摘要：在地铁盾构始发井深基坑施工过程中，容易发生最大地表沉降，给施工安全带来威胁。结合工程实例，本文在对地铁车站端头盾构井深基坑施工情况展开分析的基础上，对地表沉降趋势进行了监测分析，并采用FLAC（3D）分析软件建立了预测模型。通过分析可以发现，地表沉降最大值发生在距离基坑边缘8-10m位置，发生在拆支作业期间，还应提前采取防护措施。
关键词：地铁车站；端头盾构井；深基坑工程；地表沉降
引言：地铁车站多建设在城市中心地带，需要完成盾构井深基坑施工，涉及的施工因素较为复杂，一旦出现过大地表沉降变形将造成重大安全隐患。在加强基坑周围地表沉降监测的基础上，结合施工图纸、支护结构等影响因素，采用数值模拟方法进行地表沉降预测分析，能够为工程施工安全提供保障。
1工程概况
某地铁车站全长537m，安全等级为一级，基坑标准段宽21.7m，深度在20m左右，基底以全风化花岗岩为主。研究区位于盾构井端头，为盾构机始发井。为保证盾构施工安全，采用桩间距1.5m、桩径1.0m的C35排桩和内支撑。车站主体采用4道钢支撑加强竖向支护，端头采用截面800mm×800mm钢筋混凝土斜支撑。标准段采用断面800mm×1000mm钢筋C30混凝土支撑，保持6m水平间距，剩余3道支撑采用Q235钢管，直径609mm，壁厚16mm，保持3m水平间距，入土深度为27m。工程原始地貌为海相堆积地貌，总体地势平缓，自上而下土层依次为杂填土、黏性土、花岗岩，如表1所示。车站地下水为第四系砂层地下水和基岩裂隙水。
表 1 工程地质参数
2端头盾构井深基坑地表沉降分析
2.1施工情况
在工程施工阶段，采用明挖顺筑法进行盾构井深基坑施工，向对中间土体进行横向开挖，然后进行两侧开挖。在靠近围护结构位置进行1m土体预留，通过人工方式分4层开挖支护。在第1层开槽开挖时，需要达到冠梁底部高程，深度在0-2m范围，将基础整平后，进行混凝土支撑结构施工，凿除桩顶到圈梁底部高程位置后，完成斜撑钢筋安装，并进行混凝土浇筑[1]。第2层开挖深度为2-7m，第3层开挖深度为7-11m，分别达到各自支撑底0.5m位置，期间利用网喷加强支护，然后完成钢支撑安装。第4层开挖深度为11-16m，达到基坑底部垫层高位置，达到板承设计高程位置进行结构施工。最后40cm厚原状土层通过人工整平，避免基坑底部土层被扰动。
2.2沉降监测
由于工程基坑安全等级需要达到一级，侧壁重要性系数应取1.1。在施工过程中，需要保证周边地层稳定，避免环境受到过多影响。施工同时进行周边地层地表沉降监测，应确保最大沉降量不超过基坑深的0.15%，约30mm。在基坑内，共完成8个测点布设，位于盾构段3个，距离基坑0.6m、2.6m和8.3m，标准段3个，分别距离基坑1.4m、3.1m、6.1m。从沉降监测结果来看，盾构施工初期，基坑周边土层出现隆起现象，之后发生沉降，最大沉降发生在距离基坑1.4m位置，沉降值仅14.65mm。从总体来看，盾构端测点沉降值明显更大，与端头井斜撑受力复杂有关。在开挖至垫层20m位置，监测发现底部隆起，监测值不超1mm。随着开挖深度增加，地表沉降日渐明显。在完成第三道钢支撑拆除阶段，沉降出现小幅度波动，说明内支撑拆除对周边地层无过大影响。将中板支撑拆除后，沉降变化幅度明显，最大沉降值出现在2.6m位置，说明需要采取必要防范措施。在拆支过程中，距离基坑8.3m位置出现了最大沉降，与周围存在混凝土结构地下通道有关，在应力集中的情况下，施工将导致周围地层受到较大扰动。为加强对盾构井深基坑开挖和拆支阶段地表沉降趋势预测，还要根据已有监测数据建立分析模型，输入施工相关参数和新的监测数据，从而根据高精度预测采取必要防护措施。
