合肥地铁青阳路站基坑开挖对地表沉降的影响

杨 庆，程 桦，曹广勇

（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽合肥230022）

合肥地铁青阳路站基坑开挖对地表沉降的影响

杨 庆，程 桦，曹广勇

（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽合肥230022）

随着经济的发展，城市出现了大量的基坑工程，开挖基坑时会引起地表沉降和变形。当地表沉降达到一定程度会影响地面建筑物和地下管线的安全，所以必须严格控制因基坑开挖引起的地表沉降。本文基于合肥地铁2号线青阳站基坑的地表沉降监测数据，利用ORIGIN软件进行数据分析，并结合了数值模拟的结果，给出了基坑开挖对地表沉降影响的相关规律，为今后的类似工程提供借鉴。

基坑；地表沉降；监测；数值模拟

0 引 言

基坑工程是现代土木工程施工技术中相当重要的组成部分，它的具体施工过程中安全问题决定了整个工程的成败[1]。近年来，随着城市建设的快速发展以及建设用地的局限性，高层建筑和地下空间的开发利用越来越广泛，基坑工程迅速向大深度、大面积方向发展[2]。但是城市深基坑工程一般都处于比较复杂的建筑环境中，在这种条件下进行基坑工程的施工，必然会对周边土体的应力场和位移场产生影响，引起基坑周边地表及建筑沉降变形，如果处理不当，就会引起工程事故[3]。地表沉降变形检测结果能反映施工过程中岩土变形的全过程，能反映岩土的稳定性[4]。城市的轨道交通，下穿各种重要建筑物和道路。因此控制由于地铁的施工对土体的扰动而引起的地表沉降，就显得尤为重要，研究土体因为开挖而引起的沉降规律，分析引起土体沉降变形的各种影响因素，为施工和设计提供相应的参考，保证施工的安全顺利进行有着重要的意义[5]。本文基于合肥地铁2号线青阳站基坑的地表沉降数据，试给出基坑开挖对地表沉降的相关规律。

1 工程概况

合肥市轨道交通2号线土建TJ02标段青阳路站全长167.8 m。标准段净宽19.7 m，车站标准段开挖深度约为16.92~19.38 m；端头井净宽均为23.8 m，小里程西端头井开挖深度约为20.25 m，覆土厚度约3.88 m，大里程东端头井开挖深度约17.67 m，覆土厚度约3.2,车站的平面图如图1所示，车站的标准段及端头井剖面图如图2所示。车站采用明挖顺筑法施工。为了使计算简化，把物理性质相似的土体单独区分出来。主要土层物理性质如表1所示，主要工况如表2所示。

图1 青阳路站平面图

青阳路站主体围护结构采用Φ800@1000钻（冲）孔灌注桩结合内支撑，靠近金枫苑及省计委基坑一侧采用Φ800@1000的高压旋喷桩加固土体，土方开挖及结构施工过程中桩间土通过网喷混凝土约束。车站沿基坑深度方向设置四道支撑，其中第一道为混凝土支撑，其余均为Φ609（t=16 mm）的钢支撑。东西端头井另设一道换撑，逆作顶板段下设两道钢支撑、一道换撑。支撑施工关键点：施工前先进行预拼，确保钢支撑加工质量。基坑开挖过程中，做到随挖随撑，及时施加轴向预应力，保证钢围檩与围护桩接触面为面接触，防止局部压应力过大而失稳。

图2 青阳路站标准段及端头井剖面图

表1 土层土质情况

表2 主要工况

2 基坑周围地表沉降分析

2.1 基坑监测方案

基坑形状是工字型，如图3所示，监测布置点较为对称，基坑周围均有监测点，在标准段两侧监测布置点较多，在东端头井和西端头井监测布置点较少，基坑周边地表监测点间距为15 m，分别设7个主断面，每个主断面为8个监测点，距基坑边缘距离依次为2 m、6 m、12 m、20 m，东端头井和西端头井只有1个主断面，主要集中在基坑中部，平面监测布置点如图3所示。这里监测点较多，不逐一研究，本文仅对D83-1、D83-2、D83-3、D83-4、D342-1、D342-2、D342-3、D342-4这一主断面进行分析，得出基坑开挖工况和地表沉降之间的关系。地表沉降变形控制指标如表3所示。

图3 青阳站基坑地表沉降监测点平面布置图

表3 地表沉降变形控制指标

2.2 监测结果分析

本基坑地面沉降监测点较多，本文仅对D83-1、D83-2、D83-3、D83-4、D342-1、D342-2、D342-3、D342-4这一主断面研究。图4为各个开挖顺序下监测点的沉降曲线图，其中坐标0为基坑的纵向中心线，在中心线两侧各有四个监测点。

