。文章结合实际情况进行缩小比例的实际工况模拟，得到相关数据并进行分析，对实际工程中深基坑的开挖具有一定的指导意义。