异形深基坑施工过程支护结构和地表沉降研究

虞双林

（中国交通建设股份有限公司轨道交通分公司，北京 100088）

1 引言

随着社会经济的飞速发展，城市化进程的加快，城市基础设施不断完善，大量的深基坑不断出现，深基坑工程事故也有所增加。因此，必须在基坑施工中做好现场监测工作，这是基坑工程中非常重要的环节。施工人员可通过基坑监测手段预测基坑变形的趋势，并对基坑的安全状态进行评估[1-2]。

本文以南通地铁1号线能达商务区站异形深基坑工程为依托，对地表沉降、墙顶沉降和立柱沉降的监控量测进行分析，探讨了异形深基坑施工过程中所引起的不同位置处的沉降规律和影响因素。利用Flac3D6.0对异形深基坑的施工过程进行了三维数值分析，并用现场监测数据和计算结果进行了对比分析，得出了异形深基坑不同开挖深度时地表沉降、墙顶沉降和立柱沉降的规律。

2 工程和地质概况

2.1 工程概况

能达商务区站位于南通市崇川区，通盛大道和星湖大道交口处，沿南北向布置，是南通地铁1号线和3号线的换乘站。能达商务区站基坑形状较为特殊，属于典型的异形深基坑，基坑沿长度方向分为喇叭口段、异形段、标准段、换乘段。基坑长度约288 m，宽度7~39.34 m（标准段宽21.29 m）；基坑深度约为16.59~25.29 m。基坑采用明挖法施工，支护结构采用“800 mm厚地下连续墙+支撑”的组合形式。基坑在宽度方向上布置4道支撑，第一道为钢筋混凝土支撑，间距约为5.2~8.5 m；第二道~第四道为钢筋混凝土支撑和钢支撑，分别布置在埋深7.5 m、10.5 m、13.5 m处，间距约为2.4~3.0 m。

2.2 地质概况

拟建工程场区主要以软土层为主，地质勘探资料显示，基坑影响范围内依次为填土、黏质粉土夹粉质黏土、粉细砂、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉砂。

本场地地下水位较高，约1.5~3.0 m，以潜水和承压水为主。潜水一般贮存在浅部粉土、粉砂、粉质黏土中，第I承压水一般贮存在粉砂、细砂中。为了减少土方开挖时地下水的干扰，确保施工安全，在基坑开挖前采用井点降水法进行降水。

3 试验方案与测点布置

根据本工程施工特点和一级基坑变形控制要求，需进行沉降监测的内容为：地表沉降、墙顶沉降、立柱沉降。其中，地表沉降和墙顶沉降沿围护结构共布置34组监测点，立柱沉降共布置9组测点。

由于篇幅有限及考虑到基坑形状的特殊性，分别在喇叭口段、异形段、标准段各选取一组地表监测点和墙顶沉降监测点对地表沉降和墙顶沉降进行分析，选取3组立柱进行沉降分析，监测点布置如图1所示。每组地表监测点由6个监测点组成，构成一条沉降线，与地下连续墙的距离分别为2 m、5 m、10 m、16 m、32 m、48 m。

结合基坑监测相关规范，并参考该地区土层特点和现有监测成果，地表沉降、墙顶沉降、立柱沉降的累计警戒值分别为30 mm、30 mm、15 mm。

4 数值模拟

4.1 数值计算模型

本文采用Flac3D6.0动态模拟土方开挖过程，分析支护结构的变形和地表沉降特征。所建模型在X、Y、Z三个方向的尺寸分别为450 m、240 m、80 m，重力方向与Z轴负方向一致，地表为自由边界，无约束作用，模型其他界面均施加法向约束。模型共划分378 189个节点和364 400个单元。三维计算模型如图2所示。

4.2 计算参数选取

计算模型采用HSS本构模型，地层和地下连续墙采用实体单元，钢筋混凝土支撑、钢支撑采用梁单元模拟。由于在土方开挖前已经通过降水井进行了人工降水，计算时不考虑地下水的影响。

4.3 计算结果

4.3.1 地下连续墙水平位移

基坑开挖后，就平面位置而言，东侧地下连续墙的最大位移发生在异形段中部附近，方向朝向基坑，最大值为18.77 mm；西侧地下连续墙的位移最大值为18.77 mm，方向同样朝向基坑，发生在异形段处。由于异形段附近基坑宽度不断变化，受到空间效应的影响，该处地下连续墙水平位移较大。就深度而言，基底以上部分水平位移较大，基底以下部分水平位移较小，这主要是由于土体开挖导致支护结构水平土压力卸载，导致地下连续墙向基坑方向发生变形。

4.3.2 基坑周边地表沉降

基坑开挖完成后，异形段的地表沉降比其他区段大，异形段距离地下连续墙10 m附近，地表沉降最大，约为-23.5 mm。地表沉降随着与基坑距离的增大而逐渐减小，在距离基坑2倍开挖深度以内的区域地表沉降较大，距离基坑2倍开挖深度以外的区域地表沉降较小。

4.3.3 基坑周边地表水平变形

基坑开挖完成后，基坑东侧地表水平位移为负，最大值发生在异形段附近，最大值为17.95 mm；基坑西侧地表水平位移为正，最大值发生在异形段和第一标准段交界处，约为17.12 mm。随着与地下连续墙距离的增大，地表水平位移逐渐减小。

