某地铁车站深基坑降水开挖对邻近建筑物变形影响分析

谢颖川， 杨 威， 刘长玲

（1.河南工业职业技术学院城市建设学院，河南南阳 473000； 2.河南省建筑设计研究院有限公司，郑州 450014）

随着地下空间和高层建筑的发展，深基坑工程已成为岩土工程界关心的一个重要课题. 兰州属于典型的黄土与湿陷性地区，地质条件较为复杂、不利［1-4］，如何避免由于地铁深基坑及开挖降水而引起邻近建筑物和地下管道产生不利变形而开裂，已成为一个重要的研究课题［5-8］. 地铁深基坑桩撑支护涉及结构和岩土相互作用的稳定和变形问题［9-17］，通过数值模拟手段对基坑降水开挖过程中引起的围护结构和邻近建筑物变形规律进行了较深入研究［18-23］. 丁智等［24］对于基坑开挖全阶段施工对邻近地铁隧道变形的规律进行了研究. 认为基坑开挖前期施工和降水均对地层和邻近地铁产生了不容忽视的初始位移影响. 温科伟等［25］在实验和原位试验基础上利用小应变硬化土模型研究了基坑在各工况下施工对下穿地铁隧道的影响，分析了参数的物理意义及小应变硬化模型的合理性.

以兰州某地铁车站深基坑为背景，对基坑围护结构及邻近建筑物的水平及竖向位移进行监测分析，并利用三维数值模拟方法重点研究了兰州地区某地铁车站深基坑开挖降水对邻近建筑物的影响，以期为后续地铁车站深基坑开挖降水过程中的施工控制策略提供参考.

1 工程概况及水文地质条件

1.1 地铁站工程结构概况

车站为换乘站，位于金昌路与庆阳路交叉口，全长745.3 m，主体宽33.8～41.3 m，结构采用地下两层双岛式形式，与规划二号线同高程、同向同台，采用明挖顺作法施工. 基坑开挖深度20 m左右，该基坑围护结构采用地下连续墙加内设4道钢支撑的支护形式，地连墙顶设置钢筋混凝土冠梁，基坑支护结构剖面如图1所示.

图1 基坑支护结构剖面图Fig.1 Profile of retaining structure of foundation pit

1.2 工程地质条件

基坑工程场地在勘探深度40.0 m范围内的地层主要为第四系全新统人工填土(Q)、冲积(Q)卵石以及第三系古-始新统(E1-2)砂岩组成，场地从上到下各地层物理力学指标如表1 所示. 场地地下水主要富存于卵石层，卵石下的砂岩为相对隔水层，地下水位主要受降水、蒸发等因素影响，车站水文地质剖面如图1所示.

表1 车站主要地层物理力学参数Tab.1 Physical parameters of main stratum in station

1.3 工程环境

车站基坑处于建筑物密布的地段，周边建筑物离基坑较近，并且有的建筑物级别较高. 北侧邻接市电信局、省公安厅、市广播电视局驻地以及在建天鸿金运城市综合体；南侧紧邻兰州市供电局城关分局、体育馆、国芳百货；西南角为电子移动大厦，地下两层且为桩基础. 着重对南侧“L”型建筑物进行监测与模拟分析，建筑物南侧距基坑24 m，西侧距基坑23 m，如图2所示.

图2 车站基坑监测点平面布置图Fig.2 Plan of monitoring points of station foundation pit

2 基坑监测与结果分析

2.1 监测与内容

采用全站仪对建筑物水平位移、竖向沉降和倾斜量进行监测，测点和反射片布置在易观察且能反应实际变形的位置；利用测斜仪对桩体水平位移进行监测，测斜管间距20 m左右，布置时测斜管与钢筋笼一同沉入坑底，南北两侧对称布置；桩顶水平位移监测点设置在测斜孔周围一定范围内，与测斜孔基本同步布置；地面沉降监测点设置在邻近基坑一定范围内. 主要的基坑监测项目及测点布置如表2和图2所示.

