地鐵車站深基坑施工對周邊環境的影響研究

摘要：依托地鐵車站深基坑開挖項目，采用地下連續墻+水平支撐的支護結構，通過現場監測和數值模擬手段，分析地下連續墻的水平位移沿深度分布規律、周邊地表沉降變化特征及主要影響因素。研究結果表明：基坑開挖過程中，地下連續墻墻頂水平位移最大變化速率為0.46m/d，最大墻頂位移達到5.2mm，均未超過監測項目預警值。隨著基坑開挖深度的增加，墻體水平位移峰值逐漸增大，且墻體水平位移峰值對應的埋深深度逐漸增加。隨著嵌固深度的增加，同一位置處地表沉降逐漸下降，當嵌固深度超過22m后，各工況下地表沉降峰值差異不大；當地下連續墻嵌固深度小于22m時，增加嵌固深度能顯著改善周邊地表沉降變形峰值。

關鍵詞：深基坑開挖；既有建筑；地表沉降；數值模擬

0" "引言

隨著我國城市進程的不斷加快，在既有建筑物鄰近的深基坑開挖項目越來越多。而深基坑開挖不可避免地對鄰近建筑物造成影響，威脅既有建筑物的安全，針對于此許多國內眾多研究人員展開了一系列研究。

黃林江等[1]依托南山智谷大廈項目基坑開挖項目，通過三維巖土工程軟件分析了不同工況下基坑臨近側地鐵鋼軌及地鐵隧道結構變形，并根據仿真計算結果，分析了施工過程中的不利工況。任夢如等[2]依托上海某項目基坑工程開展了現場監測，分析了基坑土方開挖和結構回筑階段引起的周邊地面沉降、臨近建筑物沉降以及基坑圍護結構本身的側向位移變形規律。劉林貴等[3]以某軟土地區地鐵車站深基坑工程為例，對軟土地區地鐵車站深基坑鄰近建筑物環境風險控制措施進行闡述，并通過監測數據驗證了所采取的風險控制措施的合理可靠性。

張月清等[4]依托某深基坑支護案例，將復合土釘技術應用于復雜地質條件下基坑支護中，從方案選擇、施工工藝及要點、基坑監測及施工質量控制3方面入手，系統介紹復合土釘技術在該項目中的應用要點。何少瓊等[5]基于有限差分法，通過FLAC三維有限元軟件建立了軟土深基坑數值仿真模型，分析了基坑開挖引起的變形，并提出了設置隔離樁及施作地下連續墻作為支護結構的優化方案。

本文依托長春市城市軌道交通7號線一期工程會展大街站深基坑開挖項目，通過布測監測點分析了地連墻變形和地表沉降規律，利用數值軟件研究了地連墻嵌固深度的影響。

1" "工程概況

1.1" "工程基本狀況

長春市城市軌道交通7號線一期工程會展大街站深基坑開挖項目采用明挖法施工，基坑最大深度為18.89m，寬度24.6m，土方開挖量約為21.5萬m3。車站為地下兩層結構，根據工程特點，選用地下連續墻結合內支撐作為基坑支護結構，內支撐由一道混凝土內支撐和四道鋼支撐構成。地下連續墻嵌固深度為19m，厚度為0.8m，混凝土支撐截面尺寸為1000mm×800mm，鋼支撐材料選用Ф800×16的鋼管。

該地鐵車站地處城市商圈，周邊分布有多個住宅小區和一個商業群樓，最小水平間距僅為19m，基于此，需要對周邊環境受基坑開挖的影響進行研究和分析。

1.2" "工程地質條件

地勘報告顯示，該地鐵車站項目土層由上至下依次為素填土、淤泥質粉質黏土、粉砂、粉質黏土和中風化灰巖，地層富水性較高，屬于軟土地基。各土層的物理力學參數如表1所示。

2" "現場監測分析

2.1" "地連墻墻頂位移

選取地下連續墻變形較大的兩個監測點數據進行分析。地下連續墻墻頂位移隨時間變化曲線如圖1所示。從圖1中可以看出，基坑施工過程中，地連墻墻頂水平側移總體呈增大趨勢。

具體來看，基坑開挖初期，由于土體的開挖，水平土壓力增大，地連墻墻頂水平側移迅速增大。隨著基坑繼續開挖，內支撐的架設提供了一定的水平抵抗力，地連墻墻頂水平側移增長速率逐漸放緩。當基坑開挖至坑底過程中，地連墻墻頂水平側移增速進一步降低，并逐漸趨于穩定。

