北京軌道交通指揮中心二期基坑工程地表變形影響分析

高 芬，崔江余

(北京交通大學，北京 100044)

北京軌道交通指揮中心二期基坑工程地表變形影響分析

高 芬，崔江余

(北京交通大學，北京 100044)

深基坑在開挖過程中易引起周邊地表的變形，因基坑開挖施工周期長且周邊環境復雜，對周邊地表沉降變形監測及控制則顯得至關重要。結合北京市軌道交通指揮中心二期基坑工程地表沉降控制的實踐經驗，運用ANSYS軟件，建立三維數值分析計算模型，并與實測數據進行了對比分析，兩者基本吻合。

基坑工程;地表變形;監測;沉降;計算分析

0 引言

基坑工程是一個古老而且有時代特點的巖土工程課題。在20世紀30年代，Terzaghi等人已開始研究基坑工程問題，在以后的時間里世界各國的學者也都紛紛投入了這方面的研究，并在這一領域取得了豐碩的成果。我國的基坑工程研究始于20世紀80年代初，到90年代，大多數城市進入大規模的舊城改造階段，在控制基坑變形和周圍環境效應等方面，出現了許多技術先進、成功的工程實例。但是由于基坑工程的復雜性、土力學定量的不確定性及設計、施工的不當，工程事故時有發生。深基坑開挖引起周圍地表土沉陷變形的問題越來越受到人們的重視。地表沉降將引起鄰近的建筑物、電纜及地下管道的破壞，造成巨大的損失。因此，對基坑周圍的土體位移變形必須進行預測、控制，確保基坑工程及周邊環境的安全。

1 地表產生變形的主要原因

1.1 圍護結構變形

隨著基坑圍護結構的形成及基坑內土體挖除，支護結構在背側土壓力及支撐軸力作用下產生變形，從而導致墻背土體產生位移，引起地表變形。

1.2 降水引起的地層固結沉降

在深基坑開挖過程中大多需要進行人工降水。根據有效應力原理:因基坑不斷抽水，孔隙水壓力不斷消散，總應力保持不變，有效應力增加，土層在新增的有效應力作用下產生新的固結壓縮變形，從而引起地面沉降和水平位移。

1.3 基坑坑底隆起變形

引起坑底隆起變形的因素主要有以下幾個方面:隨著坑內土體的挖除，坑底土的自重應力漸漸釋放，產生向上回彈，土體松弛和蠕變，基底隆起;坑內卸載，使圍護結構產生向內的位移，在坑底的范圍內，向基坑方向擠壓土體，造成基底隆起;由于施工管理的不善、基坑開挖以后擱置的時間過長、降雨等原因造成了作業面大量積水，土體吸水膨脹(尤其是軟粘土、粘性土和膨脹性土)，引起基底隆起，并由此導致或加劇基坑周圍地表的沉降。

2 工程概況

北京市軌道交通指揮中心二期基坑工程位于北京市朝陽區小營北路6號，北四環以北，中華女子學院北路以南，關莊西路和關莊東路之間，東臨鼎成西路，西臨育慧北路，北側為小營北路，西側、北側較遠處為現況建筑。新建二期工程包括辦公樓、裙房和地下車庫，基坑南側緊鄰北京市軌道交通指揮中心一期建筑。工程所在區域基坑呈L形，東西方向長度為204 m，寬度為65 m，南北方向長度為128 m，寬度為51 m，開挖深度為13.25～14.15 m。

基坑支護采用樁錨+土釘墻支護，自原地面至－5 m為1∶0.3土釘墻支護，其下為樁錨支護。樁錨圍護結構采用800@1500 mm鉆孔灌注樁，支護樁樁長13.6 m，豎向設置2層錨桿，第1層錨桿水平間距3.0 m(在基坑南側為1.5 m)，第2層錨桿水平間距1.5 m。基坑支護典型斷面參見圖1。

3 周邊道路、地表沉降監測

3.1 監測點的布置

周邊道路、地表沉降監測點布置在基坑中部和其他有代表性的部位，監測面應與基坑邊垂直，數量視具體情況確定。每個監測剖面上的監測點數量≮5個。該基坑共布置45個地表沉降監測點，其布置情況參見圖2。

3.2 測點埋設及技術要求

3.2.1 測點埋設方法

基準點與工作基點與建筑物沉降監測點共用。為保護測點不受碾壓影響，地表沉降測點標志采用窖井測點形式，采用人工開挖或鉆具成孔的方式進行埋設。

圖2 地表沉降監測點布置平面圖

3.2.2 埋設技術要求

地表沉降監測測點應埋設平整，防止由于高低不平影響人員及車輛通行，同時，測點埋設穩固，做好清晰標記，方便保存。

3.3 觀測頻率和周期

二期工程為一級基坑工程，監測期從基坑施工前開始，直至工程完成為止。如果出現異常情況，視情況增加監測次數。觀測頻率視監測斷面距開挖面的距離和沉降速度而定，正常情況下按基坑開始施工后1次/天，施工至主體結構到正負零，經數據分析確認達到基本穩定后1次/月的頻率進行監測。當出現較大的絕對沉降或不均勻沉降時加大監測頻率。