表2 基坑监测项目及测点布置Tab.2 Monitoring project and point layout of foundation pit

2.2 基坑降水分析

绘制SW02 和SW04 两次水位降深变化如图3所示，由图可看出，降水深度随时间呈函数关系：

图3 水位降深随时间变化图Fig.3 Water level drop with time

其中：y 为降水深度（m），x 为降水时间（d），A、B 为函数系数；从拟合结果来看，两测孔实测值拟合相关度达到0.96 以上，拟合值能正确反映水位降深变化趋势，两测孔虽然在基坑两侧的不同位置，但是水位降深变化趋势基本一致，由于先用大功率水泵基坑内外同时降水后用轻型井点坑内降水方法，降水速率均从0 m/d先增大到10 m/d，后减小到5 m/d，最后趋于0 m/d，由于所测水位测孔位于基坑内部，是没有补偿水头的，所以这里的降水速率与水泵平均抽水速率大致相同；两测孔在第3天左右基本达到第一次预定降水深度12 m，第3天至第9天水位虽然有起伏，但基本在12 m上下波动，这说明虽然设置了地下连续墙止水帷幕，但由于兰州红砂岩地层具有一定的弱透水性，故降水完成后坑底和坑周裂隙是具有一定补偿水头的，仍需用真空轻型井点降水方法对渗出来的水进行抽降，此降水方案应用于此类基坑降水是合理的；SW02降水速率略高于SW04，这与监测时间点及水泵离测孔远近有关系；第9天对基坑进行第二次降水，两测孔水位降深变化趋势与第一次降水变化趋势一致，呈从零先增大后减小最后趋于零的变化趋势，由于第一次降水已将坑外地下水降到卵石层下2 m，降低了坑内外水头差，使坑外向坑内渗水速率降低，故两测孔第二次降水速率均高于第一次降水速率；两测孔第二次前期降水速率基本一致，到后期稳定阶段同样是SW02水位略高于SW04水位，这是因为前期降水与降水装置有较大关系，而到后期稳定阶段由于基坑北侧离黄河较近，补偿水头比基坑南侧大，故在相同的降水条件下，基坑北侧测孔水位略高.

2.3 地连墙水平位移监测分析

图4 测孔5和测孔8水平位移监测变化图Fig.4 Measuring variation diagram of cumulative displacement difference of borehole 5 and 8

具体监测数据如图4，选取测孔CX05和CX08的6个具有代表性时间点的水平位移监测数据，其中位移变化为正值表示向坑内移动. 由图4可看出以下规律：①地连墙与钻孔咬合桩均发生了指向坑内的悬臂型水平位移，但在监测时间段内水平位移变化范围均在限值以内（≤30 mm），满足基坑降水开挖变形控制要求. ②桩顶和桩体位移随时间呈现增大的趋势，在第一次降水期间桩体水平位移迅速发展. 如对于CX05，在2019 年6 月30 日至2019 年7 月2 日集中降水期间，最大水平位移增加了1.8 mm；对于CX08，在6 月30 日至7月4日集中降水期间，最大水平位移由0 mm增加到3.1 mm，比CX05水平位移大了将近一倍，这说明地连墙的水平位移与降水进行的程度密切相关［3］. ③考虑到长时间、大深度、大流量的预降水对地连墙水平位移将产生较大，基坑降水采用两次降水的降水方案，在第二道钢支撑施作完成之后进行第二次降水，由图4可看出，第一次降水（6月30日）时由于没有内支撑的限制作用，地连墙侧移变化较明显，在第二次降水（7月9日）时，地连墙水平位移没有发生较大突变，这说明分次降水和内支撑对地连墙水平位移起到了一定的限制作用. 随着基坑继续开挖，坑内土体对支护桩体的支撑作用减小，而坑外土体对桩体的挤压作用相对增大，由于钢支撑的施作完成，又使得桩体对周围土体支挡作用增大，所以地连墙侧移又呈缓慢增大的变化趋势. ④CX05与CX08最大水平位移相差不大，均在10 mm左右且都发生在地下3 m左右，CX08相较于CX05水平位移随测孔深度波动性更大；⑤采用分次降水方案后，开挖对地连墙侧移影响更大. 如对于CX05，在7月2日降水完成后，在7月2日至7月9日的开挖施工期间，水平位移增大了近7 mm，故在分次降水开挖过程中应密切注意开挖对围护结构侧移的影响.

