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摘 要：地铁是对变形要求极为严格的建筑，在紧邻已运营的地铁处开挖的深基坑对地铁以及周围建筑产生的影响的分析预测显得尤为重要。通过理论计算结果和实际监测结果反分析对比得出针对本工程的沉降修正系数。选取不同工况，对基坑开挖结束后的大型工程桩降水开挖对地铁结构的影响进行了预测，提出了在工程的后续施工中应采取的措施。所述方法对本工程的施工和分析类似工程有参考价值。
关键词：深基坑降水；地铁结构；沉降预测
中图分类号：U47文献标识码：A 文章编号：1672-1098(2010)04-0017-05
Analysis and Prediction of Metro Structure Settlement Caused by
Deep Foundation Pit Excavation and Dewatering
LIU Bo，XU Wei，YANG Chun-ying
(School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China)
Abstract: Metro structure has a very strict requirement on the deformation, so it is very important to analyze and predict influence of deep foundation pit excavation on adjacent operation metro structure and surrounding constructions. By using back analysis based on theoretical calculation and actual monitoring results, the settlement correction coefficient in this project was obtained. With different working conditions, influence of large engineering pile dewatering and excavation in foundation pit on metro structure was predicted, and the follow-up countermeasures were proposed. This method is valuable for analysis of this project and similar constructions.
Key words:dewatering of foundation pit; metro structure; subsidence prediction
随着城市建设的高速发展，兴建的高层和超高层建筑越来越多。基坑的开挖越来越深，有些深基坑已超过40 m［1］。在深基坑开挖的过程中，基坑降水必不可少，如何控制好地下水是确保基坑安全施工的关键。深基坑开挖降水虽然给基坑施工带来很大的方便，但是也引发了一系列的环境问题，给降水基坑周围的建筑物带来不良影响。长时间、大范围的基坑降水会导致基坑周围的建筑物与地面产生不均匀沉降,特别是当新开挖的深基坑紧邻已运营的地铁附近时将会出现这种情况。地铁是对变形要求极严格的设施，所以在基坑开挖前通过合理的降水布置，预测开挖降水的不同阶段、考虑不同施工工况下地面沉降量及对地铁结构的影响，采取积极有效的防护措施是十分重要的。
目前常用的基坑工程施工环境变形预测方法有经验公式法、安全系数法、数值分析法和反分析法、地层损失法、系统分析法、时空效应法等［2］。由于不同地区地质情况不同，本文针对具体的工程，通过现有理论公式和监测数据进行反分析对比，引起理论与实践误差的关键修正系数如何确定并预测基坑开挖和大型工程桩降水对邻近地铁线路的影响。
1 工程概况
1.1工程简介
本工程项目位于深圳福田区，场地内拟建一栋超高层办公楼。塔楼地面以上高588 m，115层，总用地面积18 931.0 m2。基坑开挖深度为29.8 ~33.80 m，周长544 m。基坑东侧路段地下有规划中的广深高铁，预计2011年施工。北侧路段地下有已经运营的地铁线路，该工程的地下室结构将与地铁出入口连通。该项目共设5层地下室，主要用于商业、车库、机电用房、人防、辅助用房。基坑用地与地铁出入口的距离仅5.65 m，与广深高铁隧道的距离为24.3 m，基坑与邻近地铁车站平面示意图如图1所示。
图1 基坑与邻近地铁车站平面示意图
1.2 地质和场地地下水条件
1.2.1 地质条件
根据现场钻探揭露，场地内分布的地层主要有人工填土层、 第四系全新统冲积层、 上更新统冲洪积及中更新统残积层， 下伏基岩为燕山晚期花岗岩。 各岩、 土层工程特性指标如表1所示。
1.2.2 地下水条件
根据勘察报告，上层滞水主要赋存于人工填土①中，承压水主要赋存于中粗砂③-2、粉细砂③-3和粗砾砂③-6中，水量较大，承压水头高度为1.50～3.50 m。其中中粗砂③-2、粉细砂③-3和粗砾砂③-6为本地区主要的透水性地层，赋存丰富的地下水，是场地内地下水运移的主要通道。花岗岩各风化带内所赋存的地下水属基岩裂隙水，受节理裂隙控制，未形成连续、稳定的水位面。根据地区工程经验及室内渗透试验结果， 场地内除中粗砂③-2、粉细砂③-3和粗砾砂③-6属中等透水地层外， 其它各地层均属微透水～不透水性地层。 场地承压水对基坑和桩基施工影响相对较大， 地下水初见水位埋深为2.20～4.70 m；承压水水位埋深为3.00～4.60 m混合水稳定水位埋深为2.80～4.90 m。
