地铁车站深基坑施工对周边环境的影响研究

摘要：依托地铁车站深基坑开挖项目，采用地下连续墙+水平支撑的支护结构，通过现场监测和数值模拟手段，分析地下连续墙的水平位移沿深度分布规律、周边地表沉降变化特征及主要影响因素。研究结果表明：基坑开挖过程中，地下连续墙墙顶水平位移最大变化速率为0.46m/d，最大墙顶位移达到5.2mm，均未超过监测项目预警值。随着基坑开挖深度的增加，墙体水平位移峰值逐渐增大，且墙体水平位移峰值对应的埋深深度逐渐增加。随着嵌固深度的增加，同一位置处地表沉降逐渐下降，当嵌固深度超过22m后，各工况下地表沉降峰值差异不大；当地下连续墙嵌固深度小于22m时，增加嵌固深度能显著改善周边地表沉降变形峰值。

关键词：深基坑开挖；既有建筑；地表沉降；数值模拟

0" "引言

随着我国城市进程的不断加快，在既有建筑物邻近的深基坑开挖项目越来越多。而深基坑开挖不可避免地对邻近建筑物造成影响，威胁既有建筑物的安全，针对于此许多国内众多研究人员展开了一系列研究。

黄林江等[1]依托南山智谷大厦项目基坑开挖项目，通过三维岩土工程软件分析了不同工况下基坑临近侧地铁钢轨及地铁隧道结构变形，并根据仿真计算结果，分析了施工过程中的不利工况。任梦如等[2]依托上海某项目基坑工程开展了现场监测，分析了基坑土方开挖和结构回筑阶段引起的周边地面沉降、临近建筑物沉降以及基坑围护结构本身的侧向位移变形规律。刘林贵等[3]以某软土地区地铁车站深基坑工程为例，对软土地区地铁车站深基坑邻近建筑物环境风险控制措施进行阐述，并通过监测数据验证了所采取的风险控制措施的合理可靠性。

张月清等[4]依托某深基坑支护案例，将复合土钉技术应用于复杂地质条件下基坑支护中，从方案选择、施工工艺及要点、基坑监测及施工质量控制3方面入手，系统介绍复合土钉技术在该项目中的应用要点。何少琼等[5]基于有限差分法，通过FLAC三维有限元软件建立了软土深基坑数值仿真模型，分析了基坑开挖引起的变形，并提出了设置隔离桩及施作地下连续墙作为支护结构的优化方案。

本文依托长春市城市轨道交通7号线一期工程会展大街站深基坑开挖项目，通过布测监测点分析了地连墙变形和地表沉降规律，利用数值软件研究了地连墙嵌固深度的影响。

1" "工程概况

1.1" "工程基本状况

长春市城市轨道交通7号线一期工程会展大街站深基坑开挖项目采用明挖法施工，基坑最大深度为18.89m，宽度24.6m，土方开挖量约为21.5万m3。车站为地下两层结构，根据工程特点，选用地下连续墙结合内支撑作为基坑支护结构，内支撑由一道混凝土内支撑和四道钢支撑构成。地下连续墙嵌固深度为19m，厚度为0.8m，混凝土支撑截面尺寸为1000mm×800mm，钢支撑材料选用Ф800×16的钢管。

该地铁车站地处城市商圈，周边分布有多个住宅小区和一个商业群楼，最小水平间距仅为19m，基于此，需要对周边环境受基坑开挖的影响进行研究和分析。

1.2" "工程地质条件

地勘报告显示，该地铁车站项目土层由上至下依次为素填土、淤泥质粉质黏土、粉砂、粉质黏土和中风化灰岩，地层富水性较高，属于软土地基。各土层的物理力学参数如表1所示。

2" "现场监测分析

2.1" "地连墙墙顶位移

选取地下连续墙变形较大的两个监测点数据进行分析。地下连续墙墙顶位移随时间变化曲线如图1所示。从图1中可以看出，基坑施工过程中，地连墙墙顶水平侧移总体呈增大趋势。

具体来看，基坑开挖初期，由于土体的开挖，水平土压力增大，地连墙墙顶水平侧移迅速增大。随着基坑继续开挖，内支撑的架设提供了一定的水平抵抗力，地连墙墙顶水平侧移增长速率逐渐放缓。当基坑开挖至坑底过程中，地连墙墙顶水平侧移增速进一步降低，并逐渐趋于稳定。

