不同開挖步距對地鐵深基坑影響的研究

莫 少 聰

(浙江工業大學建筑工程學院，浙江 杭州 310012)

0 引言

隨著城市化的發展，基坑開挖的規模也會越來越大，在地鐵施工過程中，有關于地鐵開挖產生的安全問題也漸漸出現，所以開展相關領域的研究有重要的意義[1]。因為在深基坑的開挖過程中所需要涉及的各類因素和情況很多也非常復雜，所以對于深基坑工程來說，解決深基坑開挖過程中的各類問題依舊是一個熱門課題[2-4]。基坑開挖的過程其實也是土體卸荷的過程，它的變形特性具有獨特的變化規律，在軟土地帶進行一系列的基坑開挖工程都要涉及到軟土的卸荷問題，如果周邊的建筑物比較靠近基坑，那么對周邊的建筑物還會產生損壞[5]。基坑開挖和地下工程的建設對地鐵隧道肯定會產生一定的影響，但這種影響有多大需要定量的研究分析[6]。

1 工程背景

1.1 實際工程概況

模擬實際建造地鐵，需進行深基坑的開挖。在實際開挖工程中，在地鐵基坑開挖過程中對深基坑及周圍環境進行監測。所以在試驗模擬基坑時，也同樣使用各種監測方法來研究不同開挖步距對基坑及周邊各類參數的變化影響。

1.2 周圍環境

地鐵位于兩條主干線交叉口地下空間處，工程位于杭州市，結構南面橫跨另一條主干道，主體結構在一條主要道路正下方。而此條主干道兩邊建筑以商鋪裙房為主，因此在此設計上此處基礎以樁基礎為主，且樁均比結構底板深，另一側東面為電力局及農貿市場，因此基礎以條形基礎為主。

2 試驗概況

2.1 試驗目的

1)確保在基坑開挖的過程中，保證基坑內部和側邊的穩定性，并降低對周圍環境和道路造成的影響，確保工程能夠有效開展，并在發生危險的時候及時預警并采取相應措施。

2)研究比較不同開挖步距，對基坑周圍深層土體的水平位移，基坑底部土體的沉降，以及水位的影響。

2.2 建立模型

由于實際基坑比較大，所以在建立模型時，只取其中一段，按比例10∶1倍來建立模型，見表1。

表1 模型比例表

由于基坑在承壓水層之上，所以進行模型實驗時暫不考慮承壓水層的影響。模型實驗所用材料與實際工程中的一樣，采用相應的建筑材料。支撐第一道為混凝土支撐，剩余的支撐根據不同步距數設置不同的數量，并且采用鋼支撐，材料相同，直徑按比例縮小10倍。擋土墻厚度也同比例縮小10倍，所用材料為原先同樣強度的混凝土。基坑截面圖如圖1所示。

周圍土質模擬采用與實際相同的土層按比例縮小厚度堆疊而成。

2.3 設置開挖路徑

在上述模型建立后，控制等量條件，同時搭建三個相同的基坑空間，分別命名為一、二、三號基坑，分別對其進行不同步距的開挖。其中一號基坑開挖時，采用一次性開挖到底部的開挖方式，并對基坑進行支護；二號基坑開挖時，采用分兩次勻速開挖的方式，即先開挖一半深度，進行支護，穩定后按照實際情況再次進行開挖到預定深度，再進行支護；同理三號基坑，平均分成五次，勻速進行開挖，直到預定深度，每次開挖后都需進行支護。保證基坑穩定，并對周圍安裝的監測計進行讀數，得到相關參數并進行比較。

2.4 監測原則

監測方案的編制一般參照以下原則：

1)基坑周圍環境、建筑物、道路、地下設施和一些埋設管線一般會遭到基坑施工影響，所以這些周邊環境和基坑自身都應當作為監測的對象。應適當的加寬監測范圍以滿足基坑的影響范圍，通常是2倍基坑開挖深度的情況。

