基坑施工對(duì)鄰近鐵路影響的監(jiān)測(cè)與分析

唐益群，占楊杰（.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

?

基坑施工對(duì)鄰近鐵路影響的監(jiān)測(cè)與分析

唐益群1，2，占楊杰1
（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

摘 要：各類用途的地下空間開發(fā)是土地資源集約利用的重要形式，并在世界各地的大城市得到廣泛運(yùn)用。隨著地下空間的開發(fā)建設(shè)，帶來(lái)大量的深基坑工程，而深基坑開挖必然對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響。本文結(jié)合上海莘莊綜合交通樞紐項(xiàng)目，對(duì)靠近基坑的鐵路進(jìn)行了沉降監(jiān)測(cè)，分析了深基坑工程的降水及開挖過程中引起鐵路沿線沉降變化及其分布規(guī)律，并確定了風(fēng)險(xiǎn)隱患點(diǎn)和地質(zhì)災(zāi)害防范對(duì)策，可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：深基坑工程；鄰近鐵路；環(huán)境影響；沉降監(jiān)測(cè)；地質(zhì)災(zāi)害防治

電子郵箱: tangyiqun2@tongji.edu.cn

聯(lián)系電話: 021-65983397

城市建設(shè)的立體化發(fā)展，使得地下空間的利用越來(lái)越多，目前各類用途的地下空間已在世界各地的大城市廣泛運(yùn)用，如地下停車場(chǎng)、地鐵隧道、地下商場(chǎng)、地下倉(cāng)庫(kù)以及民用與工業(yè)建筑的地下設(shè)施等等，其均需要進(jìn)行大規(guī)模的地下開挖，這些地下空間的開發(fā)建設(shè)帶動(dòng)了大量的深基坑工程，而開挖的深度與面積也越來(lái)越大。天津環(huán)球金融中心大樓的開挖深度為23.5m，作為天津交通樞紐的天津站的基坑開挖深度為33.5m；上海地鐵四號(hào)線換乘站基坑開挖深度達(dá)42m。深基坑工程施工必然對(duì)周邊環(huán)境造成影響，盡管施工技術(shù)日新月異，但成功的背后也不斷出現(xiàn)事故。例如2008年杭州地鐵1號(hào)線湘湖站基坑工程，導(dǎo)致湘湖大道坍塌75m、下沉15m［1，2］。

基坑開挖，使得基坑壁和基坑底部土體卸荷，圍護(hù)結(jié)構(gòu)在坑壁主動(dòng)土壓力作用下，向坑內(nèi)方向彎曲變形，從而引起地表變形。基坑底部土體向上回彈、隆起，同樣造成地表沉降。此外，由于開挖必須保證在干燥的環(huán)境下進(jìn)行，所以需要降低地下水位，而因此也會(huì)導(dǎo)致土體有效應(yīng)力增大，使土層產(chǎn)生壓縮，引起地表沉降［3～8］。

1 工程概況

1.1 工程項(xiàng)目概述

莘莊綜合交通樞紐項(xiàng)目位于上海閔行區(qū)，滬杭鐵路專線及地鐵1號(hào)線、5號(hào)線從場(chǎng)內(nèi)穿過，將場(chǎng)地分為南北兩個(gè)地塊。其中南地塊北側(cè)為滬杭鐵路專線以及地鐵1號(hào)線、5號(hào)線，其余則由梅隴西路、都市路、莘朱路、寶城路（下立交）所環(huán)繞。

本工程總建筑面積約695500m2，南地塊基坑開挖面積約48900m2，其相鄰鐵路一側(cè)基坑邊長(zhǎng)420m。基坑與滬杭鐵路專線相對(duì)平面位置如圖1所示，線路走向基本與基坑北側(cè)平行，距離基坑約10～16m。

基坑開挖引起的沉降范圍約3～5倍的基坑開挖深度，本工程南地塊采用分塊開挖的方式，開挖的深度為14.85m，影響范圍在44.55～74.25m。最先開挖的基坑在施工過程中，土方開挖卸荷、降低承壓水等施工步驟必定會(huì)造成鐵路側(cè)的沉降。

