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(xué)，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(xué)，北京 100044)

深基坑在開挖過(guò)程中易引起周邊地表的變形，因基坑開挖施工周期長(zhǎng)且周邊環(huán)境復(fù)雜，對(duì)周邊地表沉降變形監(jiān)測(cè)及控制則顯得至關(guān)重要。結(jié)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用ANSYS軟件，建立三維數(shù)值分析計(jì)算模型，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，兩者基本吻合。

基坑工程;地表變形;監(jiān)測(cè);沉降;計(jì)算分析

0 引言

基坑工程是一個(gè)古老而且有時(shí)代特點(diǎn)的巖土工程課題。在20世紀(jì)30年代，Terzaghi等人已開始研究基坑工程問(wèn)題，在以后的時(shí)間里世界各國(guó)的學(xué)者也都紛紛投入了這方面的研究，并在這一領(lǐng)域取得了豐碩的成果。我國(guó)的基坑工程研究始于20世紀(jì)80年代初，到90年代，大多數(shù)城市進(jìn)入大規(guī)模的舊城改造階段，在控制基坑變形和周圍環(huán)境效應(yīng)等方面，出現(xiàn)了許多技術(shù)先進(jìn)、成功的工程實(shí)例。但是由于基坑工程的復(fù)雜性、土力學(xué)定量的不確定性及設(shè)計(jì)、施工的不當(dāng)，工程事故時(shí)有發(fā)生。深基坑開挖引起周圍地表土沉陷變形的問(wèn)題越來(lái)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(duì)基坑周圍的土體位移變形必須進(jìn)行預(yù)測(cè)、控制，確保基坑工程及周邊環(huán)境的安全。

1 地表產(chǎn)生變形的主要原因

1.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形

隨著基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的形成及基坑內(nèi)土體挖除，支護(hù)結(jié)構(gòu)在背側(cè)土壓力及支撐軸力作用下產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致墻背土體產(chǎn)生位移，引起地表變形。

1.2 降水引起的地層固結(jié)沉降

在深基坑開挖過(guò)程中大多需要進(jìn)行人工降水。根據(jù)有效應(yīng)力原理:因基坑不斷抽水，孔隙水壓力不斷消散，總應(yīng)力保持不變，有效應(yīng)力增加，土層在新增的有效應(yīng)力作用下產(chǎn)生新的固結(jié)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(gè)方面:隨著坑內(nèi)土體的挖除，坑底土的自重應(yīng)力漸漸釋放，產(chǎn)生向上回彈，土體松弛和蠕變，基底隆起;坑內(nèi)卸載，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向內(nèi)的位移，在坑底的范圍內(nèi)，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(shí)間過(guò)長(zhǎng)、降雨等原因造成了作業(yè)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(dǎo)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(yáng)區(qū)小營(yíng)北路6號(hào)，北四環(huán)以北，中華女子學(xué)院北路以南，關(guān)莊西路和關(guān)莊東路之間，東臨鼎成西路，西臨育慧北路，北側(cè)為小營(yíng)北路，西側(cè)、北側(cè)較遠(yuǎn)處為現(xiàn)況建筑。新建二期工程包括辦公樓、裙房和地下車庫(kù)，基坑南側(cè)緊鄰北京市軌道交通指揮中心一期建筑。工程所在區(qū)域基坑呈L形，東西方向長(zhǎng)度為204 m，寬度為65 m，南北方向長(zhǎng)度為128 m，寬度為51 m，開挖深度為13.25～14.15 m。

基坑支護(hù)采用樁錨+土釘墻支護(hù)，自原地面至－5 m為1∶0.3土釘墻支護(hù)，其下為樁錨支護(hù)。樁錨圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800@1500 mm鉆孔灌注樁，支護(hù)樁樁長(zhǎng)13.6 m，豎向設(shè)置2層錨桿，第1層錨桿水平間距3.0 m(在基坑南側(cè)為1.5 m)，第2層錨桿水平間距1.5 m?；又ёo(hù)典型斷面參見圖1。

3 周邊道路、地表沉降監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置

周邊道路、地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在基坑中部和其他有代表性的部位，監(jiān)測(cè)面應(yīng)與基坑邊垂直，數(shù)量視具體情況確定。每個(gè)監(jiān)測(cè)剖面上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量≮5個(gè)。該基坑共布置45個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其布置情況參見圖2。

3.2 測(cè)點(diǎn)埋設(shè)及技術(shù)要求

3.2.1 測(cè)點(diǎn)埋設(shè)方法

基準(zhǔn)點(diǎn)與工作基點(diǎn)與建筑物沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)共用。為保護(hù)測(cè)點(diǎn)不受碾壓影響，地表沉降測(cè)點(diǎn)標(biāo)志采用窖井測(cè)點(diǎn)形式，采用人工開挖或鉆具成孔的方式進(jìn)行埋設(shè)。

圖2 地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置平面圖

3.2.2 埋設(shè)技術(shù)要求

地表沉降監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)埋設(shè)平整，防止由于高低不平影響人員及車輛通行，同時(shí)，測(cè)點(diǎn)埋設(shè)穩(wěn)固，做好清晰標(biāo)記，方便保存。

