地鐵車站基坑開挖及降水引起地面變形原因分析

耿生春

1 工程概況

此工程中涉及的曲阜道站是地下2層島式站臺(tái)，本站共有3個(gè)出入口和1座風(fēng)道，車站位于徐州道和大沽北路交叉口，呈南北向布置，車站的兩端均是盾構(gòu)始發(fā)井。車站建筑面積約9888.86m2，通道和獨(dú)立出入口的面積總和約為625.6m2，風(fēng)亭風(fēng)道的建筑面積約為4282.7m2，整個(gè)車站建筑面積總和約為14797.16m2。

2 土方開挖施工

2.1 開挖表層土方

（1）挖掘大里程I區(qū)

①將本層挖掘到第一道混凝土支撐底標(biāo)高的位置，挖深約2m。

②用一臺(tái)挖土量為1.8m3的挖掘機(jī)加上一臺(tái)破碎錘，從基坑北側(cè)14軸封堵墻的位置沿基坑向南側(cè)25軸位置開挖，先破拆再挖掘，采取全斷面推進(jìn)的方式，保證運(yùn)土車能直接到達(dá)挖土點(diǎn)，從工地在蚌埠道上的大門直接進(jìn)出。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)距進(jìn)行考量，土方裝車需要約6min，單車往返需要約1h，所以，要保證至少10輛拉土車參與土方轉(zhuǎn)移任務(wù)[1]。

③底部標(biāo)高30cm以上的土體可使用機(jī)械挖掘，30cm以下的土體建議使用人工進(jìn)行挖掘，且要注意不能超挖，保證剛好挖掘到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高的位置。同時(shí)，要使用抽水泵及時(shí)將坑底的降水和部分淤泥進(jìn)行清理，確保整個(gè)槽底的平整干燥。

（2）挖掘?qū)儆谛±锍毯w挖段的Ⅱ區(qū)

①將本層挖掘到第一道混凝土支撐底標(biāo)高的位置，挖深約2m。

②總體的施工和I區(qū)的安排基本相同。用一臺(tái)挖土量為1.8m3的挖掘機(jī)加上一臺(tái)破碎錘，從基坑北側(cè)1軸端頭墻的位置沿基坑向南側(cè)14軸位置開挖，同樣采用先破拆再挖掘的方式，保證運(yùn)土車能直接到達(dá)挖土點(diǎn)，但此區(qū)域需要從工地在徐州道上的大門進(jìn)出。同樣，要保證至少10輛拉土車參與土方轉(zhuǎn)移任務(wù)。

③基本的挖掘步驟同I區(qū)保持一致：底部標(biāo)高30cm以上的土體可使用機(jī)械挖掘，30cm以下的土體建議使用人工進(jìn)行挖掘，且要注意不能超挖，保證剛好挖掘到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高的位置。但在到達(dá)設(shè)計(jì)的標(biāo)高以后，需要將600mm×600mm、深1000mm的集水井和寬200mm、深200mm、坡度為3/1000的排水溝設(shè)置在基坑四周的位置，確保槽底的平整和干燥。

2.2 開挖其余4層土方

在完成表層土體的開挖作業(yè)后，可進(jìn)行第一道混凝土的澆筑，在保證其強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的4/5后，再按照標(biāo)準(zhǔn)段剩余的3道鋼支撐分4層將剩余的土方進(jìn)行挖掘，保證每層都挖到支撐以下50cm的位置。4層土方從第4到第1層的挖掘深度分別為3.4m、4.8m、3m、4m。按照縱向分臺(tái)階和豎向分層的方式，每層土可看做一級(jí)臺(tái)階，保證挖掘坡度為1：1.5，6m工作面。在第2道鋼支撐的土層下設(shè)置長(zhǎng)約9m的平臺(tái)，用于緩沖，并將總體的坡度控制在1：3。

2.3 混凝土支撐施工

（1）用于支撐的底模需要具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、較高的強(qiáng)度和剛度。若底模是用混凝土墊層制作而成的，則需要有一定的隔離措施，且在挖掘土體時(shí)要及時(shí)清除[2]。