圖1　項(xiàng)目平面與現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.1 Plan and site of the project

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

基坑主要地層物理力學(xué)性質(zhì)如表1。

根據(jù)勘探揭示的地層結(jié)構(gòu)和滲透性，勘探深度范圍內(nèi)的地下水可分為潛水、微承壓水和承壓水。

（1）潛水

擬建場(chǎng)地淺部地下水為潛水類型，補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水入滲，其排泄方式以蒸發(fā)消耗為主。潛水位埋深0.30～1.50m，年均0.50～0.70m。潛水位高低主要取決于降雨量大小和雨季持續(xù)時(shí)間。勘察期間測(cè)得地下水靜止水位埋深在0.70～1.40m 之間，水位高程為3.16～3.86m。本基坑設(shè)計(jì)采用地下水位0.5m。

（2）微承壓水

根據(jù)勘察報(bào)告，擬建場(chǎng)地第④2層和第⑤4層滲透系數(shù)較大，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)可能存在微承壓水。

為確保基坑安全，針對(duì)④2層和⑤4層將進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)，明確場(chǎng)地是否存在微承壓水以及微承壓頭埋深等水文地質(zhì)參數(shù)。

（3）承壓水

勘察查明，擬建場(chǎng)地分布有第⑦層砂性土，其埋深約29m以下，根據(jù)上海地區(qū)長(zhǎng)期水位觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)，承壓水水頭埋深呈年周期性變化，水位埋深約為3.0～12.0m。

經(jīng)驗(yàn)算，如考慮最不利承壓水頭為3.0m，則基坑開挖至13.8m即需要抽降承壓水；如按勘察期間承壓水水頭埋深7m計(jì)算，則開挖至16m便需要抽降承壓水。本工程裙房開挖深度15.75m，塔樓開挖深度 17.05m，因此本工程基坑開挖需要抽降承壓水。

1.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

如圖2所示，在鐵路側(cè)布設(shè)了A、B、C三個(gè)系列的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖中Y為減壓井、G為觀測(cè)井、HG為回灌井。基坑開挖前抽水試運(yùn)行，打開Y2、Y3、Y4井進(jìn)行抽水，4天后同時(shí)打開HG3、HG4、HG5進(jìn)行回灌。

表1　地層基本物理力學(xué)特性Table 1 The physical and mechanics character of soil layer

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 鐵路沿線沉降分布規(guī)律

基坑鐵路一側(cè)沿線沉降的縱橫向分布如圖3所示。

從圖3（a）可以看出，A4監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降最大，A3與A5、A2 與A6的最終沉降量接近，A1沉降最小。說明平行于鐵路沿線，越靠近基坑北側(cè)沿線中點(diǎn)，沉降量越大，向兩側(cè)對(duì)稱減小。A4監(jiān)測(cè)點(diǎn)每天沉降速率也是最大的，其最終沉降量為36.5mm，超過限制值20mm，與A5沉降差達(dá)14.3mm。

垂直于鐵路線監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降如圖3（b），A4最終沉降與每天沉降速率最大；B7離基坑稍遠(yuǎn)，其最終沉降與沉降速率次之；C4離基坑最遠(yuǎn)，最終沉降與沉降速率最小。說明鐵路橫斷面離基坑越近的位置沉降越大，越遠(yuǎn)則越小。B7 和C4沉降差為12mm， B7和C4距離只有5m，單位長(zhǎng)度沉降差2.4mm/m；而沿鐵路方向A4與A5之間單位長(zhǎng)度沉降差則為0.95mm/m。

圖2　井位和監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意Fig.2 The location of wells and monitoring points

圖3　基坑鐵路一側(cè)沉降變化Fig.3 The distribution of land subsidence about foundation pit along railway

