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摘要：众所周知，在城市轨道交通工程施工过程中，地面沉降控制是重中之重，尤其是在周边环境复杂的情况下，如何控制地面沉降，避免发生管线、道路开裂、房屋沉降变形等事故更是每个施工单位关注的重点。本文仅以上海轨道交通13号线大渡河路站施工过程为描述载体，抛砖引玉、集思广益，从技术角度上分析、控制地表沉降的一些相关技术措施。
关键词：城市轨道交通 地面沉降 控制
中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：1009-914x（2014）08-01-01
0 引言
城市轨道交通具有运量大、速度快、安全、准点、保护环境、节约能源和用地等特点。世界各国普遍认识到：解决城市的交通问题的根本出路在于优先发展以轨道交通为骨干的城市公共交通系统。
为逐步解决城市交通拥堵问题，上海市加大了城市轨道交通建设的步伐，地铁工程以及临近地铁的地下工程日益增多，各深基坑工程不断加强地下空间的开发与利用。但上海作为典型的第四系松散软土地区，各地基土层软弱、复杂，且具有流变特性。本文首先对上海轨交13号线大渡河路车站建设过程中收集的情况加以描述，其次就地面沉降原因、地面沉降危害以及对整体工程施工相互影响进行分析，并提出相应的技术措施。
1 工程概况
上海轨道交通13号线大渡河路站位于大渡河路路与金沙江路，车站全长315m，宽26～35m，围护结构采用800mm厚地下连续墙，墙深30m～32m，插入比0.8-0.82，基坑开挖深度16.4～18.2m。基坑共设五道支撑，首道为混凝土支撑，其余四道为钢支撑。而根据岩土工程勘察报告中的相关数据，该区域内土质条件较差，其中○23层砂质粉土厚度达9m，埋深为12m，土层渗透系数Kv=1.45E-04，KH=2.22E-04，且当土层扰动后极易液化，易造成地下连续墙施工过程中土体坍塌。
2 周边环境
及时分析围护结构墙顶位移、墙体变形、周边建筑及地面沉降监测数据、判断和预测周边地表沉降的趋势，以便采取施工保护技术措施，是指导正确施工的重要方法之一。
因本车站红线整体规划原因，在基坑5～36轴南侧存有已建构筑物三栋，分别为两栋16层高层以及一栋6层小高层，距离基坑最小距离仅为13.7m，在开挖深度一倍的范围以内。六层建筑物基礎为片筏式，埋深约1.5m左右。
针对大渡河路站的周边环境及工况条件，南侧为交通便道且有居民楼，北侧为地块开发的施工场地，关注与控制的重点是在南侧，且南侧交通便道上大量的车流量所产生的震动对土体稳定极为不利。而6层居民楼位于车站主体6～18轴位置，因此该部位的基坑变形控制也成为关注中的重中之重。
3 地面沉降原因及危害分析
1）上文中所提到的土质较差现象在整个施工区域呈全覆盖状态，土质扰动后极易液化现象在地下连续墙施工阶段显而易见。在围护结构成槽阶段，出现的土体坍塌使周边地表明显沉降。其中，最为突出的是南侧地下连续墙S15及S16因地下管线因素未进行土体处理而直接进行成槽施工，其中S15地墙理论方量122m3，实际方量为158.6m3，充盈系数为1.3；另一副地墙S16理论方量为115m3，实际方量为143.7m3，充盈系数为1.25，均超过规范要求（规范值为1.1），地下连续墙施工造成的踏方，是造成周边地表沉降的最主要的因素。
在本工程的施工策划阶段，通过对以往类似工程建设经验的分析，预判到地下连续墙施工时的土体坍塌将对后续工程开展造成严重的不良后果：①由于土体坍方造成混凝土浇注产生绕流现象，不但影响锁扣管顶拔过程的安全性及操作性，而且极易造成相邻地墙成槽困难及钢筋笼的下放；②土体坍方使刷壁工艺不能完全迎合槽壁而导致刷壁质量差，从而使地墙接缝处漏水情况较为严重，对周边地面沉降控制不利；③地墙坍方本身会造成周边地面的沉降；④超方混凝土凿除费时费力，将严重影响基坑开挖进度，使基坑裸露时间长，基坑变形增大；⑤超方砼会占用地墙空间，坑底加固时钻机无法紧靠地墙加固，造成坑底裙边加固效果不佳，导致基坑变形增大。
