深基坑開挖降水引起地鐵隧道沉降的分析預(yù)測

摘 要：地鐵是對變形要求極為嚴(yán)格的建筑，在緊鄰已運營的地鐵處開挖的深基坑對地鐵以及周圍建筑產(chǎn)生的影響的分析預(yù)測顯得尤為重要。通過理論計算結(jié)果和實際監(jiān)測結(jié)果反分析對比得出針對本工程的沉降修正系數(shù)。選取不同工況，對基坑開挖結(jié)束后的大型工程樁降水開挖對地鐵結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了預(yù)測，提出了在工程的后續(xù)施工中應(yīng)采取的措施。所述方法對本工程的施工和分析類似工程有參考價值。

關(guān)鍵詞：深基坑降水；地鐵結(jié)構(gòu)；沉降預(yù)測

中圖分類號：U47文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-1098(2010)04-0017-05

Analysis and Prediction of Metro Structure Settlement Caused by

Deep Foundation Pit Excavation and Dewatering

LIU Bo，XU Wei，YANG Chun-ying

(School of Mechanics and Civil Engineering， China University of Mining and Technology， Beijing 100083， China)

Abstract: Metro structure has a very strict requirement on the deformation， so it is very important to analyze and predict influence of deep foundation pit excavation on adjacent operation metro structure and surrounding constructions. By using back analysis based on theoretical calculation and actual monitoring results， the settlement correction coefficient in this project was obtained. With different working conditions， influence of large engineering pile dewatering and excavation in foundation pit on metro structure was predicted， and the follow-up countermeasures were proposed. This method is valuable for analysis of this project and similar constructions.

Key words:dewatering of foundation pit; metro structure; subsidence prediction

隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，興建的高層和超高層建筑越來越多?；拥拈_挖越來越深，有些深基坑已超過40 m^［1］。在深基坑開挖的過程中，基坑降水必不可少，如何控制好地下水是確保基坑安全施工的關(guān)鍵。深基坑開挖降水雖然給基坑施工帶來很大的方便，但是也引發(fā)了一系列的環(huán)境問題，給降水基坑周圍的建筑物帶來不良影響。長時間、大范圍的基坑降水會導(dǎo)致基坑周圍的建筑物與地面產(chǎn)生不均勻沉降，特別是當(dāng)新開挖的深基坑緊鄰已運營的地鐵附近時將會出現(xiàn)這種情況。地鐵是對變形要求極嚴(yán)格的設(shè)施，所以在基坑開挖前通過合理的降水布置，預(yù)測開挖降水的不同階段、考慮不同施工工況下地面沉降量及對地鐵結(jié)構(gòu)的影響，采取積極有效的防護(hù)措施是十分重要的。

目前常用的基坑工程施工環(huán)境變形預(yù)測方法有經(jīng)驗公式法、安全系數(shù)法、數(shù)值分析法和反分析法、地層損失法、系統(tǒng)分析法、時空效應(yīng)法等^［2］。由于不同地區(qū)地質(zhì)情況不同，本文針對具體的工程，通過現(xiàn)有理論公式和監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行反分析對比，引起理論與實踐誤差的關(guān)鍵修正系數(shù)如何確定并預(yù)測基坑開挖和大型工程樁降水對鄰近地鐵線路的影響。

1 工程概況

1.1工程簡介

本工程項目位于深圳福田區(qū)，場地內(nèi)擬建一棟超高層辦公樓。塔樓地面以上高588 m，115層，總用地面積18 931.0 m2?；娱_挖深度為29.8 ~33.80 m，周長544 m。基坑?xùn)|側(cè)路段地下有規(guī)劃中的廣深高鐵，預(yù)計2011年施工。北側(cè)路段地下有已經(jīng)運營的地鐵線路，該工程的地下室結(jié)構(gòu)將與地鐵出入口連通。該項目共設(shè)5層地下室，主要用于商業(yè)、車庫、機(jī)電用房、人防、輔助用房?；佑玫嘏c地鐵出入口的距離僅5.65 m，與廣深高鐵隧道的距離為24.3 m，基坑與鄰近地鐵車站平面示意圖如圖1所示。

圖1 基坑與鄰近地鐵車站平面示意圖

1.2 地質(zhì)和場地地下水條件

1.2.1 地質(zhì)條件

根據(jù)現(xiàn)場鉆探揭露，場地內(nèi)分布的地層主要有人工填土層、 第四系全新統(tǒng)沖積層、 上更新統(tǒng)沖洪積及中更新統(tǒng)殘積層， 下伏基巖為燕山晚期花崗巖。 各巖、 土層工程特性指標(biāo)如表1所示。