2.2 基坑降水引起的鐵路沿線沉降分析

從圖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變；3天后更換水泵，加大抽水量，坑內(nèi)外水位均有所下降；回灌之后水位上升緩慢，群井中心Y2水位下降比基坑外G1、G2大。而基坑外靠近觀測(cè)井的兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降，第1天沉降速率快，第2天較緩和，第3天加大井的抽水量，沉降速率立刻變快，第4天又相對(duì)較緩慢，第5天回灌之后，沉降更加緩慢。A3累計(jì)沉降量1.92mm、A4累計(jì)沉降量1.97mm，沉降速率小于2mm/d。

2.3 基坑開挖引起鐵路沿線的沉降分析

基坑開挖分四層、四道支撐，支撐中心埋深分別為0.5m、4.5m、8.2m、11.4m，底板埋深14.5m。A4點(diǎn)各層土開挖期間沉降變化如圖5所示。第一層土方開挖期間，沉降量2.05mm；第二、第三層產(chǎn)生較大沉降，分別為5.76mm和4.06mm；第四層產(chǎn)生沉降7.88mm。每層土剛開始開挖時(shí)沉降增加較快，在后期做下一道支撐時(shí)沉降較平緩。這是因?yàn)橥馏w開挖是一個(gè)卸載過程，使得基坑底部應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致覆土壓力減小，令基坑底部產(chǎn)生垂直向上的變形，即彈性隆起，從而導(dǎo)致鐵路土體沉降，這種效應(yīng)較為顯著，所以開挖土方時(shí)會(huì)產(chǎn)生較為迅速的沉降［9，10］。同時(shí)在不平衡力的作用下會(huì)導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)產(chǎn)生位移，令基坑底部土體受到擠壓，進(jìn)而發(fā)生隆起，所以即使該層土方挖完，開始做下一道支撐時(shí)，仍然會(huì)有緩慢的沉降，也就是說基坑底部的隆起會(huì)隨著開挖過程中基底暴露時(shí)間的增加而發(fā)展，也即所謂的時(shí)空效應(yīng)［11，12］。

越挖到下層，產(chǎn)生沉降會(huì)越大，從圖5（b）可以看出，第一層開挖產(chǎn)生沉降很小，最后一層開挖產(chǎn)生沉降最大。此一方面由于開挖最后一層土?xí)r，為防止基坑突涌，采取了降低承壓水頭的措施；另一方面則是土層開挖越深，卸荷量越大，坑內(nèi)外土體高差增大， 導(dǎo)致坑底彈性、塑性回彈都增大。所以開挖最后一層土期間，鐵路線上沉降是最危險(xiǎn)的。此時(shí)應(yīng)該加快施工進(jìn)度，盡快澆筑底板，加強(qiáng)鐵路沉降監(jiān)測(cè)。并在鐵路側(cè)采取回灌措施，減小坑外的承壓水位降低。

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

圖5　基坑開挖地面沉降變化Fig.5 The changes of land subsidence during foundation pit excavation

3 結(jié)論

總結(jié)基坑施工全過程沉降的分布規(guī)律，可知當(dāng)基坑鄰近鐵路線時(shí)，平行于鐵路線的基坑一側(cè)邊中點(diǎn)線上的最終沉降和沉降速率最大，與此位置越近，沉降就越大。鐵路沿線存在沉降差異，垂直于基坑邊界的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，單位長(zhǎng)度的沉降差較大。在水位發(fā)生明顯下降時(shí)，沉降速率很快，而當(dāng)水位保持恒定時(shí)，因固結(jié)作用還在持續(xù)，故沉降仍在增大，但速率趨緩。

對(duì)于由基坑開挖降水引起的沿線地面沉降，要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。基坑開挖越深，地面沉降更為顯著，此時(shí)應(yīng)加快施工進(jìn)度，盡快澆筑底板，并在鐵路側(cè)采取回灌措施，減小坑外的承壓水位降低。

參考文獻(xiàn)（References）

［1］王樹理，王樹仁.地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009:3-14.Wang S L， Wang S R.Underground building structure design［M］.Beijing: Tsinghua University Press， 2009:3-14.