基坑施工完成后，監測點1和監測點的地連墻墻頂水平側移最大值分別為5.2mm和4.8mm，明顯小于16mm預警值。而地連墻墻頂水平側移最大增長速率出現在第15d，約為0.46m/d，同樣小于預警值。

2.2" "地連墻水平位移

不同開挖深度下墻體水平位移沿深度分布情況如圖2所示。從圖2可以看出，當開挖深度較淺時，最大墻體出現在墻頂位置處，隨著深度增加墻體位移逐漸下降。當開挖深度超過6m后，隨著墻體埋深的增加，墻體位移呈現先增大后減小的變化規律，最大水平位移出現在墻體中上部位置處。

隨著開挖深度的增加，墻體水平位移峰值逐漸增大，且墻體水平位移峰值對應的埋深深度逐漸增加，由開挖6m工況對應的7m深度逐漸增加至開挖完成的16m深度。

開挖深度6m工況下，最大墻體水平位移為4.6mm；開挖深度12m工況下，墻體最大水平位移為10.1mm，較前者增加了119%；開挖至基坑底工況下，墻體最大水平位移達到了16.3mm，較前者增加了61.4%。

由此可見，隨著開挖深度的增加，墻體水平位移峰值與變形程度均顯著增加。因此在進行基坑開挖過程中，要嚴格遵守安全開挖原則，先撐后挖，分段開挖，嚴禁開挖，同時要對基坑開展監測，以保障基坑與鄰近建筑物的安全。

2.3" "地表沉降

基坑開挖過程中，不同開挖深度工況下周邊地表沉降如圖3所示。從圖3可以看出，隨著觀測點距基坑邊距離的增大，觀測點地表沉降總體呈先增大后減小趨勢。

具體來講，當觀測點距基坑邊1.5m范圍內，觀測點變形為隆起狀態，最大隆起位移約5mm。當觀測點距基坑邊1.5～6m時，觀測點變形轉變為沉降狀態，且地表沉降值急劇增大，在距基坑邊6m位置，地表沉降值達到峰值。當觀測點距基坑邊6～12m時，觀測點地表沉降值迅速減小。當觀測點距基坑邊超過12m后，觀測點地表沉降逐漸趨于穩定。

當基坑開挖到4m時，地表沉降最大值約為6.2m；當基坑開挖到8m時，地表沉降最大值明顯增大，約為13.8m；當基坑開挖到12m時，地表沉降最大值依據顯著增大，約為18.2m；當基坑開挖至坑底后，地表沉降最大值略微增大，僅為18.6m，與開挖到12m深度的鄰近地表沉降變形較為接近，由此表明，在接近基坑底部開挖對鄰近地表沉降變形影響較小，同時最大地表沉降滿足基坑周邊地表沉降不超過30mm的要求。

3" "有限元數值模擬

3.1" "模型建立

為進一步研究地鐵車站深基坑開挖對周邊環境的影響，通過有限元軟件建立尺寸為100m×100m×60m基坑模型。土體本構模型選擇修正的摩爾庫倫模型。

根據等效原則，采用集中荷載替代鄰近建筑物的作用，載荷大小為105kPa，作用寬度為15m。對模型進行網格劃分，共劃分出24513個節點、45613個單位，并對地連墻和土體接觸位置進行局部網格加密。

3.2" "設置假定條件

模型的邊界條件假定如下：模型表面設為徑向和法向自由；模型四周設為法向固定，徑向自由；模型底部設為徑向和法向固定。

在進行數值仿真模擬計算過程中，也采用了一系列假定：一是線彈性假定。即通過線彈性模型模擬材料，土層本構模型由摩爾-庫倫模型與線彈性模型組合構成。二是透水邊界假定。即假定道路軟土路基兩側即底部邊界條件為不透水邊界條件。三是土層均勻性與各項同性假定。即假定各土層材料為均勻的、各向同性的材料。四是自重位移清零假定。在模型分步計算之前，對模型自重應力進行了生成和計算，并將自重位移清零。