此外，當地表、道路監測點的沉降速率＞3 mm/天，監測頻率應改為1次/天。每個監測對象的監測周期分為3個階段:施工前期，施工期和穩定期，施工前期是指監測點附近的車站或區間尚未施工的時間，該階段只需對監測點施測一次，取得各監測點的初始測量值;施工期指監測點臨近車站或區間施工開始到施工結束為止;穩定期是指土建施工結束后的繼續跟蹤監測階段，一般一個月或2個月觀測一次，直至最后3個觀測周期的變形量小于觀測精度為止。

3.4 監測控制標準及信息反饋、報警

監測控制標準是為了確保監測對象的安全而設置的最大允許變形值，當監測點的變形值達到控制標準的70%時應提出預警，當監測點的變形值達到或超過控制標準時應及時向有關部門報警。根據“北京市軌道交通指揮中心二期工程總說明(2010年12月)”、《建筑基坑工程監測技術規范》(GB 50497－2009)及安全評估報告工程經驗，地表沉降監測控制值取30 mm(累積值)。

4 地表變形影響分析

4.1 計算模型

在進行新建基坑施工模擬時采用了基于有限元的ANSYS軟件，建立“地層－結構”模型，計算新建基坑施工引起周邊地表的變形，相對位置關系的三維模型見圖3;其中土層、既有建筑物結構、新建基坑圍護結構均采用實體單元，不同的土層采用不同的材料參數模擬，土體采用摩爾－庫侖彈塑性本構模型，既有建筑物結構、新建基坑圍護結構采用線彈性本構模型，土釘、錨桿采用桿單元。邊界條件選取時除了頂面取為自由邊界，其他5個面均采取法向約束。計算荷載考慮既有建筑物結構自重、建筑物使用荷載、土體豎向自重力等，地表均布超載取20 kPa。

圖3 相對位置關系三維模型圖

4.2 計算參數

本范圍內土層分布主要以填土、粉質粘土、砂質粘土、砂質粉土、細砂～中砂、粘質粉土～粉質粘土為主，因此計算中土層可簡化為上述6層，考慮上述土層間夾有粉土、粉質粘土，以及綜合其它不利因素，根據勘察報告中提供的參數做出一定的調整，具體計算參數參見表1。

表1 土層參數表

4.3 計算工序

結合設計施工組織和錨桿位置，本次模擬計算采用6步工序，如表2所示。

4.4 變形分析

選取地表的典型位置(見圖4)，對基坑施工引

表2 模擬工序

起的周邊地表沉降變形進行分析，隨著測點離基坑距離的變化，地表沉降曲線如圖5所示，地表沉降的最大值約為25 mm，發生在基坑圍護樁后約2 m的位置。

圖4 典型地表沉降曲線選取位置圖

圖5 典型地表沉降曲線

4.5 實際監測成果統計分析

選取典型地表位置附近的測點，測點位置對應監測點編號為DB5、DB14、DB15、DB6、DB16，對監測數據進行統計分析，繪出其時程變化的曲線圖(圖6)。

根據監測數據，基坑南側沉降較大，累積變形最大的點為DB14，變形值為－59.2 mm。

5 結語

(1)從計算模型分析看，沉降值隨著測點與基坑距離的增加而呈減小趨勢。在距離基坑16 m時，沉降值約為－4 mm，影響較小。地表沉降最大值約為25 mm，發生在基坑維護樁后約2 m位置。

圖6 地表沉降測點時程變化曲線圖

(2)從實測數據統計分析看，大部分測點沉降值在30 mm以內，與計算模型基本吻合，只有基坑南側DB14測點沉降值較大，為59.2 mm。主要原因為施工過程中土釘墻坡腳涌水、涌沙，導致上方地表發生沉降。

［1］JGJ 8－2007，建筑變形測量規范［S］.

［2］陸健.基坑開挖引起地表變形的原因分析［J］.科技信息，2009，(36).

［3］于來法.地下鐵道建設的第三方環境變形監測［J］.測繪通報，2004，(11).

［4］李小青，王朋團，張劍.軟土基坑周圍地表沉陷變形計算分析［J］.巖土力學，2007，28(9).

［5］謝偉文，方門福.深圳地鐵第三方變形監測的技術方法［J］.城市勘測，2007，(3).

［6］俞建霖，龔曉南.基坑工程變形性狀研究［J］.土木工程學報，2002，35(4).

Analysis on Surface Deformation of Foundation-pit Engineering of Beijing Urban Rail Transit Control Center

GAO Fen，CUI Jiang-yu(Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

Deep foundation in the excavation process can lead to the deformation of surrounding surface.Because of the long excavation cycle and complex surrounding environment，it is important to monitor and control the deformation of surrounding surface subsidence.In this paper，combining the practice experience of surface subsidence control in the second stage of excavation project of Beijing urban rail transit control center，three-dimensional numerical analysis calculation model was established with ANSYS software.The calculation results tally basically with the measured data.

excavation project;surface deformation;monitoring;settlement;calculation analysis

TU473.2

A

1672－7428(2012)03－0069－03

2011－09－23;

2012－02－09

高芬(1990－)，女(漢族)，山東人，北京交通大學碩士研究生在讀，巖土工程專業，北京交通大學學苑公寓6號樓2008室，10121185@bjtu.edu.cn。