2）由于整体车站开挖的横断面较长，约315m，且开挖深度较深，众多的钢支撑拼装与土体开挖的时间控制不利，导致基坑暴露无支撑时间过长也是围护结构位移的重要因素。根据深基坑施工经验得知，在基坑开挖面下1～3m范围往往是围护结构位移变形最大的区域，极易产生踢脚、内拱而使围护结构产生位移，然而一系列的空间变形连锁反映如坑底隆起、格构柱上浮、墙顶下沉，则最终使得周边地表出现沉降量加剧的现象。根据公式δv=α×δn（其中，δv表示地面横向最大沉降值，δn表示围护结构最大水平位移，α为经验系数一般取0.7～1.0，δn较大时取大值，反之则取小值）也说明了基坑开挖导致围护墙体变形，进而出现周边地表沉降是软土地基基坑开挖普遍存在的现象，且两者存在定量关系。
4 相关技术措施的运用及效果
1）地下连续墙施工前采取土体处理：一般而言，轨道交通深基坑施工过程中围护结构施工质量是最关键的一环，围护结构施工质量的好与坏，与基坑变形有着直接的关系。根据现场实际情况，结合本工程地质及以往类似工程的施工经验，在确保工程质量的前提下，尽可能在施工期间降低对周边环境的影响，故采用地墙内、外两侧增设单排Ф650搅拌桩加固的施工措施，从而降低在地下连续墙施工过程中产生坍方的现象。开挖面加固深度控制在12米，即超过砂质粉土层即可，迎土面加固深度控制在18米，目的是加固兼止水。土体加固采用三轴深层搅拌桩加固，水泥渗量为12-15%，总加固方量约14000方。通过采取加固措施，地墙施工过程中没有发生大的踏方，施工顺利，地墙平均充盈系数在1.05，超过控制达到预期目标。基坑开挖后的情况也证实了这一点，除局部有少量超方砼外，地墙表面平整，没有出现漏水现象，只有局部少量渗水情况，通过人工堵漏予以解决。 2）调整基坑坑底加固位置：大渡河路站基坑分为一级基坑及二级基坑，南侧有6层居民楼位置对应的6-18轴属于一级基坑，其余部分属于二级基坑。基坑坑底裙边采用高压旋喷桩加固，一级基坑加固宽度为5m，二级基坑加固宽度为4m，加固深度均为4m。针对大渡河路站周边环境，位移重点保护对象是南侧，因此在不改变加固总量的基础上，对基坑坑底加固宽度进行了适当的调整。一级基坑部位，将北侧加固宽度由5m减少到3m，南侧将相应增加到7m；二级基坑北侧加固宽度由4m调整到3m，南侧加固宽度相应增加到5m，加固深度不变。
调整加固范围的目的在于通过增加加固体的体积，提高其土体加固能力。把加固体作为一道临时支撑，在基坑无支撑暴露过程中起到支撑作用，为基坑整体支撑体系的建立过程中填补空缺，降低围护结构的位移变形，使基坑的整体稳定性得以保障。同时，地基加固范围调整也加大了围护结构跟部抵抗弯矩的能力，降低坑底隆起，从而确保基坑的稳定。
3）增加一道混凝土支撑：根据以往基坑开挖的经验，一般开挖深度在16m以上、基坑宽度达15m以上的深基坑，地墙的最大变形一般在50mm左右。而大渡河路站的情况更为特殊：①地质条件差，砂质粉土层厚达8m，埋深在7-11米，南侧的交通便道上行驶的车辆对土体挠动作用较大，砂质粉土层在车辆的挠动作用下液化，会增加土体对地墙的侧压力；②大渡河路站基坑开挖深度为16.4m，宽度为26m，属于超宽型基坑，钢支撑因接头过多易产生应力损失，从而使变形量增大；③大渡河路站基坑标准段长度达230m，尽管已经考虑到6～18轴基坑优先开挖到到底施工底板，但整个基坑开挖时间较长，无支撑暴露时间过多，会造成地墙变形量增大。基于上述诸多不利因素，将第三道钢支撑变更为混凝土支撑，以减少地墙的变形，从而减少对周边环境的影响。从基坑开挖后的情况来看，未增设混凝土支撑的部位地墙最大变形为47mm，增加混凝土支撑的部位地墙最大变形为28mm，效果明显。
