长春地铁车站基坑工程地表变形沉降特性分析

摘要：以长春市地铁车站基坑工程为案例，通过详细的现场监测数据，分析基坑周围地表沉降的特性。通过数值模拟，系统分析了基坑施工过程中地表沉降的动态变化规律，并提出了相应的基坑周围地表沉降控制对策。研究结果显示：基坑长边中心位置的沉降量大于短边中心沉降量，且沉降随开挖深度的增加而增大。增加钢支撑的刚度可以显著减少沉降量。

关键词：地铁基坑工程；地表沉降；监测方案；沉降控制；施工安全

0" "引言

随着城市化进程的加速，地铁作为公共交通的重要组成部分，在缓解城市交通压力、改善城市环境等方面发挥着重要作用[1-2]。基坑工程在地铁建设中是一个必不可少的部分，其安全性直接影响到整个地铁系统的稳定性和安全运营[3-4]尤其是地表变形与沉降问题，这不仅关系到工程安全，也影响到周边建筑物和地面交通的安全[5]。

地表变形和沉降是基坑工程中最为常见的问题之一，这些变形和沉降可能由多种因素引起，如土壤性质、地下水位变化、施工方法等。因此，对基坑工程中的地表变形与沉降特性进行深入分析，对于确保工程安全、优化设计和施工方案、减少经济损失具有重要意义。

本文以长春市地铁车站基坑工程为研究对象，分析其地表变形和沉降的特性。通过详细的现场监测数据收集与分析，进一步探讨影响基坑地表变形和沉降的关键因素，以期为类似工程提供参考和借鉴，进而提高工程安全性和施工效率，为长春乃至全国的地铁建设贡献力量。

1" "工程概况

1.1" "工程基本状况

本文以长春市城市轨道交通7号线一期工程基坑项目为研究对象。该基坑地质条件较为复杂，地层从上到下分别为杂填土层，粉质黏土层、中粗砂层、全风化泥岩层、强风化泥岩层、中风化泥岩层、强风化砂岩层、中风化砂岩层。

根据详勘报告，该基坑水位埋深1.9～3.0m，中粗砂层厚度约为1.4～4.8m，透水性强，属于强透水层，且现场降水施工无法完全将砂层水疏干，存在桩间渗漏水等较大安全隐患。

1.2" "基坑开挖与支护形式

本次基坑开挖主要采用分层开挖法进行施工，且边开挖边采用钢支撑进行支护。一共分为4级开挖：第1级开挖完成后进行第一道钢支撑支护，第2级开挖完成后进行第二道钢支撑支护，第3级开挖完成后进行第三道钢支撑支护，第4级则直接开挖至基底。

2" "基坑监测方案设计

2.1" "监测目的

监测长春地铁车站基坑工程的地表变形和沉降，是为了确保整个工程的安全性，及时识别和响应潜在的地质风险。这种监测有助于验证施工设计的有效性和安全性，同时确保与设计预期的一致性。

本文重点研究基坑工程附近的地表沉降监测。通过实时数据收集，工程团队可以优化施工方法，适时调整工程策略，以应对任何突出的变化或问题。

2.2" "监测方案

在基坑边缘、基坑四角以及关键支护结构位置设置重点监测点。每组监测点将沿基坑周围以5m、7m、10m的间距布置，以覆盖不同的影响区域。为了有效监控最接近挖掘区的地表变化，将第一组监测点设置于距基坑边缘1.5m处。

根据基坑的大小和周边建筑的布局，监测点分为主监测段和辅助监测段。主监测段的点间距为3m、4m、5m和6m，主要用于更精细地跟踪邻近基坑的关键区域的变化。辅助监测段的测点间距设置为4m和6m，主要用于监控较远区域的辅助数据采集。

监测装置由耐腐蚀的钢制锚杆和顶部带有密封保护盖的固定标记构成，以确保长期稳定性，并防止环境因素影响。采用电子水准仪和GPS测量技术进行精确测量，以提供高精度的地表位移数据。