（1）在第1步开挖阶段，土体开挖较浅，地表沉降不大，最大沉降点出现在距离基坑-6 m、6 m的位置，最大沉降值在6.5 mm左右，而远离基坑的沉降相对较小，大约在1 mm左右。

（2）在第2步开挖-第5步开挖阶段时，距离基坑4-6 m范围内沉降最大，沉降值约为9 mm左右；最大沉降值发生在-6 m、6 m的位置，最大沉降值为9.6 mm；远离基坑位置监测点沉降较小，几乎没有发生较大的变化，在-20 m、20 m的位置沉降只有2 mm左右。

（3）在第6步开挖-第8步开挖阶段，此时基坑的开挖已经基本完成，把支撑拆除以后，沉降量有一定的增长，但是最大沉降点具体位置没有发生较大的变化，最大沉降值为10.5 mm，未超过警戒值。随着基坑的距离最大，地表沉降呈现先增大后减小的趋势。

（4）最大沉降值不是出现在距离围护桩较近的地方，也不是出现在距离围护桩较远的地方，而是出现在距离围护桩稍远的地方。其原因如下：基坑内的支撑具有足够的刚度和强度，它们与土体产生了较大的摩擦力，阻碍了距离围护桩较近土体的沉降，而远离基坑的位置，周围土体没有与围护桩产生较大的摩擦力，土体的沉降量就会变大，所以最大沉降值出现在距离围护桩稍远的地方。

图4 不施工阶段下各个沉降点的沉降曲线

图 5 D342监测点时程变化曲线

图5为D342-1、D342-2、D342-3、D342-4监测点的时程变化曲线（其中D83监测点与D342监测点对称，变化趋势差不多，因此没有对D83监测点进行分析）

（1）当基坑开挖后，基坑周围的地表都呈现沉降趋势，从图5可知，前75d左右，地表沉降较大，这是因为前75d未架设第二道钢支撑以及施工进度的调整，沉降速率在整个时程曲线变化中最大，最大沉降值为9.5 mm。

（2）从图5可知在75d-325d沉降趋势较为平缓，这是因为在这段时间内架设了钢支撑，阻止了地表的沉降，除了D342-4监测点有较大的波动，其他监测点没有发生较大的变化，D342-4监测点沉降约为8 mm。

（3）325d之后沉降有所增加。这是因为钢支撑的拆除导致围护桩与土体的摩擦力减小，地表沉降量有所增加，但变化趋势不大。

（4）从图5可知，D342-4监测点沉降较小，这是因为D342-4监测点离基坑较远。所以得出结论：距离基坑越远，地表沉降越小。

2.3 数值模拟分析

本文采用MIDAS GTS有限元软件建立三维计算模型，对基坑开挖及施工过程中地表沉降变形进行数值模拟[6]。地铁车站场地地势平坦，土体为理想各向同性弹塑性材料，土体采用Mohr-Coulomb(摩尔-库伦)本构模型[7]。数值模拟首先建立原始地层模型，施加位移约束边界条件，在重力作用下进行迭代计算直至系统达到平衡，模拟地层初始应力状态，然后删除基坑所在位置的土体单元，建立相应的桩单元，迭代计算至土体处于新的平衡状态[8]。土体从上到下分别为人工填筑土、可塑状粘土、硬塑状粘土、全风化泥质砂岩、强风化泥质砂岩、中等风化泥质砂岩，其具体土层参数见表1 。车站基坑开挖在施工过程中始终遵循“分段、分层，分块开挖，先中间后两边，随撑，随时完成的原则”的原则。本文所建模型的深度为20 m，其影响范围较大，为此基坑所建模型周边土体范围取基坑深度3-5倍，而基坑下面范围取基坑深度h的2-4倍。故该模型长×宽×高为325 m×160 m×60 m，模型图如图6所示。

本文中该地铁车站基坑采用地下连续墙加内支撑，地下连续墙采用实体单元弹性模型模拟，内支撑和系梁均采用弹性梁单元模拟，第一道支撑采用混凝土支撑，其余的支撑均为钢支撑，模型中的结构单元材料属性及特性参数见下表4所示。