4）土方开挖的工况控制：由于大渡河路站基坑标准段长度达230m，如果采用一次性放坡开挖造成的开挖时间过长，因时空效应的作用，基坑开挖时间过长，对基坑变形控制也及其不利。考虑到6～18轴为一级基坑且周边环境也较为复杂的情况下，基坑整体开挖至第二层土方后（开挖深度在5米左右），首先对该区域的土方进行开挖收底，完成结构至中板。在6-18軸基坑中板结构完成后，再将两侧基坑分层开挖至底，依次完成结构回筑等工作。这样的开挖顺序从基坑变形的原则上最大程度降低围护结构的位移变形，使该区域周边的地表沉降控制在最小值。最终该区域的围护结构侧向位移控制在1.7‰H内，而二级基坑的围护结构侧向位移均控制在3.0‰H内，效果满意。
5）基坑降水的优化管理：上海地区，深基坑降水一般分为二个部分：一部分为降低基坑内土层含水量、增强土体自身强度而进行的疏干降水；另一部分是为了防止基坑下部承压水产生突涌而进行的降低承压水水头的工作。疏干井降水一般采用真空负压井降水，且疏干井孔径在800以上效果明显。承压水降水工程对于深基坑施工而言也显得尤为重要，过量降水会导致周边地表后期沉降明显，而降水不足则会导致基坑上浮、坑底隆起等破坏基坑整体刚度的现象。在本工程中，由于⑤2层（微承压水层）的存在，使得降水量必须满足基坑抗突涌的要求，同时又不能过量抽排水而导致周边地表乃至房屋的沉降量超标。在此情况下，最终选择在基坑内布设深井，坑外布设观测井，并做好抽排水量的统计工作。经过各方专家讨论，而对于降水过程的抗突涌系数最终选择在1.03而非常规的1.1，这也是为了进一步确保基坑周边的环境变形能降到最低点。为了确保基坑开挖过程的安全性，在降低水头高度的同时还进一步增加了抗拔桩的长度，通过抗拔桩长度的增加来弥补抗突涌系数的不足，从而更好的、更有效的防止基坑上浮、坑底隆起。
通过采取上述技术措施，整个车站在施工过程中对周边环境控制较好，没有发生管线事故及房屋开裂等现象，实践证明效果十分明显。
5 减少对周边地面沉降的建议
1）信息化监测作为保证基坑施工安全的一种有效手段，对分析周边地面沉降变形规律，判断水土流失状况，在指导工程施工安全预警方面能起到重要的作用。密切关注沉降变形的发展，仔细分析数据，及时提供信息化跟踪，以便发生险情时及时发出警报。
2）设计阶段应充分考虑δv=α×δn的定量关系，虽为经验公式，但地面沉降量与围护结构位移显然是息息相关的。在围护结构配筋过程中，可以适当考虑开挖工况时最不利因素，在适当部位增加配筋量从而提高围护结构的抗弯变形能力。
3）深基坑施工的影响范围往往以2H（2倍基坑开挖深度）为最不利控制范围，可以在施工前做好前期排摸工作，对可能影响较大的区域做好防范工作或技术处理。
4）本文中提到的增设混凝土支撑并非适用于每一个深基坑，笔者认为混凝土支撑的增加从某种意义上是提高了基坑的整体刚度，但混凝土支撑的成型及强度发展需要较长的时间，而这段时间里基坑变形量是一个累加的过程，此外，在基坑不断挖深时，也能发现第一道混凝土支撑从一个受压构件已转变为受拉构件，所以随着基坑深度的增加，侧压力不断提升的过程中能最快速度完成开挖是技术控制的重中之重。
5）从可控制措施看，围护结构变形是先兆，如围护结构出现较大变形或突变，随后一定会出现地面沉降。此时，除立即加强基坑施工措施外，应及时对相应区域的地表采取加固措施，以最快速度降低对周围环境的影响程度。