（2）保證底模下部的土體是壓實(shí)的狀態(tài)，并在墊層上方設(shè)置約2/1000的預(yù)拱度。

（3）對(duì)混凝土支撐進(jìn)行整體施工作業(yè)，確保沒有施工縫隙殘留。

（4）在格構(gòu)柱的頂端留出+0.3cm的標(biāo)高，并將一塊規(guī)格為860mm×860mm×30mm的格構(gòu)柱焊接在此處用于封頂板，完成此作業(yè)后在將豎向鋼立柱和混凝土支撐進(jìn)行連接。以格構(gòu)柱的頂端為中心，將規(guī)格為300mm×160mm×18mm的4塊肋板側(cè)板焊接在其四周。并將規(guī)格為210mm×160mm×18mm的12塊肋板平均焊接在肋板側(cè)板的每側(cè)，要保證垂直于格構(gòu)柱的四周，將肋板側(cè)端和肋板側(cè)板進(jìn)行焊接，將頂端和封頂板進(jìn)行焊接。將9根長(zhǎng)度為600mm的C25錨筋設(shè)置在封頂板上部，保證錨筋和封頂板的穿孔完全塞焊。

3 基坑降水引起地面變形的原因和解決方法

3.1 引起地面變形的原因

由降水引起的地面沉降可分為固結(jié)沉降、瞬時(shí)沉降和由土體流變引發(fā)的次固結(jié)沉降三類。通常情況下，次固結(jié)沉降的表現(xiàn)在主固結(jié)完成后才會(huì)相對(duì)較為明顯，而且對(duì)于荷載作用時(shí)間方面的要求也相對(duì)比較長(zhǎng)，遵照《地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范》（GB50307-1999），式（1）可對(duì)因地下水下降而引起的土層附加荷載進(jìn)行計(jì)算。

式（1）中：△P-降水引起的土層附加荷載，kPa；h1-降水之前本地區(qū)土層的水頭高度，m；h2-地下水位下降之后本地區(qū)的水頭高度，m；γw-抽出水的重度，kN/m3。

式（2）采用分層總和法，可對(duì)降水引起的地面附加的沉降量進(jìn)行計(jì)算。

式（2）中：S-因降水使地面產(chǎn)生的總附加沉降量，m；φ-經(jīng)驗(yàn)的修正系數(shù)；Ui用來表示第i層土體的固結(jié)度；Si-第i層土體的附加沉降量，m；△Pi-第i層土體因降水產(chǎn)生的附加荷載，kPa；Ei-第i層土體的壓縮模量，kPa；Hi用來表示第i層土體的土層厚度，m。

式（3）可用來計(jì)算土體的固結(jié)度。

畫出預(yù)估抽水運(yùn)行120d后因降水引起的周邊沉降的等值線圖，按照計(jì)算出的沉降結(jié)果，若止水帷幕的封閉效果能達(dá)到預(yù)期的目的，則周邊環(huán)境的沉降預(yù)估值應(yīng)在0.10～0.87mm之間。

3.2 解決方法

（1）有效利用基坑外圍的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)坑外的水位變化和沉降量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，若監(jiān)測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)沉降量達(dá)到或者接近報(bào)警值，要及時(shí)采取相應(yīng)措施。

（2）在抽水的過程中要對(duì)水位的降深情況進(jìn)行及時(shí)觀測(cè)，按照現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況對(duì)潛水和承壓水的水位進(jìn)行合理控制，盡量在滿足基坑開挖要求的前提下，減小水位的降低幅度，從而控制降水對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生的影響。

（3）對(duì)坑外地下水的水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，若監(jiān)測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)任何問題，均可采取緊急處理措施，對(duì)抽水井和抽水流量進(jìn)行調(diào)整和控制，從而對(duì)降水運(yùn)行和挖掘施工進(jìn)行指導(dǎo)。

（4）對(duì)基坑挖掘過程中產(chǎn)生的水位資料和降水時(shí)的水位資料進(jìn)行及時(shí)總結(jié)和整理，關(guān)于位移監(jiān)測(cè)的資料必須及時(shí)有效，并結(jié)合施工的實(shí)際情況對(duì)資料和數(shù)據(jù)上出現(xiàn)的異常進(jìn)行討論分析，若有必要可以繪制與之相關(guān)的圖表，從而對(duì)降水運(yùn)行起到指導(dǎo)作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，由工程降水引起地面沉降的機(jī)理是較硬的土層覆蓋在水位降深段內(nèi)的軟弱土層上方引起的壓縮變形，可通過土體壓縮變形的計(jì)算公式來計(jì)算變形量。但降水、基坑邊坡的支護(hù)、拉土車輛的荷載、路面震動(dòng)等多種原因都會(huì)引起地面沉降，但后面幾個(gè)條件的影響相對(duì)較大，所以，要合理安排基坑工程的施工中的行車路線，避免造成大范圍的地面沉降，對(duì)施工安全造成影響。