基坑施工完成后，监测点1和监测点的地连墙墙顶水平侧移最大值分别为5.2mm和4.8mm，明显小于16mm预警值。而地连墙墙顶水平侧移最大增长速率出现在第15d，约为0.46m/d，同样小于预警值。

2.2" "地连墙水平位移

不同开挖深度下墙体水平位移沿深度分布情况如图2所示。从图2可以看出，当开挖深度较浅时，最大墙体出现在墙顶位置处，随着深度增加墙体位移逐渐下降。当开挖深度超过6m后，随着墙体埋深的增加，墙体位移呈现先增大后减小的变化规律，最大水平位移出现在墙体中上部位置处。

随着开挖深度的增加，墙体水平位移峰值逐渐增大，且墙体水平位移峰值对应的埋深深度逐渐增加，由开挖6m工况对应的7m深度逐渐增加至开挖完成的16m深度。

开挖深度6m工况下，最大墙体水平位移为4.6mm；开挖深度12m工况下，墙体最大水平位移为10.1mm，较前者增加了119%；开挖至基坑底工况下，墙体最大水平位移达到了16.3mm，较前者增加了61.4%。

由此可见，随着开挖深度的增加，墙体水平位移峰值与变形程度均显著增加。因此在进行基坑开挖过程中，要严格遵守安全开挖原则，先撑后挖，分段开挖，严禁开挖，同时要对基坑开展监测，以保障基坑与邻近建筑物的安全。

2.3" "地表沉降

基坑开挖过程中，不同开挖深度工况下周边地表沉降如图3所示。从图3可以看出，随着观测点距基坑边距离的增大，观测点地表沉降总体呈先增大后减小趋势。

具体来讲，当观测点距基坑边1.5m范围内，观测点变形为隆起状态，最大隆起位移约5mm。当观测点距基坑边1.5～6m时，观测点变形转变为沉降状态，且地表沉降值急剧增大，在距基坑边6m位置，地表沉降值达到峰值。当观测点距基坑边6～12m时，观测点地表沉降值迅速减小。当观测点距基坑边超过12m后，观测点地表沉降逐渐趋于稳定。

当基坑开挖到4m时，地表沉降最大值约为6.2m；当基坑开挖到8m时，地表沉降最大值明显增大，约为13.8m；当基坑开挖到12m时，地表沉降最大值依据显著增大，约为18.2m；当基坑开挖至坑底后，地表沉降最大值略微增大，仅为18.6m，与开挖到12m深度的邻近地表沉降变形较为接近，由此表明，在接近基坑底部开挖对邻近地表沉降变形影响较小，同时最大地表沉降满足基坑周边地表沉降不超过30mm的要求。

3" "有限元数值模拟

3.1" "模型建立

为进一步研究地铁车站深基坑开挖对周边环境的影响，通过有限元软件建立尺寸为100m×100m×60m基坑模型。土体本构模型选择修正的摩尔库伦模型。

根据等效原则，采用集中荷载替代邻近建筑物的作用，载荷大小为105kPa，作用宽度为15m。对模型进行网格划分，共划分出24513个节点、45613个单位，并对地连墙和土体接触位置进行局部网格加密。

3.2" "设置假定条件

模型的边界条件假定如下：模型表面设为径向和法向自由；模型四周设为法向固定，径向自由；模型底部设为径向和法向固定。

在进行数值仿真模拟计算过程中，也采用了一系列假定：一是线弹性假定。即通过线弹性模型模拟材料，土层本构模型由摩尔-库伦模型与线弹性模型组合构成。二是透水边界假定。即假定道路软土路基两侧即底部边界条件为不透水边界条件。三是土层均匀性与各项同性假定。即假定各土层材料为均匀的、各向同性的材料。四是自重位移清零假定。在模型分步计算之前，对模型自重应力进行了生成和计算，并将自重位移清零。