6）利用先进的科技手段，对每一道钢支撑采用自动应力补偿措施，第一时间对钢支撑所损失的应力加以附加，从而提高基坑的整体刚度，但落实该措施的费用较大，需做好可行的权衡分析。
参考文献：
【1】SZ-08-2000 上海地铁基坑工程施工规程
【2】DGJ08-11-2010地基基础设计规范相关条文
关键词：城市轨道交通 地面沉降 控制
中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：1009-914x（2014）08-01-01
0 引言
城市轨道交通具有运量大、速度快、安全、准点、保护环境、节约能源和用地等特点。世界各国普遍认识到：解决城市的交通问题的根本出路在于优先发展以轨道交通为骨干的城市公共交通系统。
为逐步解决城市交通拥堵问题，上海市加大了城市轨道交通建设的步伐，地铁工程以及临近地铁的地下工程日益增多，各深基坑工程不断加强地下空间的开发与利用。但上海作为典型的第四系松散软土地区，各地基土层软弱、复杂，且具有流变特性。本文首先对上海轨交13号线大渡河路车站建设过程中收集的情况加以描述，其次就地面沉降原因、地面沉降危害以及对整体工程施工相互影响进行分析，并提出相应的技术措施。
1 工程概况
上海轨道交通13号线大渡河路站位于大渡河路路与金沙江路，车站全长315m，宽26～35m，围护结构采用800mm厚地下连续墙，墙深30m～32m，插入比0.8-0.82，基坑开挖深度16.4～18.2m。基坑共设五道支撑，首道为混凝土支撑，其余四道为钢支撑。而根据岩土工程勘察报告中的相关数据，该区域内土质条件较差，其中○23层砂质粉土厚度达9m，埋深为12m，土层渗透系数Kv=1.45E-04，KH=2.22E-04，且当土层扰动后极易液化，易造成地下连续墙施工过程中土体坍塌。
2 周边环境
及时分析围护结构墙顶位移、墙体变形、周边建筑及地面沉降监测数据、判断和预测周边地表沉降的趋势，以便采取施工保护技术措施，是指导正确施工的重要方法之一。
因本车站红线整体规划原因，在基坑5～36轴南侧存有已建构筑物三栋，分别为两栋16层高层以及一栋6层小高层，距离基坑最小距离仅为13.7m，在开挖深度一倍的范围以内。六层建筑物基礎为片筏式，埋深约1.5m左右。
针对大渡河路站的周边环境及工况条件，南侧为交通便道且有居民楼，北侧为地块开发的施工场地，关注与控制的重点是在南侧，且南侧交通便道上大量的车流量所产生的震动对土体稳定极为不利。而6层居民楼位于车站主体6～18轴位置，因此该部位的基坑变形控制也成为关注中的重中之重。
3 地面沉降原因及危害分析
1）上文中所提到的土质较差现象在整个施工区域呈全覆盖状态，土质扰动后极易液化现象在地下连续墙施工阶段显而易见。在围护结构成槽阶段，出现的土体坍塌使周边地表明显沉降。其中，最为突出的是南侧地下连续墙S15及S16因地下管线因素未进行土体处理而直接进行成槽施工，其中S15地墙理论方量122m3，实际方量为158.6m3，充盈系数为1.3；另一副地墙S16理论方量为115m3，实际方量为143.7m3，充盈系数为1.25，均超过规范要求（规范值为1.1），地下连续墙施工造成的踏方，是造成周边地表沉降的最主要的因素。
在本工程的施工策划阶段，通过对以往类似工程建设经验的分析，预判到地下连续墙施工时的土体坍塌将对后续工程开展造成严重的不良后果：①由于土体坍方造成混凝土浇注产生绕流现象，不但影响锁扣管顶拔过程的安全性及操作性，而且极易造成相邻地墙成槽困难及钢筋笼的下放；②土体坍方使刷壁工艺不能完全迎合槽壁而导致刷壁质量差，从而使地墙接缝处漏水情况较为严重，对周边地面沉降控制不利；③地墙坍方本身会造成周边地面的沉降；④超方混凝土凿除费时费力，将严重影响基坑开挖进度，使基坑裸露时间长，基坑变形增大；⑤超方砼会占用地墙空间，坑底加固时钻机无法紧靠地墙加固，造成坑底裙边加固效果不佳，导致基坑变形增大。