2.3" "监测结果分析

本文分别针对端井段长边中间区域和端井段短边中间区域的地表沉降变化进行分析。端井段长边中间区域DC3-1地表沉降如图1所示。端井段短边中间区域DC5-1地表沉降如图2所示。

2.3.1" 端井段长边中间区域地表沉降

由图1可知，当基坑进行第1级开挖时，基坑周围地表沉降量较小，沉降量分布在0.89～2.01mm区间内，靠近基坑区域的沉降量与远离端相比明显较大。当距离基坑端井段长边中间区域超过20m后，地表的沉降量衰减到1.2mm。

随着开挖深度的增加，基坑附近地表沉降量也在逐渐增大。当第2级基坑开挖完成后，各个监测点的沉降量变化趋势与第1级基坑开挖时大致相同，沉降量的最大值为3.37mm。当第3级与4级基坑开挖完成后，地表沉降量的变化趋势大致相同，均随着距离基坑边缘距离的增大呈现先增大再减小的规律。

值得注意的是，当开挖到第3级和第4级时，距离端井段长边中间区域约5m左右区域的沉降量突然增大，表明在距离基坑边缘5m区域处进行基坑施工，对地表的变形影响最为显著。当距离逐渐超过13m以后，基坑施工对地表的变形影响较小。

2.3.2" "端井段短边中间区域地表沉降

由图2可知，不同开挖等级下的端井段短边中间区域DC5-1地表沉降变化曲线均近似呈“S”型分布。与端井段长边中间区域地表沉降变化不同的是，在短边中心处距离基坑边缘位移约为8m处的地表沉降量最大。分析认为，造成这种现象的原因是距离短边中间区域8m左右位置存在一条道路，车辆荷载作用导致该区域的变形较大。

2.3.3" "两区域对比分析

通过对比图1和图2可知，长边中间区域的沉降位移整体大于短边。这是由于基坑的长边区域跨度大，受力可能更为集中，特别是在中心位置。这种集中的应力可能导致更大的土体变形和地表沉降。此外，长边区域由于其尺寸更容易发生横向变形，即基坑的侧壁可能会向内滑移或倾斜，从而使中心位置的沉降量增大。

3" "基坑支护的数值模拟

基坑施工过程中，钢支撑的结构变形程度表征基坑的稳定状态。可通过数值模拟方法，分析钢支撑刚度对基坑支护效果的影响。通过模拟不同参数配置下的基坑支护系统，可评估其在实际工程应用中的稳定性和安全性。

3.1" "构建模拟模型

基于实际工程的地质数据和基坑尺寸，使用PLAXIS有限元软件构建数值模拟模型。计算过程中的参数均与地质勘察资料中的一致。通过数值模拟改变钢支撑参数，以原始钢支撑刚度为依据，变更其余工况钢支撑度分别为原设计值的0.9倍、1.1倍和1.2倍。

3.2" "不同钢支撑刚度下基坑表面沉降分析

不同钢支撑刚度下基坑表面沉降变形如图3所示，从图3可以看出，支撑强度增加能有效减少沉降量，增加基坑的稳定性。尤其是在基坑边距3～10m这一关键区域，支撑的影响尤为显著。

原始工况下，最大沉降量约为-5.4mm，出现在距基坑边缘约5m的位置。0.8倍支撑刚度条件下，最大沉降量增加至约-6.0mm，位置略有移动，但仍接近5m。1.1倍支撑刚度条件下，最大沉降量进一步减少至-4.5mm。1.2倍支撑刚度条件下，最大沉降量最小，约为-3.7mm。

沉降曲线在原始工况和不同支撑刚度倍数条件下均呈现类似的“V”形趋势，但随着支撑倍数的增加，曲线的“V”形趋于变浅，这表明沉降的范围和深度均得到了控制。在距离基坑边缘超过10m的位置，所有条件下的沉降量趋于稳定并接近0，这表明支撑措施能够有效控制远离基坑边缘的地表稳定。