5 监测与数值模拟结果分析

5.1 地表沉降分析

通过对现场地表沉降实测可知，1号沉降线随着基坑挖土的进行，地表沉降有所增大。当对11 m以上的土方开挖时，地表沉降速率较均匀；当对11 m以下的土方开挖时，DB1-1~DB1-4处地表沉降较快；当开挖至基底时，地表沉降达到最大，最大值为-6.68 mm，远小于预警值，这主要是由于该位于喇叭口处，基坑宽度较小且钢支撑布置较密，土方开挖连续完成，耗时较短，地表沉降受时空效应影响不大。通过数值模拟结果可知，1号沉降线各个监测点沉降值随着施工的进行而逐渐增大，沉降规律与现场监测规律基本一致；施工完成时，各监测点的沉降量均达到最大，为7.51 mm。

通过对现场地表沉降实测可知，当开挖至5 m时，2号沉降线各监测点沉降量差异不大；当开挖至5 m以下时，随着挖土深度的增加，沉降线逐渐呈勺形分布，DB2-1~DB2-4的沉降量增长较大，形成勺斗；DB2-5和DB2-6的沉降量增长不大，形成勺柄；开挖结束时各监测点达到最大，为-18.19 mm。同1号沉降线相比，2号线最大沉降量较大，这是由于2号沉降线位于异形段处，该段基坑宽度较大，施工时横向分为左右两块分别开挖，施工耗时较长，受时空效应的影响比较显著，地下连续墙水平位移和基底隆起相对较大，导致该段地表沉降量增大，所以，沉降线的勺斗也较深。通过数值模拟结果可知，随着开挖深度的增加，2号沉降线沉降逐渐增大，DB2-1~DB2-4随挖深增长较为迅速，DB2-5和DB2-6增长不大，当开挖至基底时，各监测点沉降达到最大，沉降线形状和监测结果比较接近，呈勺形分布。

通过对现场地表沉降实测可知，随着施工的进行，3号沉降线沉降量逐渐增大。当开挖至5 m时，沉降线基本上呈直线分布；随着开挖的增加，DB3-1~DB3-4沉降量增长较为明显，DB3-5和DB3-6变化不大，3号沉降线逐渐呈勺形分布，且勺斗逐渐变深；当开挖至14 m时，DB3-1~DB3-4沉降量增幅较大，这是由于在开挖该处土体时由于受到春节假期的影响，施工曾一度中断，开挖面长时间暴露，土体的蠕变较大，导致地表沉降增长较大。当基坑开挖完成后，DB3-3的沉降量达到最大，为10.80 mm。通过数值模拟结果可知，随着挖深的增加，3号沉降线逐步由直线分布转变为勺形分布，当开挖到基底时，各监测点沉降量达到最大，DB3-4的沉降量最大，最大值为11.78 mm，计算值与实测值基本一致。

5.2 墙顶沉降分析

通过对现场墙顶沉降实测可知，各段墙顶监测点均发生竖直向上的隆起，随着开挖的进行，墙顶隆起逐渐增大。开挖11 m以上的土体时墙顶隆起较小；开挖11 m以下的土体时，由于开挖卸载基底隆起较大，导致地下连续墙向上隆起较大，墙顶隆起也比较明显。开挖完成后，墙顶隆起达到最大，根据隆起值由大到小各监测点编号依次为QD2＞QD3＞QD1，QD2处的墙顶沉降最大，最大值为5.83 mm。

通过数值模拟结果可知，各段墙顶监测点位移均逐渐增大，方向为竖直向上，当开挖至14 m以上的土体时增长速率基本相等，当开挖至基底时增长速率有所增大，当开挖完成后各监测点按沉降值排序依次为QD2＞QD3＞QD1，QD2处的墙顶沉降最大，为7.89 mm。根据现场实测和数值模拟结果可知，由于QD2位于异形段处，开挖尺寸较大，基底隆起也较大，所以，该处的墙顶隆起也比较明显。

5.3 立柱沉降分析

通过对现场立柱（L1~L3）的沉降实测可知，随着挖土深度的增加，立柱逐渐向上隆起，且隆起速率略有增大，当施工完成时，立柱隆起达到最大，依次为L1＞L2＞L3，L1的隆起值为7.84 mm。通过数值模拟结果可知，随着基坑的开挖，立柱的隆起与开挖深度近似成正比，当开挖至基底时，立柱隆起达到最大，由大到小为L1＞L2＞L3。由于异形段处基坑宽度较大，基底隆起也较大，所以该处的立柱隆起较大。

6 结语

为了保证深基坑工程的安全性，对其进行监测至关重要。本文结合能达商务区站异形深基坑工程，对地表沉降、墙顶沉降和立柱沉降的情况进行监控量测，并对结果进行分析，得出以下几点结论：（1）地表沉降随着与基坑距离的增大呈勺形分布，距离基坑1倍挖深范围内的监测点沉降较大形成勺斗，其余监测点沉降较小形成勺柄。施工时应当加强1倍挖深范围内的监控量测，如沉降量过大，及时采取加密钢支撑等工程措施。（2）地表沉降、墙顶沉降、立柱沉降都随着开挖的进行而增大。当开挖较浅时，沉降增长较慢；当开挖较深时，沉降增长较快。（3）监测点所处位置对沉降有一定影响。喇叭口处沉降值比其他监测点小，这主要是因为喇叭口段的基坑宽度较小，施工耗时较少，所以，地表沉降和墙顶隆起小。施工中断会造成沉降增大，施工时应尽量缩短施工时间，连续作业，避免沉降过大。（4）“地下连续墙+支撑”可作为异形深基坑的支护形式，能够满足对变形控制的要求。