2）由于整体车站开挖的横断面较长，约315m，且开挖深度较深，众多的钢支撑拼装与土体开挖的时间控制不利，导致基坑暴露无支撑时间过长也是围护结构位移的重要因素。根据深基坑施工经验得知，在基坑开挖面下1～3m范围往往是围护结构位移变形最大的区域，极易产生踢脚、内拱而使围护结构产生位移，然而一系列的空间变形连锁反映如坑底隆起、格构柱上浮、墙顶下沉，则最终使得周边地表出现沉降量加剧的现象。根据公式δv=α×δn（其中，δv表示地面横向最大沉降值，δn表示围护结构最大水平位移，α为经验系数一般取0.7～1.0，δn较大时取大值，反之则取小值）也说明了基坑开挖导致围护墙体变形，进而出现周边地表沉降是软土地基基坑开挖普遍存在的现象，且两者存在定量关系。
4 相关技术措施的运用及效果
1）地下连续墙施工前采取土体处理：一般而言，轨道交通深基坑施工过程中围护结构施工质量是最关键的一环，围护结构施工质量的好与坏，与基坑变形有着直接的关系。根据现场实际情况，结合本工程地质及以往类似工程的施工经验，在确保工程质量的前提下，尽可能在施工期间降低对周边环境的影响，故采用地墙内、外两侧增设单排Ф650搅拌桩加固的施工措施，从而降低在地下连续墙施工过程中产生坍方的现象。开挖面加固深度控制在12米，即超过砂质粉土层即可，迎土面加固深度控制在18米，目的是加固兼止水。土体加固采用三轴深层搅拌桩加固，水泥渗量为12-15%，总加固方量约14000方。通过采取加固措施，地墙施工过程中没有发生大的踏方，施工顺利，地墙平均充盈系数在1.05，超过控制达到预期目标。基坑开挖后的情况也证实了这一点，除局部有少量超方砼外，地墙表面平整，没有出现漏水现象，只有局部少量渗水情况，通过人工堵漏予以解决。 2）调整基坑坑底加固位置：大渡河路站基坑分为一级基坑及二级基坑，南侧有6层居民楼位置对应的6-18轴属于一级基坑，其余部分属于二级基坑。基坑坑底裙边采用高压旋喷桩加固，一级基坑加固宽度为5m，二级基坑加固宽度为4m，加固深度均为4m。针对大渡河路站周边环境，位移重点保护对象是南侧，因此在不改变加固总量的基础上，对基坑坑底加固宽度进行了适当的调整。一级基坑部位，将北侧加固宽度由5m减少到3m，南侧将相应增加到7m；二级基坑北侧加固宽度由4m调整到3m，南侧加固宽度相应增加到5m，加固深度不变。
调整加固范围的目的在于通过增加加固体的体积，提高其土体加固能力。把加固体作为一道临时支撑，在基坑无支撑暴露过程中起到支撑作用，为基坑整体支撑体系的建立过程中填补空缺，降低围护结构的位移变形，使基坑的整体稳定性得以保障。同时，地基加固范围调整也加大了围护结构跟部抵抗弯矩的能力，降低坑底隆起，从而确保基坑的稳定。
3）增加一道混凝土支撑：根据以往基坑开挖的经验，一般开挖深度在16m以上、基坑宽度达15m以上的深基坑，地墙的最大变形一般在50mm左右。而大渡河路站的情况更为特殊：①地质条件差，砂质粉土层厚达8m，埋深在7-11米，南侧的交通便道上行驶的车辆对土体挠动作用较大，砂质粉土层在车辆的挠动作用下液化，会增加土体对地墙的侧压力；②大渡河路站基坑开挖深度为16.4m，宽度为26m，属于超宽型基坑，钢支撑因接头过多易产生应力损失，从而使变形量增大；③大渡河路站基坑标准段长度达230m，尽管已经考虑到6～18轴基坑优先开挖到到底施工底板，但整个基坑开挖时间较长，无支撑暴露时间过多，会造成地墙变形量增大。基于上述诸多不利因素，将第三道钢支撑变更为混凝土支撑，以减少地墙的变形，从而减少对周边环境的影响。从基坑开挖后的情况来看，未增设混凝土支撑的部位地墙最大变形为47mm，增加混凝土支撑的部位地墙最大变形为28mm，效果明显。
