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，本站共有3個出入口和1座風道，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始發井。車站建筑面積約9888.86m2，通道和獨立出入口的面積總和約為625.6m2，風亭風道的建筑面積約為4282.7m2，整個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

①將本層挖掘到第一道混凝土支撐底標高的位置，挖深約2m。

②用一臺挖土量為1.8m3的挖掘機加上一臺破碎錘，從基坑北側14軸封堵墻的位置沿基坑向南側25軸位置開挖，先破拆再挖掘，采取全斷面推進的方式，保證運土車能直接到達挖土點，從工地在蚌埠道上的大門直接進出。通過對現場的運距進行考量，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移任務[1]。

③底部標高30cm以上的土體可使用機械挖掘，30cm以下的土體建議使用人工進行挖掘，且要注意不能超挖，保證剛好挖掘到設計標準高的位置。同時，要使用抽水泵及時將坑底的降水和部分淤泥進行清理，確保整個槽底的平整干燥。

（2）挖掘屬于小里程含蓋挖段的Ⅱ區

①將本層挖掘到第一道混凝土支撐底標高的位置，挖深約2m。

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

③基本的挖掘步驟同I區保持一致：底部標高30cm以上的土體可使用機械挖掘，30cm以下的土體建議使用人工進行挖掘，且要注意不能超挖，保證剛好挖掘到設計標準高的位置。但在到達設計的標高以后，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后，可進行第一道混凝土的澆筑，在保證其強度達到設計強度的4/5后，再按照標準段剩余的3道鋼支撐分4層將剩余的土方進行挖掘，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。按照縱向分臺階和豎向分層的方式，每層土可看做一級臺階，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置長約9m的平臺，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的穩定性、較高的強度和剛度。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，且在挖掘土體時要及時清除[2]。

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

（3）對混凝土支撐進行整體施工作業，確保沒有施工縫隙殘留。

（4）在格構柱的頂端留出+0.3cm的標高，并將一塊規格為860mm×860mm×30mm的格構柱焊接在此處用于封頂板，完成此作業后在將豎向鋼立柱和混凝土支撐進行連接。以格構柱的頂端為中心，將規格為300mm×160mm×18mm的4塊肋板側板焊接在其四周。并將規格為210mm×160mm×18mm的12塊肋板平均焊接在肋板側板的每側，要保證垂直于格構柱的四周，將肋板側端和肋板側板進行焊接，將頂端和封頂板進行焊接。將9根長度為600mm的C25錨筋設置在封頂板上部，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沉降、瞬時沉降和由土體流變引發的次固結沉降三類。通常情況下，次固結沉降的表現在主固結完成后才會相對較為明顯，而且對于荷載作用時間方面的要求也相對比較長，遵照《地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規范》（GB50307-1999），式（1）可對因地下水下降而引起的土層附加荷載進行計算。

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

式（2）采用分層總和法，可對降水引起的地面附加的沉降量進行計算。

式（2）中：S-因降水使地面產生的總附加沉降量，m；φ-經驗的修正系數；Ui用來表示第i層土體的固結度；Si-第i層土體的附加沉降量，m；△Pi-第i層土體因降水產生的附加荷載，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）可用來計算土體的固結度。

畫出預估抽水運行120d后因降水引起的周邊沉降的等值線圖，按照計算出的沉降結果，若止水帷幕的封閉效果能達到預期的目的，則周邊環境的沉降預估值應在0.10～0.87mm之間。

3.2 解決方法

（1）有效利用基坑外圍的監測點，對坑外的水位變化和沉降量進行實時監測，若監測過程中發現沉降量達到或者接近報警值，要及時采取相應措施。

（2）在抽水的過程中要對水位的降深情況進行及時觀測，按照現場的實際情況對潛水和承壓水的水位進行合理控制，盡量在滿足基坑開挖要求的前提下，減小水位的降低幅度，從而控制降水對周邊環境產生的影響。

（3）對坑外地下水的水位進行實時監測，若監測過程中發現任何問題，均可采取緊急處理措施，對抽水井和抽水流量進行調整和控制，從而對降水運行和挖掘施工進行指導。

（4）對基坑挖掘過程中產生的水位資料和降水時的水位資料進行及時總結和整理，關于位移監測的資料必須及時有效，并結合施工的實際情況對資料和數據上出現的異常進行討論分析，若有必要可以繪制與之相關的圖表，從而對降水運行起到指導作用。

4 結束語

綜上所述，由工程降水引起地面沉降的機理是較硬的土層覆蓋在水位降深段內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算公式來計算變形量。但降水、基坑邊坡的支護、拉土車輛的荷載、路面震動等多種原因都會引起地面沉降，但后面幾個條件的影響相對較大，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，對施工安全造成影響。