广州轨道交通建设监理有限公司
摘要：针对佛山地铁二号线湖涌站车站开挖施工期间，基坑外周边地面发生大范围的地面沉降的情况，进行了原因分析，并根据原因分析的结果，对后续施工进行总结，对类似工程提供相关参考。
关键词：基坑 基坑开挖 地表沉降 plaxis
1 工程概况
1.1车站总体概况
湖涌站为一般中间站。车站位于季华一路与紫洞大道东北象限地块内，沿澳边涌北侧10m绿化带外东西向敷设。车站两端接盾构区间，小里程端为盾构始发井，大里程端为盾构调出井。车站总长度219.5m。湖涌站为地下两层单柱双跨结构（局部为双柱三跨），共设置A、B两个出入口，1号和2号两组风亭及一个紧急疏散通道。车站主体基坑深约16.9m～18.5m，基坑宽约19.7m~26 m，车站主体围护结构采用地下连续墙。地下连续墙厚度取为800mm，钢筋砼连续墙插入深度35.97m—38.34m，与主体结构形成复合式结构。
1.2工程地质条件
1.2.1地形地貌
站址处以前地势低洼，为大面积水塘，受人工堆填改造后，现地表地形平坦，分布着大面积库房，地面标高3.2～3.6m。车站南侧紧邻澳边涌，河底标高-0.1～-1m，水深平时约1m。
1.2.2地层岩性
围护结构穿透的主要土层如下：<1-1>素填土；<2-1B>淤泥质黏性土、〈2-2、2-5〉淤泥质粉土（砂）>；<3-1>粉砂、〈3-2〉中砂、<3-3>砾砂、<3-4>圆砾；<7-1>强风化泥岩、粉砂质泥岩岩、<7-2>强风化砂岩、泥质砂岩。
图1 湖涌站地质断面图
1.3工程水文条件
1.3.1地表水
紧邻车站基坑南侧发育有澳边涌，涌内常年有水，水流缓慢，水量丰富，水深平时约1.0m，遇外江（北江）涨潮时水面会有0.2～0.4m涨幅。由于河涌采用全混凝土外包结构，因此不会对基坑周边产生水位补给影响。
1.3.2地下水
站址地下水存在第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。
第四系松散岩类孔隙水：主要赋存于第四系人工填土、粉土、砂土和圆砾层中，水量丰富，水位季节性动态变化不大，据钻孔观测，稳定水位埋深0.9～2.2m（标高0.38～1.99m）。因淤泥质土、淤泥质粉土（粉砂）层透水性微～弱，在砂、砾石层上部形成了相对隔水层，故下部砂、砾石层中的地下水具有承压性，根据观测，砂砾石层中地下水承压水头高度也一般低于地表1～2m（标高约0.5～1.8m）。
2 监测情况
2.1 监测点布置情况
现场监测是保证信息化施工的重要手段，通过监测数据的反馈，及时采取处理措施，优化设计方案，变更施工方法。为确保基坑施工顺利进行和基坑周围建筑物、地下管线的安全，在湖涌站基坑南北方向两侧对称布设13个监测断面，基坑东西方向两侧对称布设1个监测断面。主监测断面为5个，主监测断面每侧每排有监测点11个，其中地表沉降监测点有6个。其他监测断面地表沉降监测点为4个。距离基坑最近的地表沉降监测点为2m，最远为30m。
2.2 地表沉降监测情况
在基坑开挖阶段，湖涌站周边地表出现了较大范围的地表沉降，沉降最大值达到了30cm，普遍沉降达到了约20cm。
基坑标准段南侧方向的监测断面地表沉降监测数据反馈如下表所示。第4监测断面南侧地表沉降累计最大值为DBC-04-07：-239.89mm，监测点位位于基坑北侧15m处。
图2 湖涌站深基坑4监测断面沉降监测数据图
3 原因分析
3.1 深基坑周边地表沉降影响因素
3.1.1 深基坑围护结构变形
众所周知，基坑围护结构的水平位移对基坑周边的地表沉降有较大的影响，围护结构水平位移位移越大对应坑外地表沉降也越大。本工程地连墙采用800mm厚地下连续墙，根据监测结果显示，地下连续墙最大水平位移量为25mm，位置为底板位置。