3.3" "有限元结果分析

不同地下连续墙嵌固深度工况下周边地表的沉降如图4所示。从图4可以看出，相比于实测结果，同工况下数值模拟结果在数值和分布规律方面均较为接近，由此验证本文建立的地铁车站深基坑开挖数值仿真模型是合理有效的。

具体各工况下，随着嵌固深度的增加，同一位置处地表沉降逐渐下降，但坑壁位置处地表隆起量增加。相比之下，当嵌固深度超过22m后，各工况下地表沉降峰值差异不大。当地下连续墙嵌固深度小于22m时，增加嵌固深度能显著改善周边地表沉降变形峰值。

嵌固深度16m工况下，地表沉降峰值为21.2mm；嵌固深度19m工况下，地表沉降峰值为18.7mm，较前者降低了11.8%；嵌固深度22m工况下，地表沉降峰值为15.8mm，较前者降低了15.5%。由此可见，地下连续墙嵌固深度存在一个“阈值”。当嵌固深度小于该阈值时，地下连续墙对基坑变形的限制作用发挥不充分，此时提升嵌固深度能有效改善基坑引起的地表沉降。而当地下连续墙嵌固深度超过该阈值时，地下连续墙对基坑变形的限制作用已接近发挥充分，此时增加嵌固深度对邻近地表变形提升不大。

综上分析可知，在实际工程中应合理设计地下连续墙支护结构的嵌固深度，既要达到改善基坑开挖引起的邻近地表沉降变形的目的，也要考虑经济性，避免材料浪费。在本项目中，地下连续墙嵌固深度设为22m左右较为合适。

4" "结束语

本文依托地铁车站深基坑开挖项目，采用地下连续墙+水平支撑的支护结构，通过现场监测和数值模拟手段，分析地下连续墙的水平位移沿深度分布规律、周边地表沉降变化特征及主要影响因素。得到如下结论：

随着基坑开挖的进行，地下连续墙墙顶水平位移逐渐增加，但整体上增加速率逐渐下降，最大变化速率为0.46m/d，最大墙顶位移达到了5.2mm，均未超过监测项目预警值。

当开挖深度超过6m后，最大水平位移出现在墙体中上部位置处，随着基坑开挖深度的增加，墙体水平位移峰值逐渐增大，且墙体水平位移峰值对应的埋深深度逐渐增加。

随着嵌固深度的增加，同一位置处地表沉降逐渐下降，但坑壁位置处地表隆起量增加。相比之下，当嵌固深度超过22m后，各工况下地表沉降峰值差异不大，当地下连续墙嵌固深度小于22m时，增加嵌固深度能显著改善周边地表沉降变形峰值。

在实际工程中应合理设计地下连续墙支护结构的嵌固深度，既要达到改善基坑开挖引起的邻近地表沉降变形的目的，也要考虑经济性，避免材料浪费。

参考文献

[1]" 黄林江，张瀚宇，曹献华.基于有限元的基坑施工对周边轨道设施影响分析[J].山西建筑，2024，50（9）：66-68.

[2]" 任梦如，张方，张严生.上海某深基坑工程周边环境与围护结构实测数据分析[J].上海建设科技，2024（2）：106-111.

[3]" 刘林贵，张君，谢鑫波.软土地区地铁车站深基坑邻近建筑物环境风险控制措施研究[J].工程建设与设计，2024（7）：71-73.

[4]" 张月清，李泽，张慧东，等.复合土钉技术在复杂地质条件下基坑支护中的应用[J].中国建筑装饰装修，2024（6）：190-192.

[5]" 何少琼，张兵，郭薇.基于有限差分法的临近地铁软土深基坑变形分析[J].地质灾害与环境保护，2024，35（1）：82-86.