2)在對基坑監測項目內容的確定和監測點的布置上，需要滿足相應有關規范和工程設計的規定，并且可以全面反映出周邊環境和基坑圍護結構的情況在基坑施工過程中的變化。

3)監測方法的使用、儀器以及監測頻率都要符合相關規范和設計要求，而且可以適時、精準地提供數據，使其滿足信息化施工的規范規定要求。

2.5 監測項目及點位布置

本實驗按照實際工程的情況，將基坑圍護施工和開挖施工的時間段作為監測工作的重點階段。

依據《基坑工程設計規程》的規范規定，本試驗在基坑施工過程中主要的監測內容為以下幾點：

1)圍護墻頂沉降、位移；2)圍護墻深部水平位移(測斜)；3)立柱隆沉；4)支撐軸力；5)坑外水位；6)地表沉降。

2.6 監測點埋設

本模型實驗可以在(8 000×6 000×3 000)mm3模型箱中進行。各監測點布設位置和密集程度應根據圍護結構的類型、深基坑開挖的步距、監測基坑段的特點和周圍情況來進行布設。并且從基坑的現場情況出發，要根據實際圍護結構墻體分幅情況和分區開挖的參數，來布置監測點。

2.6.1 圍護墻頂沉降

監測點的布設需沿圍護墻體圈梁所對應的墻體邊測斜孔的位置進行布設。通常在圍護墻上埋設帶圓頭的不銹鋼沉降標志的方式布設監測點。

2.6.2 支撐軸力

因為基坑周圍的側向土壓力會對基坑支護產生軸向壓力，如果大于支撐所能夠承受的最大極限荷載，就會引發安全事故。所以為了能夠及時的掌握混凝土支撐的內力狀態，我們需在混凝土支撐支護上設置支撐軸力監測點。混凝土支撐軸力監測可以通過在混凝土支護澆筑的前期，進行鋼筋計的綁扎。在混凝土澆筑的同時將鋼筋計直接澆筑在支撐當中。

2.6.3 坑外地下水位

通常情況下在基坑開挖的過程中和圍護結構在后期的止水時期，都需對坑外水位進行監測。大量工程實例表明，在基坑開挖時如果不注意坑外水位，很有可能造成圍護結構發生滲水、漏水現象，造成大量坑外水流入坑內的情況，并引發安全事故的情況，所以需要及時的對坑外水位進行監測，掌握坑外水位的情況，并及時的做出相應的措施。

水位管的埋設通常采用鉆孔的方式。水位管的埋設深度應大于基坑開挖深度。并且埋設時在圍護墻兩側都需要設置。

2.6.4 坑外地表沉降

坑外地表沉降是基坑監測中最重要、也是最基本的監測項目，因為它直觀地反映了基坑周邊地表土的變形情況，可以對基坑的各類變化有較為直觀的預警。通常的測點布置采用地表樁的形式，并沿著基坑四周布置。在支撐對應的外側路面上的兩邊各布設3個，距圍護墻距離分別為0.3 m,0.6 m,1.0 m。

3 試驗結果分析

本模型實驗方案如上所述，施工方案按實際施工進行操作，控制其他所有變量，測量時間與實際相同，得到數據可以用以分析基坑變形。通過分析上述三個不同步距的基坑的監測數據發現：不同的施工開挖步距會對基坑變形產生不同的影響。無論是基坑周邊土體的水平位移還是周圍路面的沉降，比較發現，一次性開挖到底的施工步距的影響都表現為最大。而隨著步距的增加，分步開挖次數的增多，其對周圍土體的影響會慢慢減小。但是對于水位影響都相差不大。同時發現，基坑底部隆起程度也會隨著開挖分步次數的增加而變小。同時對于支撐，比較鋼筋計等數據發現，隨著時間的增加，同樣三號基坑支護的支撐力較其他兩種要小。

4 結語

在深基坑開挖過程中，選擇合理的開挖步距，增加開挖次數，有助于實現減小基坑開挖對周圍的影響，更好的做到基坑的保護。文章結合實際情況進行縮小比例的實際工況模擬，得到相關數據并進行分析，對實際工程中深基坑的開挖具有一定的指導意義。