2.4 建筑物沉降监测分析

基坑周围重要性建筑较多，降水开挖对建筑物沉降变形有较大影响，建筑物沉降的控制是支护结构是否合理的关键，因此对基坑周围建筑物变形进行监测非常有必要，选取CJ09—CJ18 建筑物沉降数据进行分析研究（图5）. 由图5 可知，建筑物沉降主要发生在前24 d内，期间正是第一次和第二次降水开挖阶段，降水开挖完成后建筑物沉降趋于平稳，最后沉降量稳定在4 mm左右. 总的来看，基坑的两次降水期间，建筑物沉降均发生了不同程度的突变，最大2 mm 左右，在降水停止后，沉降变形有所回弹，回弹量在1 mm 左右. 如CJ11，在第一次降水开挖时，沉降急剧增大到最大值6.5 mm，降水停止后回弹到4.5 mm，然后第二次降水开挖开始时又急剧下降到7.2 mm. 由于含水层自补偿导致孔隙水压力基本恢复到原始状态，停止降水后又有所回弹，直到降水开挖结束，支护结构施作完成沉降才趋于稳定. 由于CJ11和CJ12离基坑较近，降水开挖引起的沉降变化较大，最大达到7.2 mm，但在警戒值以内（≤10 mm）. 根据监测数据分析研究，基坑降水开挖对建筑物沉降变形的影响不可忽略，建筑物沉降主要由以下几点原因引起：

1）坑内坑外同时降水使得土体有效应力减小，引起更远处地下水向基坑方向渗流补偿损失水头，离基坑越近测点沉降越明显，离基坑越远降水对建筑物沉降影响越小；

2）降水后进行基坑开挖，由于坑内土体对地连墙的支撑作用减小，导致地连墙向基坑内悬臂倾斜发生侧移，这使得远处土体发生偶联反应也向坑内移动，从而引起建筑基础沉降变形；

3）基坑开挖引起坑内土体卸荷，坑周土体和围护结构向坑内移动，部分土体由于降水影响随着流体绕过地连墙向坑内移动引起坑外土体沉降和坑内土体隆起.

图5 建筑物沉降变化监测图Fig.5 Building settlement change monitoring map

2.5 建筑物水平位移监测分析

图6 建筑物水平位移变化监测图Fig.6 Building horizontal displacement change monitoring map

基坑周围建筑物侧移监测是基坑监测的重要内容，取邻近基坑南侧和西侧的监测点进行分析，其建筑物侧移随时间变化如图6所示. 由图6可知，建筑物水平位移朝向基坑，基坑降水开挖对建筑物水平位移整体影响不大，最大位移发生在SP03、SP04 和SP05 所在位置，达到3.5 mm，在警戒值以内（≤10 mm），对SP01所在位置影响最小，最大达到1.5 mm. 由此表明离基坑长边和降水井越近，对建筑物侧移影响越大；而远离基坑且离基坑短边近的那一侧对建筑物侧移影响较小，这说明基坑开挖降水过程中对周围建筑物影响具有一定的尺寸效应和空间效应，在基坑开挖降水施工过程中应密切注意基坑长边附近建筑物的变形. 从变形趋势来看，建筑物侧移呈倒“W”形变化，在第一次和第二次降水的时候侧移变化率急剧增大，随着开挖的进行侧移量达到峰值，在开挖结束内支撑施作完成后侧移有所减小，如SP02，降水开挖急剧增大到2.5 mm，随着内支撑施作完成侧移量减小至1.5 mm，然后第二次降水开挖侧移量又急剧增加至2.6 mm，最后随着第三、第四道预应力钢支撑和底板浇筑完成侧移量趋近于零；建筑物侧移存在急剧变化段和平稳段，侧移量在第50 d监测时基本趋于零而稳定，这个时段基坑施工基本接近尾声，支护主体结构基本完成，对建筑物影响明显减小，整个变形与沉降相同，这说明两者有相似的影响因素，同时，对比图4和图6，地连墙侧移是建筑物侧移的4倍左右，这表明建筑物距离基坑超过20 m时，基坑降水开挖对建筑物侧移的影响是有限的.