表4 支护结构材料参数表

本文取D342-1、D342-2、D342-3、D342-4四个监测点的实测情况和模拟情况进行对比，如图7所示，从实测和模拟时程曲线可以得出以下结论：

（1）基坑周围地表沉降模拟数据与实测的沉降规律基本相同，但是部分监测点的模拟数据和实测数据有所差别，后期模拟情况趋于稳定。

（2）有模拟与实测数据对比，得出地表沉降的实测曲线变化，不像模拟值那样平滑，这是因为模拟中的荷载是均值，不能反映施工中的实际荷载。

（3）从模拟曲线和实测曲线对比来看，数值模拟曲线基本上可以真实的反应基坑土体开挖情况。

模拟曲线中最大地表沉降点出现在D342-2，距离基坑6 m处，与实测值大致相同。第1步开挖时，虽然设置了混凝土支撑结构体系，但此时支撑结构体系还没有发挥支撑的效果，模拟与实测差别较大。第2步开挖时，钢支撑架起，沉降曲线逐渐变的平缓。第5步开挖时，第3道钢刚支撑被架设，地表沉降会进一步增大，此时数值模拟结果和实测结果大致相同。可以看出模拟的结果与实测结果是比较接近的，能够反映实际施工时地表沉降的大致趋势。

图 6基坑模拟图

3 结论与建议

以合肥地铁2号线青阳站标段深基坑工程为例，运用ORIGIN软件和MIDAS GTS有限元软件建立数值模型，主要结论和建议如下：

（1）数值模拟的结果能基本上反映出基坑开挖过程，得出地表最大沉降点出现在距离基坑一定的距离处，和监测的地表沉降大致相同。

（2）把数值模拟和现场监测结果做比较分析，基坑开挖完成后，地表最大沉降计算结果与监测结果相差不大，实测曲线与模拟曲线走势大致相同，说明数值模拟结果在误差允许范围内是可行的。

（3）基坑开挖后，由于基坑中间的土不存在，在基坑周围土体的自重作用下，基坑底部稍有隆起；另外，土体有临空性，基坑四周的土有向基坑内部移动的趋势，土体中的力重新调整并达到新的平衡，从而导致地表沉降。

（4）基坑开挖变形具有时空性：随着时间和开挖深度的不同，地表监测点的沉降也不一样，随着基坑土体逐步开挖完成，变形的速率逐渐变小，最后趋于平缓。在开挖过程要时刻做好监测工作和支护工作，保证基坑的稳定性。

（5）监测数据和模拟数据对比可以得出结论：盖挖逆作法能有效地控制基坑周围地表和基坑周围重要建筑物的沉降值。

[1]贾文.深基坑开挖监测数据分析及有限元模拟研究[D] .天津:天津城建大学土木工程学院，2013.

[2]许娟.深基坑开挖引起的周围地表沉降研究[D] .苏州:苏州科技学院，2011.

[3]赵延林，张春玉，姜封国，等.深基坑开挖对周边地表沉降变形的影响[J] .黑龙江科技学院学报，2009，19（2）:97-100.

[4]安永林，彭立敏，张峰，等.隧道施工时地表沉降监测控制标准探讨[J] .湖南科技大学学报，2009，30 （2）：446-451.

[5]李继升.北京地铁浅埋暗挖法施工引起地表沉降规律的研究[D] .北京:中国地质大学，2012.

[6]贾振华，尚超.盖挖逆作法基坑开挖对地表沉降的影响及控制措施研究[J] .交通运输研究，2015，1(5):68-74.

[7]刘耀凯.某软土场地地铁车站深基坑明挖法施工形状研究[D] .哈尔滨:哈尔滨工业大学，2013.

[8]童建军，王明年.成都地铁车站深基坑周围地表沉降规律分析[J].水文地质工程地质，2015，42 （3）:97-101.

Influence of Foundation Pit Excavation on Ground Surface Settlement in Qingyang Station of Hefei Subway

YANG Qing, CHENG Hua，CAO Guangyong

(Civil Engineering School, Anhui Jianzhu University,Hefei,230022,China)

With the development of economy, a large number of excavation works have appeared in city,and surface subsidence and deformation are caused by the excavation of foundation pit. When the surface subsidence reaches to a certain extent, it will affect the safety of the ground buildings and underground pipelines, therefore it is necessary to strictly control the surface subsidence caused by foundation. The paper has been based on the data of the surface subsidence monitoring which are from foundation pit of Qingyang station of Hefei Metro Line2, using ORIGIN software for data analysis, and combined with the results of numerical simulation, lis oaoer rovides the law of the foundation pit excavation on the ground surface settlement which provides reference for similar projects in the further.

foundation; surface settlement; monitor; numerical simulation

TU473.2

A

2095-8382(2016)06-035-04

10.11921/j.issn.2095-8382.20160608

2016-01-13

杨庆(1991-)，男，硕士生，主要研究方向为城市地下空间结构。