基坑施工对邻近铁路影响的监测与分析

唐益群，占杨杰（.同济大学土木工程学院地下建筑与工程系，上海 200092；2.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092）



基坑施工对邻近铁路影响的监测与分析

唐益群1，2，占杨杰1
（1.同济大学土木工程学院地下建筑与工程系，上海 200092；2.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092）

摘 要：各类用途的地下空间开发是土地资源集约利用的重要形式，并在世界各地的大城市得到广泛运用。随着地下空间的开发建设，带来大量的深基坑工程，而深基坑开挖必然对周边环境产生影响。本文结合上海莘庄综合交通枢纽项目，对靠近基坑的铁路进行了沉降监测，分析了深基坑工程的降水及开挖过程中引起铁路沿线沉降变化及其分布规律，并确定了风险隐患点和地质灾害防范对策，可为类似工程提供参考。

关键词：深基坑工程；邻近铁路；环境影响；沉降监测；地质灾害防治

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城市建设的立体化发展，使得地下空间的利用越来越多，目前各类用途的地下空间已在世界各地的大城市广泛运用，如地下停车场、地铁隧道、地下商场、地下仓库以及民用与工业建筑的地下设施等等，其均需要进行大规模的地下开挖，这些地下空间的开发建设带动了大量的深基坑工程，而开挖的深度与面积也越来越大。天津环球金融中心大楼的开挖深度为23.5m，作为天津交通枢纽的天津站的基坑开挖深度为33.5m；上海地铁四号线换乘站基坑开挖深度达42m。深基坑工程施工必然对周边环境造成影响，尽管施工技术日新月异，但成功的背后也不断出现事故。例如2008年杭州地铁1号线湘湖站基坑工程，导致湘湖大道坍塌75m、下沉15m［1，2］。

基坑开挖，使得基坑壁和基坑底部土体卸荷，围护结构在坑壁主动土压力作用下，向坑内方向弯曲变形，从而引起地表变形。基坑底部土体向上回弹、隆起，同样造成地表沉降。此外，由于开挖必须保证在干燥的环境下进行，所以需要降低地下水位，而因此也会导致土体有效应力增大，使土层产生压缩，引起地表沉降［3～8］。

1 工程概况

1.1 工程项目概述

莘庄综合交通枢纽项目位于上海闵行区，沪杭铁路专线及地铁1号线、5号线从场内穿过，将场地分为南北两个地块。其中南地块北侧为沪杭铁路专线以及地铁1号线、5号线，其余则由梅陇西路、都市路、莘朱路、宝城路（下立交）所环绕。

本工程总建筑面积约695500m2，南地块基坑开挖面积约48900m2，其相邻铁路一侧基坑边长420m。基坑与沪杭铁路专线相对平面位置如图1所示，线路走向基本与基坑北侧平行，距离基坑约10～16m。

基坑开挖引起的沉降范围约3～5倍的基坑开挖深度，本工程南地块采用分块开挖的方式，开挖的深度为14.85m，影响范围在44.55～74.25m。最先开挖的基坑在施工过程中，土方开挖卸荷、降低承压水等施工步骤必定会造成铁路侧的沉降。

图1　项目平面与现场图Fig.1 Plan and site of the project

1.2 工程地质与水文地质条件

基坑主要地层物理力学性质如表1。

根据勘探揭示的地层结构和渗透性，勘探深度范围内的地下水可分为潜水、微承压水和承压水。

（1）潜水

拟建场地浅部地下水为潜水类型，补给来源主要为大气降水入渗，其排泄方式以蒸发消耗为主。潜水位埋深0.30～1.50m，年均0.50～0.70m。潜水位高低主要取决于降雨量大小和雨季持续时间。勘察期间测得地下水静止水位埋深在0.70～1.40m 之间，水位高程为3.16～3.86m。本基坑设计采用地下水位0.5m。

（2）微承压水

根据勘察报告，拟建场地第④2层和第⑤4层渗透系数较大，根据以往工程经验可能存在微承压水。

为确保基坑安全，针对④2层和⑤4层将进行现场抽水试验，明确场地是否存在微承压水以及微承压头埋深等水文地质参数。

（3）承压水

勘察查明，拟建场地分布有第⑦层砂性土，其埋深约29m以下，根据上海地区长期水位观测经验，承压水水头埋深呈年周期性变化，水位埋深约为3.0～12.0m。

经验算，如考虑最不利承压水头为3.0m，则基坑开挖至13.8m即需要抽降承压水；如按勘察期间承压水水头埋深7m计算，则开挖至16m便需要抽降承压水。本工程裙房开挖深度15.75m，塔楼开挖深度 17.05m，因此本工程基坑开挖需要抽降承压水。

1.3 监测点布置

如图2所示，在铁路侧布设了A、B、C三个系列的沉降监测点。

图中Y为减压井、G为观测井、HG为回灌井。基坑开挖前抽水试运行，打开Y2、Y3、Y4井进行抽水，4天后同时打开HG3、HG4、HG5进行回灌。

表1　地层基本物理力学特性Table 1 The physical and mechanics character of soil layer

2 数据分析

2.1 铁路沿线沉降分布规律

基坑铁路一侧沿线沉降的纵横向分布如图3所示。

从图3（a）可以看出，A4监测点沉降最大，A3与A5、A2 与A6的最终沉降量接近，A1沉降最小。说明平行于铁路沿线，越靠近基坑北侧沿线中点，沉降量越大，向两侧对称减小。A4监测点每天沉降速率也是最大的，其最终沉降量为36.5mm，超过限制值20mm，与A5沉降差达14.3mm。