3端头盾构井深基坑地表沉降预测
3.1分析模型
在数值模拟阶段，需要利用FLAC（3D）分析软件对施工开挖全过程进行模拟，完成地表沉降分析与预测。考虑到桩单元建模具有一定的复杂性，需要对基坑南侧一段进行选择，建立115m×100m×40m基坑模型，盾构段为16m×27m×20m模型，标准段为60m×22m×19m模型，共包含580328个节点和547938个单元。结合工程施工条件可知，采用的C30混凝土支撑弹性模量为31.5GPa，泊松比为0.167，密度为2420kg/m³，采用的钢管支撑弹性模量为200GPa，泊松比为0.30，密度为7850kg/m³，采用的C35排桩弹性模量为30GPa，泊松比为0.167，密度为2410kg/m³。模型底部为固定约束，顶部为自由边界，四周加水平约束，桩体为弹性模型，土体采用摩尔库伦模型，均为实体单元，支撑为梁结构单元，除第1道支撑为刚接以外，其余均为铰接[2]。结合周边构筑物情况，需要按照每层15kPa进行荷载叠加，盾构段和标准段分别承受30kPa和20kPa荷载，在距离基坑边缘3-10m位置分布。
3.2沉降预测
从模型分析结果来看，得到的预测值与监测值拥有大致相同的变化趋势，沉降值能够得到较好吻合，说明预测结果误差较小，能够为安全施工提供指导。选取之前比较具有代表性的两个测点，分别距离基坑2.6m和8.3m位置。从地表沉降变化趋势来看，距离基坑2.6m的位置地表沉降最大值能够达到23.2mm，并未超出设计的30mm。从沉降形状上来看，为凹槽型，发生在第二道支撑拆除的情况下。结合内支撑轴力监测结果可知，轴力最大值达到了1203kN，发生在盾构段第4道混凝土斜撑位置。从总体上来看，支撑轴力呈现出不断增大直至稳定的发展趋势。个别支撑在开挖到最后一层时有所减小，与支撑对应状态两侧土压力减小有关。而钢支撑的轴力较小，最大值位于第2道钢支撑上，达到了570kN。而地表最大沉降出现位置为距离基坑8-10m位置，随着距离基坑边缘距离呈现出先增大后减小现象，最终趋于稳定。出现这种情况，与土体和围护结构的摩擦力不断增加有关，以至于围护结构周围局部范围土体沉降得到了控制。但是随着开挖深度的增加，最大沉降值也不断增大，之后逐步稳定。但是在拆支阶段，沉降值会突然升高，直至达到最大值。相较于标准段，端头盾构井的底面荷载较大，使得其最大地表沉降最终达到了31.27mm，已经超出设计值。根据预测结果可知，地表沉降将发生在开挖和拆支阶段，拆支引发的地表沉降甚至可能超出开挖阶段，因此还要采用强支撑等措施对周边地层进行加固，以免因地表沉降过大导致周围道路受到破坏。
结论：综上所述，在地铁车站施工的过程中，还应重视端头盾构井深基坑支护问题，避免因地表沉降过大导致基坑出现失稳问题，给工程施工质量和安全带来威胁。在实践工作中，可以对基坑周围土层的地表沉降进行监测，然后通过建立模型完成地表沉降合理预测。根据预测得到的地表沉降发展规律，可以采取必要的防护措施，从而加强基坑开挖和拆支过程的安全防护。
参考文献：
[1]王彬，朱贵超，倪振玉，等.深圳地铁上川站深基坑围护结构方案优选[J].市政技术，2020，38（01）：227-232.
[2]郭超，郭延勇，李洪宝，等.地铁深基坑施工引起周边地表沉降变形规律分析[J].粉煤灰综合利用，2018（02）：71-74.
论文作者:宋胜利
论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期
论文发表时间:2020/4/30
标签：基坑论文; 盾构论文; 地表论文; 位置论文; 模型论文; 深基坑论文; 距离论文; 《基层建设》2020年第2期论文;