［2］閆靜雅.鄰近運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的深基坑設(shè)計(jì)施工淺談［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2010，（S1）:46-49.Yan J Y.Design and construction of deep foundation pit near the operating metro tunnel［J］.Journal of Geotechnical Engineering，2010，（S1）:46-49.

［3］楊天亮.深基坑減壓降水引發(fā)的地面沉降效應(yīng)分析［J］.上海國(guó)土資源，2012，33（3）:41-44，70.Yang T L.Analysis of the land subsidence impact of dewatering of deep foundation pits［J］.Shanghai Land & Resources，2012，33（3）:41-44，70.

［4］周沈華，楊有海，王隨新.深基坑開挖對(duì)周邊地表沉降影響因素分析［J］.土工基礎(chǔ)，2008，22（2）:1-2.Zhou S H， Yang Y H， Wang S X.Analyses of influence factors on ground settlement during excation［J］.Soil Engineering and Foundation， 2008，22（2）:1-2.

［5］談炎培，張揚(yáng)清，黃鑫磊，等.軟土本構(gòu)模型在深基坑環(huán)境影響分析中的適用性探討［J］.上海國(guó)土資源，2016，37（1）:54-57，85.Tan Y P， Zhang Y Q， Huang X L， et al.Applicability study of constitutive models in environment impact analysis for deep foundation pit［J］.Shanghai Land & Resources， 2016，37（1）:54-57，85.

［6］何斌.軟土地區(qū)深基坑施工引起地表變形的原因及處置措施［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2009，6（3）:1-5.He B.Mechannism analysis on the surface deformation caused by deep excavation construction in soft clay area［J］.Modern Transportation Technology， 2009，6（3）:1-5.

［7］張勇，趙云云.基坑降水引起地面沉降的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)［J］.巖土力學(xué)，2008，29（6）:1593-1596.Zhang Y， Zhao Y Y.Real time prediction of land subsidence caused by foundation pit dewatering［J］.Rock and Soil Mechanics，2008，29（6）:1593-1596.

［8］陽(yáng)吉寶，董林兵.鄰近黃浦江地區(qū)深基坑止水帷幕選型與設(shè)計(jì)討論［J］.上海國(guó)土資源，2015，36（3）:71-74.Yang J B， Dong L B.Selection and design of a waterproof barrier for a deep foundation pit in the Huangpu River［J］.Shanghai Land & Resources， 2015，36（3）:71-74.

［9］Zhang J X， Liu L M.Monitoring data analysis to guide the project of deep foundation pit excavation［J］.Building Technology，1997，（1）:12-16.

［10］李耀良，徐安軍，王建華.上海M8線西藏南路站6區(qū)基坑的監(jiān)測(cè)與分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2005，（4）:13-17.Li Y L， Xu A J， Wang J H.Monitoring and analysis of foundation pit of Shanghai M8 line Tibet south road station 6 area［J］.China Journal of Underground Space and Engineering， 2005，（4）:13-17.

［11］王圣濤，石雷.深基坑開挖基坑底隆起原因分析與處理技術(shù)［J］.中國(guó)科技信息，2009，（6）:52-53.Wang S T， Shi L.Reason analysis and processing techniques of the deep foundation pit bottom uplift［J］.The China Science and Technology Information， 2009，（6）:52-53.

［12］劉國(guó)彬，侯學(xué)淵.軟土的卸荷模量［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1996，（6）:18-23.Liu G B， Hou X Y.Unloading modulus of the Shanghai soft clay ［J］.Journal of Geotechnical Engineering， 1996，（6）:18-23.

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

中圖分類號(hào)：P642.26

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-1329（2016）02-0061-04

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.02.015

收稿日期:2016-05-06

修訂日期:2016-06-10

作者簡(jiǎn)介:唐益群（1952-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事城市工程地質(zhì)與工程環(huán)境效應(yīng)及地面沉降控制等研究.

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41572285）