1.2.2 地下水條件

根據(jù)勘察報告，上層滯水主要賦存于人工填土①中，承壓水主要賦存于中粗砂③-2、粉細(xì)砂③-3和粗礫砂③-6中，水量較大，承壓水頭高度為1.50～3.50 m。其中中粗砂③-2、粉細(xì)砂③-3和粗礫砂③-6為本地區(qū)主要的透水性地層，賦存豐富的地下水，是場地內(nèi)地下水運移的主要通道?；◢弾r各風(fēng)化帶內(nèi)所賦存的地下水屬基巖裂隙水，受節(jié)理裂隙控制，未形成連續(xù)、穩(wěn)定的水位面。根據(jù)地區(qū)工程經(jīng)驗及室內(nèi)滲透試驗結(jié)果， 場地內(nèi)除中粗砂③-2、粉細(xì)砂③-3和粗礫砂③-6屬中等透水地層外， 其它各地層均屬微透水～不透水性地層。 場地承壓水對基坑和樁基施工影響相對較大， 地下水初見水位埋深為2.20～4.70 m；承壓水水位埋深為3.00～4.60 m混合水穩(wěn)定水位埋深為2.80～4.90 m。

1.3 基坑支護(hù)和基礎(chǔ)形式

基坑支護(hù)主要采用鉆(沖)孔灌注樁+內(nèi)支撐的支護(hù)體系， 在豎向局部打設(shè)樁間注漿鋼花管和預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)。 護(hù)坡樁外設(shè)置高壓擺噴樁和旋噴樁形成止水帷幕。 基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)。 主塔樓區(qū)域采用大直徑擴(kuò)底灌注樁， 工程基礎(chǔ)采用人工挖孔樁， 大部分由樁徑1.4~2.0 m(1.8 m， 擴(kuò)底2.5 m)樁擴(kuò)底樁組成， 其中另有8根樁徑8.4 m(擴(kuò)底樁徑9.5 m)的巨型樁和16根樁徑5.7 m(擴(kuò)底樁徑7.0 m)超大直徑樁。裙樓區(qū)域采用直徑為1.4 m、1.5 m、1.6 m、1.8 m、2.0 m工程樁。

2 降水引起地面沉降的機(jī)理分析

地面沉降的產(chǎn)生需要一定的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及土體中應(yīng)力的轉(zhuǎn)變(由地下水所承擔(dān)的那部分應(yīng)力不斷地轉(zhuǎn)移到土粒上)等條件。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，深基坑降水或人工挖孔樁施工對周邊環(huán)境的影響可歸結(jié)為抽降地下水引起地基土的附加沉降以及挖孔樁成孔施工中流泥、流沙造成地基土下陷^［3］。施工中各樁孔均在抽降地下水，樁孔周邊地下水位隨孔樁掘進(jìn)降落，場地及周邊地下水位總體逐步下降，在周邊形成降落漏斗。填土層等易壓縮性土層中孔隙水壓力消失，有效應(yīng)力增加，引起土體固結(jié)，造成地基土的附加沉降，從而引起周邊地面、道路、管線及建(構(gòu))筑物的沉降。

2.1 抽水產(chǎn)生水位降深的確定

地下含水層厚度取至中風(fēng)化花崗巖頂面，樁孔降水近似為平面應(yīng)變問題，降水曲線方程近似為裘布依穩(wěn)定流模型的影響線方程^［4］。

距井中心r處水頭方程

h2=H20-(H20-h2w) lnR[]r[]lnR[]rw(1)

式中：rw為抽水井的半徑；hw為抽水井內(nèi)水位；H0為含水層厚度；采用經(jīng)驗公式計算降水影響半徑為

R=2swkH0(2)

式中：sw為抽水井井底水位降深；k為含水層的滲透系數(shù)。

2.2 降水引起的有效應(yīng)力Δσ′

當(dāng)水位變化時，土中總應(yīng)力不變，根據(jù)有效應(yīng)力原理，Δσ′=-Δu。對于有效應(yīng)力發(fā)生變化的降水疏干層，有效應(yīng)力增量是三角形分布，取其平均值并假設(shè)為矩形分布，有效應(yīng)力增量為

Δσ′1=1[]2γwΔH (3)

降水面以下土層的有效應(yīng)力增量為定值，即

Δσ′2=γwΔH (4)

2.3 地下水下降引起的地面沉降計算

深圳市的地質(zhì)情況具有其區(qū)域性的特點，所以采用深圳市標(biāo)準(zhǔn)*的計算方法?；油獾叵滤德渎┒贩秶鷥?nèi)因地下水下降引起的地面沉降計算（見圖2）采用式(5)~式（6）。

Sw=ψs［∑z[]j=1[DD)]Δzγw(z-nΔz)[]E0j+∑2z[]j=m[DD)]Δpzhj[]E0j］(5)

Δpz=zγw（6）

式（5）~式（6）中：Sw為由地下水位下降引起的地面沉降；ψs為沉降計算修正系數(shù)，根據(jù)計算值與實測值對比后確定；Δz為地下水位單位下降深度，通常取1；n是倍數(shù)，取值1、2、3…z-1；m為地下水下降后水位處的土層編號；Δpz為由地下水下降后引起的附加均布應(yīng)力； z為計算點地下水位下降值； γw為地下水重度； hj為第j層土層厚度；E0j為第j層土變形模量。