3.3" "有限元結果分析

不同地下連續墻嵌固深度工況下周邊地表的沉降如圖4所示。從圖4可以看出，相比于實測結果，同工況下數值模擬結果在數值和分布規律方面均較為接近，由此驗證本文建立的地鐵車站深基坑開挖數值仿真模型是合理有效的。

具體各工況下，隨著嵌固深度的增加，同一位置處地表沉降逐漸下降，但坑壁位置處地表隆起量增加。相比之下，當嵌固深度超過22m后，各工況下地表沉降峰值差異不大。當地下連續墻嵌固深度小于22m時，增加嵌固深度能顯著改善周邊地表沉降變形峰值。

嵌固深度16m工況下，地表沉降峰值為21.2mm；嵌固深度19m工況下，地表沉降峰值為18.7mm，較前者降低了11.8%；嵌固深度22m工況下，地表沉降峰值為15.8mm，較前者降低了15.5%。由此可見，地下連續墻嵌固深度存在一個“閾值”。當嵌固深度小于該閾值時，地下連續墻對基坑變形的限制作用發揮不充分，此時提升嵌固深度能有效改善基坑引起的地表沉降。而當地下連續墻嵌固深度超過該閾值時，地下連續墻對基坑變形的限制作用已接近發揮充分，此時增加嵌固深度對鄰近地表變形提升不大。

綜上分析可知，在實際工程中應合理設計地下連續墻支護結構的嵌固深度，既要達到改善基坑開挖引起的鄰近地表沉降變形的目的，也要考慮經濟性，避免材料浪費。在本項目中，地下連續墻嵌固深度設為22m左右較為合適。

4" "結束語

本文依托地鐵車站深基坑開挖項目，采用地下連續墻+水平支撐的支護結構，通過現場監測和數值模擬手段，分析地下連續墻的水平位移沿深度分布規律、周邊地表沉降變化特征及主要影響因素。得到如下結論：

隨著基坑開挖的進行，地下連續墻墻頂水平位移逐漸增加，但整體上增加速率逐漸下降，最大變化速率為0.46m/d，最大墻頂位移達到了5.2mm，均未超過監測項目預警值。

當開挖深度超過6m后，最大水平位移出現在墻體中上部位置處，隨著基坑開挖深度的增加，墻體水平位移峰值逐漸增大，且墻體水平位移峰值對應的埋深深度逐漸增加。

隨著嵌固深度的增加，同一位置處地表沉降逐漸下降，但坑壁位置處地表隆起量增加。相比之下，當嵌固深度超過22m后，各工況下地表沉降峰值差異不大，當地下連續墻嵌固深度小于22m時，增加嵌固深度能顯著改善周邊地表沉降變形峰值。

在實際工程中應合理設計地下連續墻支護結構的嵌固深度，既要達到改善基坑開挖引起的鄰近地表沉降變形的目的，也要考慮經濟性，避免材料浪費。

參考文獻

[1]" 黃林江，張瀚宇，曹獻華.基于有限元的基坑施工對周邊軌道設施影響分析[J].山西建筑，2024，50（9）：66-68.

[2]" 任夢如，張方，張嚴生.上海某深基坑工程周邊環境與圍護結構實測數據分析[J].上海建設科技，2024（2）：106-111.

[3]" 劉林貴，張君，謝鑫波.軟土地區地鐵車站深基坑鄰近建筑物環境風險控制措施研究[J].工程建設與設計，2024（7）：71-73.

[4]" 張月清，李澤，張慧東，等.復合土釘技術在復雜地質條件下基坑支護中的應用[J].中國建筑裝飾裝修，2024（6）：190-192.

[5]" 何少瓊，張兵，郭薇.基于有限差分法的臨近地鐵軟土深基坑變形分析[J].地質災害與環境保護，2024，35（1）：82-86.