異形深基坑施工過程支護結構和地表沉降研究

虞雙林

（中國交通建設股份有限公司軌道交通分公司，北京 100088）

1 引言

隨著社會經濟的飛速發展，城市化進程的加快，城市基礎設施不斷完善，大量的深基坑不斷出現，深基坑工程事故也有所增加。因此，必須在基坑施工中做好現場監測工作，這是基坑工程中非常重要的環節。施工人員可通過基坑監測手段預測基坑變形的趨勢，并對基坑的安全狀態進行評估[1-2]。

本文以南通地鐵1號線能達商務區站異形深基坑工程為依托，對地表沉降、墻頂沉降和立柱沉降的監控量測進行分析，探討了異形深基坑施工過程中所引起的不同位置處的沉降規律和影響因素。利用Flac3D6.0對異形深基坑的施工過程進行了三維數值分析，并用現場監測數據和計算結果進行了對比分析，得出了異形深基坑不同開挖深度時地表沉降、墻頂沉降和立柱沉降的規律。

2 工程和地質概況

2.1 工程概況

能達商務區站位于南通市崇川區，通盛大道和星湖大道交口處，沿南北向布置，是南通地鐵1號線和3號線的換乘站。能達商務區站基坑形狀較為特殊，屬于典型的異形深基坑，基坑沿長度方向分為喇叭口段、異形段、標準段、換乘段。基坑長度約288 m，寬度7~39.34 m（標準段寬21.29 m）；基坑深度約為16.59~25.29 m。基坑采用明挖法施工，支護結構采用“800 mm厚地下連續墻+支撐”的組合形式。基坑在寬度方向上布置4道支撐，第一道為鋼筋混凝土支撐，間距約為5.2~8.5 m；第二道~第四道為鋼筋混凝土支撐和鋼支撐，分別布置在埋深7.5 m、10.5 m、13.5 m處，間距約為2.4~3.0 m。

2.2 地質概況

擬建工程場區主要以軟土層為主，地質勘探資料顯示，基坑影響范圍內依次為填土、黏質粉土夾粉質黏土、粉細砂、淤泥質粉質黏土、粉質黏土、粉砂。

本場地地下水位較高，約1.5~3.0 m，以潛水和承壓水為主。潛水一般貯存在淺部粉土、粉砂、粉質黏土中，第I承壓水一般貯存在粉砂、細砂中。為了減少土方開挖時地下水的干擾，確保施工安全，在基坑開挖前采用井點降水法進行降水。

3 試驗方案與測點布置

根據本工程施工特點和一級基坑變形控制要求，需進行沉降監測的內容為：地表沉降、墻頂沉降、立柱沉降。其中，地表沉降和墻頂沉降沿圍護結構共布置34組監測點，立柱沉降共布置9組測點。

由于篇幅有限及考慮到基坑形狀的特殊性，分別在喇叭口段、異形段、標準段各選取一組地表監測點和墻頂沉降監測點對地表沉降和墻頂沉降進行分析，選取3組立柱進行沉降分析，監測點布置如圖1所示。每組地表監測點由6個監測點組成，構成一條沉降線，與地下連續墻的距離分別為2 m、5 m、10 m、16 m、32 m、48 m。

結合基坑監測相關規范，并參考該地區土層特點和現有監測成果，地表沉降、墻頂沉降、立柱沉降的累計警戒值分別為30 mm、30 mm、15 mm。

4 數值模擬

4.1 數值計算模型

本文采用Flac3D6.0動態模擬土方開挖過程，分析支護結構的變形和地表沉降特征。所建模型在X、Y、Z三個方向的尺寸分別為450 m、240 m、80 m，重力方向與Z軸負方向一致，地表為自由邊界，無約束作用，模型其他界面均施加法向約束。模型共劃分378 189個節點和364 400個單元。三維計算模型如圖2所示。

4.2 計算參數選取

計算模型采用HSS本構模型，地層和地下連續墻采用實體單元，鋼筋混凝土支撐、鋼支撐采用梁單元模擬。由于在土方開挖前已經通過降水井進行了人工降水，計算時不考慮地下水的影響。

4.3 計算結果

4.3.1 地下連續墻水平位移

基坑開挖后，就平面位置而言，東側地下連續墻的最大位移發生在異形段中部附近，方向朝向基坑，最大值為18.77 mm；西側地下連續墻的位移最大值為18.77 mm，方向同樣朝向基坑，發生在異形段處。由于異形段附近基坑寬度不斷變化，受到空間效應的影響，該處地下連續墻水平位移較大。就深度而言，基底以上部分水平位移較大，基底以下部分水平位移較小，這主要是由于土體開挖導致支護結構水平土壓力卸載，導致地下連續墻向基坑方向發生變形。

4.3.2 基坑周邊地表沉降

基坑開挖完成后，異形段的地表沉降比其他區段大，異形段距離地下連續墻10 m附近，地表沉降最大，約為-23.5 mm。地表沉降隨著與基坑距離的增大而逐漸減小，在距離基坑2倍開挖深度以內的區域地表沉降較大，距離基坑2倍開挖深度以外的區域地表沉降較小。

4.3.3 基坑周邊地表水平變形

基坑開挖完成后，基坑東側地表水平位移為負，最大值發生在異形段附近，最大值為17.95 mm；基坑西側地表水平位移為正，最大值發生在異形段和第一標準段交界處，約為17.12 mm。隨著與地下連續墻距離的增大，地表水平位移逐漸減小。