圖2 地下水下降引起的地面沉降量計算簡圖

3 基坑降水影響分析

3.1 沉降修正系數(shù)的確定

根據(jù)式(1)～式(6)，編制了相關(guān)程序，可計算出基坑外任意一點、任意時刻的地下水位降深引起的地面沉降量，當(dāng)賦予相應(yīng)的土層參數(shù)時，可以預(yù)測在不同地質(zhì)條件下的地鐵結(jié)構(gòu)的沉降。本工程在沿基坑四周布置了沉降觀測點和水位孔，根據(jù)水位孔監(jiān)測到的水位降深進(jìn)行理論計算，將理論計算結(jié)果同實際地面沉降的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行反分析對比，得出ψs的值。

本基坑面積較大，影響因素眾多。把基坑分為東側(cè)﹑西側(cè)﹑南側(cè)﹑北側(cè)四個方向考慮（見圖1）。其中，DC各點為布置在基坑周圍的地面沉降監(jiān)測點，WA、WB、WC、WD各點為布置于基坑四周的地下水位監(jiān)測點。通過理論計算值和實際監(jiān)測值的分析對比（見圖3~圖6）， 綜合考慮各方面的因素，對于本工程，ψs取值為0.2。

1. WA5;2. WA4;3. DC6;4. WD2;5. WC4;6. DC5; 7. WD3;8. DC2;9. WC3;10. DC1

圖3 基坑?xùn)|側(cè)理論計算和實際監(jiān)測值對比(ψs取0.18)

1. DC19;2. DC18;3. DC17;4. WD4;5. WD6

圖4 基坑南側(cè)理論計算和實際監(jiān)測值對比(ψs取0.23)

1. WA7;2. DC15;3. WB7;4. WB8;5. WD6;6. WC8

圖5 基坑西側(cè)理論計算和實際監(jiān)測值對比(ψs取0.22)

1. WA2;2. DC9;3. WA1

圖6 基坑北側(cè)理論計算和實際監(jiān)測值對比(ψs取0.16)

3.2 工程樁降水對地鐵結(jié)構(gòu)的影響

隨著樁孔開挖和降水的進(jìn)行，降水形成的漏斗狀曲面逐漸形成，距基坑不同距離的建筑物和不同部位的水位下降是不同的，根據(jù)式(1)～式(5)可以預(yù)測工程開挖降水對地鐵結(jié)構(gòu)的影響。

本文采用三種工況進(jìn)行對比分析（見表2）。根據(jù)計算得到在工況一的情況下地鐵左線中軸線沉降為14.5 mm，地鐵右線中軸線沉降為13.6 mm；在工況二的情況下地鐵左線中軸線沉降為6.3 mm， 地鐵右線中軸線沉降為5.6 mm；在工況三的情況下地鐵左線中軸線沉降為5.7 mm，地鐵右線中軸線沉降為4.9 mm。工況一采用了全樁施工降水，對影響最大化進(jìn)行分析。地鐵軌道變形不滿足深圳市地鐵公司關(guān)于城市軌道交通安全保護(hù)第三方監(jiān)測控制指標(biāo)中，地鐵運營線路軌道變形4 mm的限值*。當(dāng)采工況二和工況三計算時地鐵軌道變形雖略大于4 mm的限值，但因為在地鐵隧道開挖施工過程中，土體經(jīng)歷著卸載階段；當(dāng)?shù)罔F結(jié)構(gòu)施工時土體又經(jīng)歷加載^［5］。地鐵周邊土體在地鐵施工過程中已被擾動，非原狀土；在采用計算地鐵隧道沉降時，與實際土體沉降可能會偏大。

4 結(jié)論

(1) 通過具體參數(shù)的合理選取，可以使計算結(jié)果更符合深圳當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況，對基坑降水所引起的地面沉降和工程樁降水引起的地鐵隧道沉降做出實時分析和最終預(yù)測。

(2) 編制了相關(guān)程序?qū)τ诒竟こ踢M(jìn)行分析，沉降計算修正系數(shù)取0.2。對深圳類似地層的基坑降水工程在較準(zhǔn)確地預(yù)測不同的時間、距離的地面的實際沉降量具有實用價值。

(3) 對于工程樁施工降水對地鐵結(jié)構(gòu)工程安全性的影響，主要通過對地鐵隧道處水位下降引起的附加沉降計算分析來進(jìn)行評估的。根據(jù)分析計算，工程降水將對地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響，應(yīng)及時采取在連續(xù)墻底做止水帷幕， 必要時在基坑外圍做回灌井，同時對基坑開挖，尤其是工程樁的開挖做實時監(jiān)測，做好應(yīng)急預(yù)案和相關(guān)防護(hù)措施，保證地鐵結(jié)構(gòu)的安全。

參考文獻(xiàn)：

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(責(zé)任編輯：何學(xué)華，吳曉紅)