4）土方开挖的工况控制：由于大渡河路站基坑标准段长度达230m，如果采用一次性放坡开挖造成的开挖时间过长，因时空效应的作用，基坑开挖时间过长，对基坑变形控制也及其不利。考虑到6～18轴为一级基坑且周边环境也较为复杂的情况下，基坑整体开挖至第二层土方后（开挖深度在5米左右），首先对该区域的土方进行开挖收底，完成结构至中板。在6-18軸基坑中板结构完成后，再将两侧基坑分层开挖至底，依次完成结构回筑等工作。这样的开挖顺序从基坑变形的原则上最大程度降低围护结构的位移变形，使该区域周边的地表沉降控制在最小值。最终该区域的围护结构侧向位移控制在1.7‰H内，而二级基坑的围护结构侧向位移均控制在3.0‰H内，效果满意。
5）基坑降水的优化管理：上海地区，深基坑降水一般分为二个部分：一部分为降低基坑内土层含水量、增强土体自身强度而进行的疏干降水；另一部分是为了防止基坑下部承压水产生突涌而进行的降低承压水水头的工作。疏干井降水一般采用真空负压井降水，且疏干井孔径在800以上效果明显。承压水降水工程对于深基坑施工而言也显得尤为重要，过量降水会导致周边地表后期沉降明显，而降水不足则会导致基坑上浮、坑底隆起等破坏基坑整体刚度的现象。在本工程中，由于⑤2层（微承压水层）的存在，使得降水量必须满足基坑抗突涌的要求，同时又不能过量抽排水而导致周边地表乃至房屋的沉降量超标。在此情况下，最终选择在基坑内布设深井，坑外布设观测井，并做好抽排水量的统计工作。经过各方专家讨论，而对于降水过程的抗突涌系数最终选择在1.03而非常规的1.1，这也是为了进一步确保基坑周边的环境变形能降到最低点。为了确保基坑开挖过程的安全性，在降低水头高度的同时还进一步增加了抗拔桩的长度，通过抗拔桩长度的增加来弥补抗突涌系数的不足，从而更好的、更有效的防止基坑上浮、坑底隆起。
通过采取上述技术措施，整个车站在施工过程中对周边环境控制较好，没有发生管线事故及房屋开裂等现象，实践证明效果十分明显。
5 减少对周边地面沉降的建议
1）信息化监测作为保证基坑施工安全的一种有效手段，对分析周边地面沉降变形规律，判断水土流失状况，在指导工程施工安全预警方面能起到重要的作用。密切关注沉降变形的发展，仔细分析数据，及时提供信息化跟踪，以便发生险情时及时发出警报。
2）设计阶段应充分考虑δv=α×δn的定量关系，虽为经验公式，但地面沉降量与围护结构位移显然是息息相关的。在围护结构配筋过程中，可以适当考虑开挖工况时最不利因素，在适当部位增加配筋量从而提高围护结构的抗弯变形能力。
3）深基坑施工的影响范围往往以2H（2倍基坑开挖深度）为最不利控制范围，可以在施工前做好前期排摸工作，对可能影响较大的区域做好防范工作或技术处理。
4）本文中提到的增设混凝土支撑并非适用于每一个深基坑，笔者认为混凝土支撑的增加从某种意义上是提高了基坑的整体刚度，但混凝土支撑的成型及强度发展需要较长的时间，而这段时间里基坑变形量是一个累加的过程，此外，在基坑不断挖深时，也能发现第一道混凝土支撑从一个受压构件已转变为受拉构件，所以随着基坑深度的增加，侧压力不断提升的过程中能最快速度完成开挖是技术控制的重中之重。
5）从可控制措施看，围护结构变形是先兆，如围护结构出现较大变形或突变，随后一定会出现地面沉降。此时，除立即加强基坑施工措施外，应及时对相应区域的地表采取加固措施，以最快速度降低对周围环境的影响程度。
6）利用先进的科技手段，对每一道钢支撑采用自动应力补偿措施，第一时间对钢支撑所损失的应力加以附加，从而提高基坑的整体刚度，但落实该措施的费用较大，需做好可行的权衡分析。
参考文献：
【1】SZ-08-2000 上海地铁基坑工程施工规程
【2】DGJ08-11-2010地基基础设计规范相关条文