5 監測與數值模擬結果分析

5.1 地表沉降分析

通過對現場地表沉降實測可知，1號沉降線隨著基坑挖土的進行，地表沉降有所增大。當對11 m以上的土方開挖時，地表沉降速率較均勻；當對11 m以下的土方開挖時，DB1-1~DB1-4處地表沉降較快；當開挖至基底時，地表沉降達到最大，最大值為-6.68 mm，遠小于預警值，這主要是由于該位于喇叭口處，基坑寬度較小且鋼支撐布置較密，土方開挖連續完成，耗時較短，地表沉降受時空效應影響不大。通過數值模擬結果可知，1號沉降線各個監測點沉降值隨著施工的進行而逐漸增大，沉降規律與現場監測規律基本一致；施工完成時，各監測點的沉降量均達到最大，為7.51 mm。

通過對現場地表沉降實測可知，當開挖至5 m時，2號沉降線各監測點沉降量差異不大；當開挖至5 m以下時，隨著挖土深度的增加，沉降線逐漸呈勺形分布，DB2-1~DB2-4的沉降量增長較大，形成勺斗；DB2-5和DB2-6的沉降量增長不大，形成勺柄；開挖結束時各監測點達到最大，為-18.19 mm。同1號沉降線相比，2號線最大沉降量較大，這是由于2號沉降線位于異形段處，該段基坑寬度較大，施工時橫向分為左右兩塊分別開挖，施工耗時較長，受時空效應的影響比較顯著，地下連續墻水平位移和基底隆起相對較大，導致該段地表沉降量增大，所以，沉降線的勺斗也較深。通過數值模擬結果可知，隨著開挖深度的增加，2號沉降線沉降逐漸增大，DB2-1~DB2-4隨挖深增長較為迅速，DB2-5和DB2-6增長不大，當開挖至基底時，各監測點沉降達到最大，沉降線形狀和監測結果比較接近，呈勺形分布。

通過對現場地表沉降實測可知，隨著施工的進行，3號沉降線沉降量逐漸增大。當開挖至5 m時，沉降線基本上呈直線分布；隨著開挖的增加，DB3-1~DB3-4沉降量增長較為明顯，DB3-5和DB3-6變化不大，3號沉降線逐漸呈勺形分布，且勺斗逐漸變深；當開挖至14 m時，DB3-1~DB3-4沉降量增幅較大，這是由于在開挖該處土體時由于受到春節假期的影響，施工曾一度中斷，開挖面長時間暴露，土體的蠕變較大，導致地表沉降增長較大。當基坑開挖完成后，DB3-3的沉降量達到最大，為10.80 mm。通過數值模擬結果可知，隨著挖深的增加，3號沉降線逐步由直線分布轉變為勺形分布，當開挖到基底時，各監測點沉降量達到最大，DB3-4的沉降量最大，最大值為11.78 mm，計算值與實測值基本一致。

5.2 墻頂沉降分析

通過對現場墻頂沉降實測可知，各段墻頂監測點均發生豎直向上的隆起，隨著開挖的進行，墻頂隆起逐漸增大。開挖11 m以上的土體時墻頂隆起較小；開挖11 m以下的土體時，由于開挖卸載基底隆起較大，導致地下連續墻向上隆起較大，墻頂隆起也比較明顯。開挖完成后，墻頂隆起達到最大，根據隆起值由大到小各監測點編號依次為QD2＞QD3＞QD1，QD2處的墻頂沉降最大，最大值為5.83 mm。

通過數值模擬結果可知，各段墻頂監測點位移均逐漸增大，方向為豎直向上，當開挖至14 m以上的土體時增長速率基本相等，當開挖至基底時增長速率有所增大，當開挖完成后各監測點按沉降值排序依次為QD2＞QD3＞QD1，QD2處的墻頂沉降最大，為7.89 mm。根據現場實測和數值模擬結果可知，由于QD2位于異形段處，開挖尺寸較大，基底隆起也較大，所以，該處的墻頂隆起也比較明顯。

5.3 立柱沉降分析

通過對現場立柱（L1~L3）的沉降實測可知，隨著挖土深度的增加，立柱逐漸向上隆起，且隆起速率略有增大，當施工完成時，立柱隆起達到最大，依次為L1＞L2＞L3，L1的隆起值為7.84 mm。通過數值模擬結果可知，隨著基坑的開挖，立柱的隆起與開挖深度近似成正比，當開挖至基底時，立柱隆起達到最大，由大到小為L1＞L2＞L3。由于異形段處基坑寬度較大，基底隆起也較大，所以該處的立柱隆起較大。

6 結語

為了保證深基坑工程的安全性，對其進行監測至關重要。本文結合能達商務區站異形深基坑工程，對地表沉降、墻頂沉降和立柱沉降的情況進行監控量測，并對結果進行分析，得出以下幾點結論：（1）地表沉降隨著與基坑距離的增大呈勺形分布，距離基坑1倍挖深范圍內的監測點沉降較大形成勺斗，其余監測點沉降較小形成勺柄。施工時應當加強1倍挖深范圍內的監控量測，如沉降量過大，及時采取加密鋼支撐等工程措施。（2）地表沉降、墻頂沉降、立柱沉降都隨著開挖的進行而增大。當開挖較淺時，沉降增長較慢；當開挖較深時，沉降增長較快。（3）監測點所處位置對沉降有一定影響。喇叭口處沉降值比其他監測點小，這主要是因為喇叭口段的基坑寬度較小，施工耗時較少，所以，地表沉降和墻頂隆起小。施工中斷會造成沉降增大，施工時應盡量縮短施工時間，連續作業，避免沉降過大。（4）“地下連續墻+支撐”可作為異形深基坑的支護形式，能夠滿足對變形控制的要求。