根据王卫东等人及王保健等人关于基坑围护结构变形对地表沉降的影响的调查及研究中表明，基坑围护结构弓形变形导致的地表最大沉降量一般为围护结构最大位移量的0.5-2.0倍。
3.1.2 基底的回弹和隆起
基底的回弹和隆起是指基坑开挖完成后，基底土体由于开挖后的卸载引起的回弹量和基坑周围土体在自重作用下使坑底土向上隆起。基底的回弹对基坑外侧地表沉降不会产生影响，但是基底的隆起对基坑安全和基坑外侧地表沉降有着较大的关系。湖涌站基坑地下连续墙插入7-2强风化砂岩1.5m，理论上已隔断了基坑内外软弱地层的移动。所以湖涌站地表沉降过大的原因与基底的回弹和隆起无直接联系。
3.1.3 降水引起的墙外地层固结沉降
深基坑工程中支护与降水是保证基坑稳定的最主要的工作内容，尤其是在地下水埋深较浅地区开挖基坑，基坑降水必不可少，降水成为基坑工程的重要组成部分。深基坑降水过程中，伴随土体孔隙中的水大量排出，孔隙水应力的消散，土体的有效应力增加，导致土体固结，地层被压缩，宏观上反映为地面沉降或变形。湖涌站地连墙设计为入岩1.5m，在不考虑接缝渗漏和地连墙墙底绕流的情况下，基坑完全处于封闭状态，基坑内地下水已断流。基坑内的降水不会导致外部水位的变化，因此理论上也不会造成基坑外土体发生固结沉降。
3.1.4 重载车辆与重型机具的来回碾压
基坑开挖过程中，由于开挖设备及运输车辆的移动，对基坑周边形成了一定的附加荷载。由于开挖设备及运输车辆重量较大，围护结构的水平位移将受到较大影响。
为了的得到较为准确的数值，采用Plaxis进行沉降模拟分析。根据现场实际监测结果，采用基坑周边荷载为30KN/㎡，围护结构变形为弓形变形，最大变形量为25mm。分析结果如下图所示。
图3 围护结构变形及地面荷载引起地表沉降plaxis分析图
根据软件计算结果显示，因围护结构变形和基坑周边荷载导致的地表最大沉降量为19.38mm。
3.2湖涌站地表沉降原因分析
根据上述影响因素进行汇总，正常情况下，上述因素不会导致湖涌站地表出现大面积沉降，且最大沉降值接近30cm。在进行湖涌站地表沉降过大原因分析过程中发现湖涌站降水井抽水量存在异常情况，在降水施工进行了约一个月后，坑内疏干井及减压井日抽水量仍在1000m3左右，因此判断地下连续墙可能存在缺陷，导致基坑内外地下水连通。由于湖涌站地下连续墙深度较大，深度最深的连续墙达到了40m，在开挖过程中，负二层地连墙接缝仅出现了少量的渗漏水，因此大的渗漏点应该出现在底板以下区域的地层中。
根据坑外水位监测结果显示，基坑外最大水位变化为2.5m。本工程在制定基坑监测方案时，考虑到降水水位控制在底板下1m，因此水位监测管埋设深度控制在底板下2m，而管底区域刚好为2-5淤泥质粉细砂层弱透水层，只能测量到该区域潜水水位的变化情况，而不能监测到下部微承压水水位变化情况。
因此，导致湖涌站地表沉降过大的主要原因是3-1和3-4微承压水层水位下降引起的土体固结沉降。
若以地下水位变化2.5m的情况为前提，采用软件进行分析，地表的沉降量约为5cm，加上因围护结构变形和基坑周边荷载导致的地表最大沉降量，累计沉降量为69.38mm，这与湖涌站实际地表沉降量有较大的差距。
根据上述分析结果，重新采用plaxis进行沉降模拟分析，在地面以下29m处的地连墙设置渗漏缺陷点，基坑内抽水导致坑内水位下降，与基坑外存在水位差，基坑外地下水通过地连墙渗漏点向基坑内补给，导致基坑外潜水位最大下降2.5m。以此条件建模进行沉降分析结果如下：
综上模拟分析与实际对比结果可得，造成湖涌站地表沉降量较大的主要因素有以下三点：