3 降水开挖数值模拟分析

3.1 数值模型建立

由于主要研究基坑降水开挖过程中对端头“L”型建筑物的变形影响，故建模时不对通长基坑进行分析，将长基坑中间段截断建立大于5倍坑深长度（111 m）的三维渗流应力耦合数值模型，计算参数参照表1. 在数值模型中，以基坑所在位置低下水位线（-4 m）为标准，将-4 m以下实体模型四周设置初始水头边界（总水头值设为-4 m），将基坑实体-12 m表面（3D单元面）设置为第一次降水水头边界（压力水头值设为-12 m），将基坑土体-24 m表面（3D单元面）设置为第二次降水水头边界（压力水头值设为-25 m），渗流边界函数：

式中：H为降水深度；t为降水时间，其后水头一直保持在-24 m.

以200 m×160 m×80 m（长×宽×高）建立实体模型如图7（a）所示，建立支护结构模型如图7（b）所示，共形成107 394个节点，158 697个单元. 土体视为连续介质并采用Mohr-Coulomb 本构模型，以板单元模拟地连墙，桁架单元模拟钢内撑，植入式梁单元模拟立柱，梁单元模拟围檩. 建筑物基础设置40 kPa均布荷载，基坑四周除开建筑物基础设置20 kPa超载. 按施工顺序和工况（表3）通过激活、钝化网格组实现基坑降水开挖和围护结构的设置过程.

图7 有限元计算模型Fig.7 Finite element calculation model

表3 主要施工步骤Tab.3 Main construction steps

3.2 降水开挖对建筑物沉降影响分析

第一次降水后（降到地下-16 m）总水头及建筑物沉降云图见图8（a），地下水位在-4 m，降水深度12 m，第一次降水后最小总水头在-16.8 m左右，第二次降水后（降到地下-30 m），地下水位在-4 m，降水深度24 m，二次降水后最小总水头在-30 m（图10（a））. 因此模型降水设置是基本合理的，能真实模拟基坑降水开挖过程. 图8 为基坑分步降水开挖引起的建筑物沉降随建筑物离坑边距离的变化图.

图8 降水开挖对建筑物沉降变形影响云图Fig.8 Influence of precipitation excavation on settlement deformation of buildings

图9 降水开挖对建筑物沉降变形影响Fig.9 Influence of precipitation excavation on settlement deformation of buildings

由图8和图9可知，降水开挖对建筑物沉降影响是较大的，由于降水引起坑周土体孔隙水压力减小导致的建筑物固结沉降不可忽视，且影响范围较广，距离坑边70 m 以外依然有沉降发生，必要时应设置回灌井以减小建筑物沉降. 第一次降水对建筑物沉降影响最大值达到5.82 mm，最大沉降发生在“L”型建筑物长边离基坑较近的一角附近，第二次降水开挖对建筑物沉降影响最大值达到-9.86 mm，最大沉降发生在“L”型建筑物长边离基坑较远的一角附近，二次降水开挖完成后沉降几乎趋于稳定，直至开挖完成后都没有大的变化；从图9的监测和模拟数据可以推测：在建筑物到基坑这段地表是有沉降的，但沉降没有达到最大值. 第一次降水时，直到离基坑30 m左右沉降达到最大值，第二次降水时，直到40 m左右沉降达到最大值；随着施工继续进行，降水开挖对建筑物影响范围越来越大，最大沉降值向出现在2倍左右开挖深度处. 从图11（a）看，整体开挖完成后，模型边界沉降量较大，对在边界内的建筑物沉降还具有一定影响. 从模拟结果来看，计算值略大于实测值，模拟的最大沉降值发生位置远于实测最大沉降发生位置.