从沉降曲线的斜率可以观察到，沉降速率在基坑边缘0～5m范围内，沉降速率最大，从5～10m沉降速率逐渐减小，并在各条件下趋向一致，表明远离基坑边缘的土体受支撑的影响较小。

4" "基坑周围地表沉降控制对策

4.1" "优化支护结构设计

合理设计支护结构是控制基坑周围地表沉降的关键。通过对基坑支护系统进行优化设计，如选择合适的支护材料、加厚支护壁、使用更密的支护间距或更强的支撑系统，可以显著提高基坑的整体稳定性。

基于地质条件和基坑深度，可以选择适合的支护结构类型，如钢板桩、混凝土桩或连续墙等。此外设计时，还应考虑到地下水位、土壤类型和邻近建筑的影响，以确保支护结构能有效承受各种负荷和环境影响。

4.2" "控制地下水

地下水的存在可以显著影响土壤的稳定性，导致基坑周围的地表沉降。实施有效的地下水控制措施，如井点降水、地下水抽排系统或使用防水帷幕，可以减少水对土壤结构的影响，降低地表沉降的风险。

控制地下水有助于减少土体的液化潜力，特别是在细粒土壤层中。同时维持地下水位的稳定也有助于保护周围建筑的地基不受影响。

4.3" "优化施工工艺

施工工艺对基坑工程的影响巨大。采用合理的施工工序，如分段、分层开挖，可以有效地控制开挖过程中的土压力，减少对周围地表的干扰。同时，使用如土钉墙、锚杆等局部加固技术可以在关键区域提供额外的稳定性。优化施工工艺还包括使用先进的监测技术实时跟踪沉降变化，及时调整施工策略以应对潜在的风险。

4.4" "加固土体

土体加固是另一种有效控制地表沉降的方法。通过采用深层搅拌、喷射注浆或地基冻结等加固措施，可以增强土壤的承载力和稳定性。这些加固措施通过改变土壤的物理和化学属性来提高其抗变形能力，不仅有助于减少沉降，还能防止基坑侧壁的坍塌，从而保障工程和周边环境的安全。

5" "结束语

本文以长春市地铁车站基坑工程为案例，通过详细的现场监测数据，分析基坑周围地表沉降的特性。通过数值模拟，系统分析了基坑施工过程中地表沉降的动态变化规律，并提出了相应的基坑周围地表沉降控制对策。

在基坑开挖过程中，基坑长边中心处的沉降变形大于短边中心处的沉降变形，这与地表受基坑开挖影响的分布及长边区域受力集中有直接关系。在距离基坑长边边缘5m区域处基坑施工对地表的变形影响最为显著，当距离逐渐超过13m以后，基坑施工对地表的变形影响较低。而在短边中心处距离基坑边缘位移约为8m处的地表沉降量最大。

基坑支护的数值模拟结果显示，增加钢支撑的刚度可以显著减少沉降量，尤其是在基坑边缘至关键区域。这一成果为实际工程中支护结构的设计与优化提供了科学依据。

优化支护结构设计、控制地下水、优化施工工艺、加固土体，有助于控制基坑周围地表沉降，确保施工过程中基坑稳定性和周边环境的安全。

参考文献

[1]" 李雪，耿凤娟，赵卫星，等.成都地铁基坑围护桩大变形原因分析及对策研究[J].城市轨道交通研究，2024，27（1）：50-54+60.

[2]" 顾晓卫，易子浩，王哲，等.深基坑开挖对邻近双线地铁隧道变形影响实测分析[J].岩土工程学报，2023，45（S2）：214-219.

[3]" 李刚，赵燕宾，徐伟，等.深大基坑内部施工对临近地铁车站位移影响的监测数据分析[J].建筑结构，2023，53（S2）：2494-2498.

[4]" 熊豪文，王哲，时维涛，等.基坑施工对地铁隧道的变形影响及控制[J].建筑结构，2023，53（S2）：2505-2515.

[5]""""" 刘性锋，刘禹，李辉，等.地铁站深基坑桩撑支护开挖变形[J].科学技术与工程，2023，23（33）：14332-14341.