3.3 觀測(cè)頻率和周期

二期工程為一級(jí)基坑工程，監(jiān)測(cè)期從基坑施工前開始，直至工程完成為止。如果出現(xiàn)異常情況，視情況增加監(jiān)測(cè)次數(shù)。觀測(cè)頻率視監(jiān)測(cè)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(jié)構(gòu)到正負(fù)零，經(jīng)數(shù)據(jù)分析確認(rèn)達(dá)到基本穩(wěn)定后1次/月的頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)出現(xiàn)較大的絕對(duì)沉降或不均勻沉降時(shí)加大監(jiān)測(cè)頻率。

此外，當(dāng)?shù)乇?、道路監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降速率＞3 mm/天，監(jiān)測(cè)頻率應(yīng)改為1次/天。每個(gè)監(jiān)測(cè)對(duì)象的監(jiān)測(cè)周期分為3個(gè)階段:施工前期，施工期和穩(wěn)定期，施工前期是指監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近的車站或區(qū)間尚未施工的時(shí)間，該階段只需對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)施測(cè)一次，取得各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的初始測(cè)量值;施工期指監(jiān)測(cè)點(diǎn)臨近車站或區(qū)間施工開始到施工結(jié)束為止;穩(wěn)定期是指土建施工結(jié)束后的繼續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)階段，一般一個(gè)月或2個(gè)月觀測(cè)一次，直至最后3個(gè)觀測(cè)周期的變形量小于觀測(cè)精度為止。

3.4 監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)及信息反饋、報(bào)警

監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)是為了確保監(jiān)測(cè)對(duì)象的安全而設(shè)置的最大允許變形值，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形值達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)的70%時(shí)應(yīng)提出預(yù)警，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形值達(dá)到或超過(guò)控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)及時(shí)向有關(guān)部門報(bào)警。根據(jù)“北京市軌道交通指揮中心二期工程總說(shuō)明(2010年12月)”、《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB 50497－2009)及安全評(píng)估報(bào)告工程經(jīng)驗(yàn)，地表沉降監(jiān)測(cè)控制值取30 mm(累積值)。

4 地表變形影響分析

4.1 計(jì)算模型

在進(jìn)行新建基坑施工模擬時(shí)采用了基于有限元的ANSYS軟件，建立“地層－結(jié)構(gòu)”模型，計(jì)算新建基坑施工引起周邊地表的變形，相對(duì)位置關(guān)系的三維模型見圖3;其中土層、既有建筑物結(jié)構(gòu)、新建基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元，不同的土層采用不同的材料參數(shù)模擬，土體采用摩爾－庫(kù)侖彈塑性本構(gòu)模型，既有建筑物結(jié)構(gòu)、新建基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型，土釘、錨桿采用桿單元。邊界條件選取時(shí)除了頂面取為自由邊界，其他5個(gè)面均采取法向約束。計(jì)算荷載考慮既有建筑物結(jié)構(gòu)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(duì)位置關(guān)系三維模型圖

4.2 計(jì)算參數(shù)

本范圍內(nèi)土層分布主要以填土、粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘土、砂質(zhì)粉土、細(xì)砂～中砂、粘質(zhì)粉土～粉質(zhì)粘土為主，因此計(jì)算中土層可簡(jiǎn)化為上述6層，考慮上述土層間夾有粉土、粉質(zhì)粘土，以及綜合其它不利因素，根據(jù)勘察報(bào)告中提供的參數(shù)做出一定的調(diào)整，具體計(jì)算參數(shù)參見表1。

表1 土層參數(shù)表

4.3 計(jì)算工序

結(jié)合設(shè)計(jì)施工組織和錨桿位置，本次模擬計(jì)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(duì)基坑施工引

表2 模擬工序

起的周邊地表沉降變形進(jìn)行分析，隨著測(cè)點(diǎn)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(fā)生在基坑圍護(hù)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(shí)際監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)分析

選取典型地表位置附近的測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)為DB5、DB14、DB15、DB6、DB16，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，繪出其時(shí)程變化的曲線圖(圖6)。

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，基坑南側(cè)沉降較大，累積變形最大的點(diǎn)為DB14，變形值為－59.2 mm。

5 結(jié)語(yǔ)

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

圖6 地表沉降測(cè)點(diǎn)時(shí)程變化曲線圖

(2)從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析看，大部分測(cè)點(diǎn)沉降值在30 mm以內(nèi)，與計(jì)算模型基本吻合，只有基坑南側(cè)DB14測(cè)點(diǎn)沉降值較大，為59.2 mm。主要原因?yàn)槭┕み^(guò)程中土釘墻坡腳涌水、涌沙，導(dǎo)致上方地表發(fā)生沉降。

［1］JGJ 8－2007，建筑變形測(cè)量規(guī)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(lái)法.地下鐵道建設(shè)的第三方環(huán)境變形監(jiān)測(cè)［J］.測(cè)繪通報(bào)，2004，(11).

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

［5］謝偉文，方門福.深圳地鐵第三方變形監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法［J］.城市勘測(cè)，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(xué)報(bào)，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(xué)碩士研究生在讀，巖土工程專業(yè)，北京交通大學(xué)學(xué)苑公寓6號(hào)樓2008室，10121185@bjtu.edu.cn。