3.3 降水开挖对建筑物X向位移影响分析

降水开挖对建筑物X 向位移影响如图10 所示，由图可知，降水开挖对建筑物X 向位移影响是较小的，第一次降水（图10（b））最大X 向位移值1.32 mm，最小X 向位移值0.76 mm，只相差0.56 mm；第二次降水（图10（c））最大X向位移值1.76 mm，最小X向位移值1.13 mm，只相差0.63 mm. 第一次降水最大值出现在“L”型建筑物短边一侧角点附近（图10（b）），第二次降水最大值出现在长短边相交远离基坑的对角点附近，这与实测结果有一定出入（最大值出现在长边一侧，SP03、SP04和SP05所在边）. 由于前期对建筑物监测不够重视，所布测点偏少，在远离基坑的建筑物边侧监测不够，导致监测结果与模拟结果不能很好对比，这为以后类似项目测点布置提供了参考. 但所述项目由于最大X向位移较小，故可认为模拟值是能代替监测值对建筑物X向位移进行预测的.

图10 降水开挖对建筑物X向变形影响云图Fig.10 Cloud pattern of precipitation excavation on X-direction deformation of buildings

3.4 降水开挖对建筑物Y向位移影响分析

图11所示为降水开挖对建筑物Y向位移影响，由图可见，建筑物Y向位移沿基坑纵向递增，在第二次降水开挖后最大值递增到1.74 mm，与X向位移相比，第一次降水Y向最大值低于X向位移最大值，但第二次降水之后最大值基本相等，这说明建筑物Y向位移对降水开挖的响应更加明显，但最终影响程度是差不多的，均比较小；对于“L”型建筑来说，降水开挖对长边影响更为明显，如图11（c）和图11（d），长边条带分区比较分明，变化较明显，而短边就一个蓝色条带，说明短边对降水开挖响应较迟缓和均匀，这是由于建筑物尺寸效应引起的刚度不同导致的结果（短边刚度大，抗变形能力更强）. 总的来说，基坑降水开挖对建筑物X 向和Y向位移的影响是较小的.

图11 降水开挖对建筑物Y向变形影响云图Fig.11 Cloud pattern of precipitation excavation on Y-direction deformation of buildings

4 结论

1）基坑分步降水开挖条件下，支护墙位移呈上大下小变化趋势，墙顶位移最大，墙底变形最小，在降水时段内水平位移增大速率较快，降水完成后变化趋缓.

2）基坑分步降水开挖对邻近“L”型建筑物沉降变形影响显著，降水深度相同且分两次降水时，第二次降水开挖比第一次降水开挖对“L”型建筑物变形影响大，最大沉降值出现在2倍左右开挖深度处.

3）基坑降水开挖对邻近建筑物的沉降变形影响大于X向和Y向位移的影响，沉降最大值与X向和Y向最大值相差最大达到一个数量级.

4）预应力钢支撑的施作对坑周变形和邻近建筑物的变形有一定的抑制作用，对于开挖深度20 m的基坑在第一次降水开挖结束和第二道预应力钢支撑施作完成后建筑物变形基本趋于稳定，直至开挖结束底板施作完成.

5）数值模拟结果变化趋势与监测结果变化趋势一致，模拟值略大于实测值，在基坑降水开挖时选用Mohr-Coulomb本构模型进行模拟是偏保守的，这说明考虑基坑降水作用使模拟结果偏于安全.