、在湖涌站基坑开挖及降水施工期间，坑内水位抽排下降至底板1m以下，且在保持水位基本稳定后，日抽水量扔有1000m2/d左右。经分析判断为基坑外微承压水通过底板以下部位的地连墙缺陷渗漏处，对基坑内地下水进行补给，导致3-1和3-4微承压水水位下降。因3-1和3-4上部土层为2-5淤泥质粉细砂层弱透水层，对下部渗漏失水的补给能力较弱，渗漏处地下水大部分只能通过微承压水层进行水平补给，导致渗漏点至上部2-5淤泥质粉细砂层间的局部土层孔隙水压力减小，有效应力增加，土体失水固结，在3-1土层形成局部沉降漏斗。随着基坑的开挖及降水施工持续进行，3-1处沉降漏斗经上部土层传递至地表，造成基坑周边地表大面积沉降。
在湖涌站基坑开挖及降水施工期间，基坑外微承压水通过地连墙渗漏处对坑内失水进行补给，导致坑外微承压水水头损失，使其对上部潜水压力下降，地下水位下降2.5m。地下水水位下降，使上部2.5m厚度范围内土体孔隙水压力减小，有效应力增加，土体失水固结压缩，导致基坑周边的地表沉降。
、湖涌站基坑周边主要对应的地层为<1-1>、<1-2>层填土层，两层土厚薄不一，合计厚度基本在1-4.2m之间，<2-1B>层淤泥质土为高压缩性土，埋深在1.9~8.1m左右，<2-2、2-5>淤泥质粉土（砂）层，埋深在3.5～25.65m左右。基坑周边土层都较为软弱，在基坑开挖过程中，由于开挖设备及运输车辆的来回移动，对基坑周边形成了一定的附加荷载。开挖设备及运输车辆重量较大，在地面附加荷载作用下，使土体对围护结构产生侧向应力，以及基坑内土体开挖坑内卸载后未能及时架设内支撑，两个侧向应力叠加同时作用于围护结构，使围护结构产生弓形变形，导致基坑周边地表产生沉降。
4 经验及总结
1、在围护结构地下连续墙施工期间，严格控制连续墙施工质量。连续墙接缝处理采用H型钢接头时，应在H型钢两侧设置止浆铁皮及等边角钢，对H型钢外侧超挖部分进行填充沙袋并压实处理，防止产生混凝土绕流，若发现存在混凝土绕流时，应及时处理。在后成槽侧H型钢处应进行重复刷壁处理，直至刷头无明显淤泥、土块，防止地连墙接缝存在夹泥现象。成槽完成后应对槽底的淤泥、渣土进行清底处理，并及时浇筑混凝土，防止因地连墙底部夹泥，未能达到入岩效果。严格控制地连墙施工质量，避免因地连墙存在缺陷，导致车站开挖及后续施工的渗漏及地表沉降等问题的发生。
2、基坑外水位监测孔应根据工程实际情况，布置数量足够的潜水水位监测孔及承压水水位监测孔，并对监测孔进行保护，保证水位监测数据真实有效，能及时反映基坑外承压水及潜水水位变化情况。
3、为避免基坑周边地表因坑外地下水位下降较大，造成基坑周边地表沉降较大的情况，应根据工程实际情况，适当设置坑外回灌井，保证在坑外地下水位的稳定性，维持基坑周边土体的空隙水压力，防止土体因地下水位下降较大而产生失水固结沉降。
4、在基坑开挖施工前，应根据工程实际情况，编制基坑土方开挖专项施工方案，并在施工时严格按照方案按顺序进行分层放坡开挖施工，开挖至设计支撑标高后，应及时架设支撑，防止基坑内土体卸载后基坑暴露时间过长，导致围护结构的弓形变形。
5、在基坑开挖施工期间，应合理的对施工场地进行规划布置，设置特定材料堆放区，严禁在基坑边堆放材料，重载运输车辆通道的设置应尽量远离基坑边，减小基坑周边的地面荷载。对必须在基坑边作业的重型设备，应在设备下铺垫钢板或方木，减小设备对基坑边产生的集中荷载。
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论文作者:刘坤,钟明材,陈龙文
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年1期
论文发表时间:2019/5/9
标签：基坑论文; 地表论文; 水位论文; 结构论文; 淤泥论文; 荷载论文; 断面论文; 《建筑学研究前沿》2019年1期论文;