垂直于铁路线监测点的沉降如图3（b），A4最终沉降与每天沉降速率最大；B7离基坑稍远，其最终沉降与沉降速率次之；C4离基坑最远，最终沉降与沉降速率最小。说明铁路横断面离基坑越近的位置沉降越大，越远则越小。B7 和C4沉降差为12mm， B7和C4距离只有5m，单位长度沉降差2.4mm/m；而沿铁路方向A4与A5之间单位长度沉降差则为0.95mm/m。

图2　井位和监测点布置示意Fig.2 The location of wells and monitoring points

图3　基坑铁路一侧沉降变化Fig.3 The distribution of land subsidence about foundation pit along railway

2.2 基坑降水引起的铁路沿线沉降分析

从图4可以看出，抽水第1天水位下降速度很快，1.5天之后水位基本保持不变；3天后更换水泵，加大抽水量，坑内外水位均有所下降；回灌之后水位上升缓慢，群井中心Y2水位下降比基坑外G1、G2大。而基坑外靠近观测井的两个监测点的沉降，第1天沉降速率快，第2天较缓和，第3天加大井的抽水量，沉降速率立刻变快，第4天又相对较缓慢，第5天回灌之后，沉降更加缓慢。A3累计沉降量1.92mm、A4累计沉降量1.97mm，沉降速率小于2mm/d。

2.3 基坑开挖引起铁路沿线的沉降分析

基坑开挖分四层、四道支撑，支撑中心埋深分别为0.5m、4.5m、8.2m、11.4m，底板埋深14.5m。A4点各层土开挖期间沉降变化如图5所示。第一层土方开挖期间，沉降量2.05mm；第二、第三层产生较大沉降，分别为5.76mm和4.06mm；第四层产生沉降7.88mm。每层土刚开始开挖时沉降增加较快，在后期做下一道支撑时沉降较平缓。这是因为土体开挖是一个卸载过程，使得基坑底部应力状态发生变化，导致覆土压力减小，令基坑底部产生垂直向上的变形，即弹性隆起，从而导致铁路土体沉降，这种效应较为显著，所以开挖土方时会产生较为迅速的沉降［9，10］。同时在不平衡力的作用下会导致支护结构向基坑内产生位移，令基坑底部土体受到挤压，进而发生隆起，所以即使该层土方挖完，开始做下一道支撑时，仍然会有缓慢的沉降，也就是说基坑底部的隆起会随着开挖过程中基底暴露时间的增加而发展，也即所谓的时空效应［11，12］。

越挖到下层，产生沉降会越大，从图5（b）可以看出，第一层开挖产生沉降很小，最后一层开挖产生沉降最大。此一方面由于开挖最后一层土时，为防止基坑突涌，采取了降低承压水头的措施；另一方面则是土层开挖越深，卸荷量越大，坑内外土体高差增大， 导致坑底弹性、塑性回弹都增大。所以开挖最后一层土期间，铁路线上沉降是最危险的。此时应该加快施工进度，尽快浇筑底板，加强铁路沉降监测。并在铁路侧采取回灌措施，减小坑外的承压水位降低。

图4　基坑降水地下水位变化及其地面沉降Fig.4 The changes of groundwater level and land subsidence during foundation pit dewatering

图5　基坑开挖地面沉降变化Fig.5 The changes of land subsidence during foundation pit excavation

3 结论

总结基坑施工全过程沉降的分布规律，可知当基坑邻近铁路线时，平行于铁路线的基坑一侧边中点线上的最终沉降和沉降速率最大，与此位置越近，沉降就越大。铁路沿线存在沉降差异，垂直于基坑边界的监测点，单位长度的沉降差较大。在水位发生明显下降时，沉降速率很快，而当水位保持恒定时，因固结作用还在持续，故沉降仍在增大，但速率趋缓。

对于由基坑开挖降水引起的沿线地面沉降，要加强监测。基坑开挖越深，地面沉降更为显著，此时应加快施工进度，尽快浇筑底板，并在铁路侧采取回灌措施，减小坑外的承压水位降低。

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Monitoring and analysis of deep excavation on a nearby railway

TANG Yi-Qun1，2， ZHAN Yang-Jie1
（1.Department of Geotechnical Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China；2.Key Laboratory of Geotechnical Engineering of Education Ministry， Tongji University， Shanghai 200092， China）

Abstract:Underground space has been widely used in major cities around the world.The development and construction in these underground spaces has led to a large number of deep excavation projects that inevitably have an impact on the surrounding environment.This study evaluated the Xinzhuang transport hub project， monitored the settlement of the railway near the pit， analyzed the distribution of the settlement on the railway line， and determined the most dangerous locations.This study also summarized the causes of subsidence， elaborated on the law related to the railway settlement caused by the subsidence， and analyzed the law related to the railway settlement in the excavation process.Similar projects can now be monitored using the results of this study.

Key words:deep foundation pit engineering； nearby railway； environmental effect； land subsidence monitoring； geological hazard control

中图分类号：P642.26

文献标志码：A

文章编号：2095-1329（2016）02-0061-04

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.02.015

收稿日期:2016-05-06

修订日期:2016-06-10

作者简介:唐益群（1952-），男，教授，博士生导师，主要从事城市工程地质与工程环境效应及地面沉降控制等研究.

基金项目:国家自然科学基金项目（41572285）