1.3 基坑支护和基础形式
基坑支护主要采用钻(冲)孔灌注桩+内支撑的支护体系， 在竖向局部打设桩间注浆钢花管和预应力锚索加强。 护坡桩外设置高压摆喷桩和旋喷桩形成止水帷幕。 基础采用桩筏基础。 主塔楼区域采用大直径扩底灌注桩， 工程基础采用人工挖孔桩， 大部分由桩径1.4~2.0 m(1.8 m， 扩底2.5 m)桩扩底桩组成， 其中另有8根桩径8.4 m(扩底桩径9.5 m)的巨型桩和16根桩径5.7 m(扩底桩径7.0 m)超大直径桩。裙楼区域采用直径为1.4 m、1.5 m、1.6 m、1.8 m、2.0 m工程桩。
2 降水引起地面沉降的机理分析
地面沉降的产生需要一定的工程地质、水文地质及土体中应力的转变(由地下水所承担的那部分应力不断地转移到土粒上)等条件。根据以往工程经验，深基坑降水或人工挖孔桩施工对周边环境的影响可归结为抽降地下水引起地基土的附加沉降以及挖孔桩成孔施工中流泥、流沙造成地基土下陷［3］。施工中各桩孔均在抽降地下水，桩孔周边地下水位随孔桩掘进降落，场地及周边地下水位总体逐步下降，在周边形成降落漏斗。填土层等易压缩性土层中孔隙水压力消失，有效应力增加，引起土体固结，造成地基土的附加沉降，从而引起周边地面、道路、管线及建(构)筑物的沉降。
2.1 抽水产生水位降深的确定
地下含水层厚度取至中风化花岗岩顶面，桩孔降水近似为平面应变问题，降水曲线方程近似为裘布依稳定流模型的影响线方程［4］。
距井中心r处水头方程
h2=H20-(H20-h2w) lnR[]r[]lnR[]rw(1)
式中：rw为抽水井的半径；hw为抽水井内水位；H0为含水层厚度；采用经验公式计算降水影响半径为
R=2swkH0(2)
式中：sw为抽水井井底水位降深；k为含水层的渗透系数。
2.2 降水引起的有效应力Δσ′
当水位变化时，土中总应力不变，根据有效应力原理，Δσ′=-Δu。对于有效应力发生变化的降水疏干层，有效应力增量是三角形分布，取其平均值并假设为矩形分布，有效应力增量为
Δσ′1=1[]2γwΔH (3)
降水面以下土层的有效应力增量为定值，即
Δσ′2=γwΔH (4)
2.3 地下水下降引起的地面沉降计算
深圳市的地质情况具有其区域性的特点，所以采用深圳市标准*的计算方法。基坑外地下水降落漏斗范围内因地下水下降引起的地面沉降计算（见图2）采用式(5)~式（6）。
Sw=ψs［∑z[]j=1[DD)]Δzγw(z-nΔz)[]E0j+∑2z[]j=m[DD)]Δpzhj[]E0j］(5)
Δpz=zγw（6）
式（5）~式（6）中：Sw为由地下水位下降引起的地面沉降；ψs为沉降计算修正系数，根据计算值与实测值对比后确定；Δz为地下水位单位下降深度，通常取1；n是倍数，取值1、2、3…z-1；m为地下水下降后水位处的土层编号；Δpz为由地下水下降后引起的附加均布应力； z为计算点地下水位下降值； γw为地下水重度； hj为第j层土层厚度；E0j为第j层土变形模量。
图2 地下水下降引起的地面沉降量计算简图
3 基坑降水影响分析
3.1 沉降修正系数的确定
根据式(1)～式(6)，编制了相关程序，可计算出基坑外任意一点、任意时刻的地下水位降深引起的地面沉降量，当赋予相应的土层参数时，可以预测在不同地质条件下的地铁结构的沉降。本工程在沿基坑四周布置了沉降观测点和水位孔，根据水位孔监测到的水位降深进行理论计算，将理论计算结果同实际地面沉降的监测结果进行反分析对比，得出ψs的值。
本基坑面积较大，影响因素众多。把基坑分为东侧﹑西侧﹑南侧﹑北侧四个方向考虑（见图1）。其中，DC各点为布置在基坑周围的地面沉降监测点，WA、WB、WC、WD各点为布置于基坑四周的地下水位监测点。通过理论计算值和实际监测值的分析对比（见图3~图6）， 综合考虑各方面的因素，对于本工程，ψs取值为0.2。
1. WA5;2. WA4;3. DC6;4. WD2;5. WC4;6. DC5; 7. WD3;8. DC2;9. WC3;10. DC1
图3 基坑东侧理论计算和实际监测值对比(ψs取0.18)
1. DC19;2. DC18;3. DC17;4. WD4;5. WD6
图4 基坑南侧理论计算和实际监测值对比(ψs取0.23)
1. WA7;2. DC15;3. WB7;4. WB8;5. WD6;6. WC8
图5 基坑西侧理论计算和实际监测值对比(ψs取0.22)
1. WA2;2. DC9;3. WA1
图6 基坑北侧理论计算和实际监测值对比(ψs取0.16)
3.2 工程桩降水对地铁结构的影响
随着桩孔开挖和降水的进行，降水形成的漏斗状曲面逐渐形成，距基坑不同距离的建筑物和不同部位的水位下降是不同的，根据式(1)～式(5)可以预测工程开挖降水对地铁结构的影响。
本文采用三种工况进行对比分析（见表2）。根据计算得到在工况一的情况下地铁左线中轴线沉降为14.5 mm,地铁右线中轴线沉降为13.6 mm；在工况二的情况下地铁左线中轴线沉降为6.3 mm, 地铁右线中轴线沉降为5.6 mm；在工况三的情况下地铁左线中轴线沉降为5.7 mm,地铁右线中轴线沉降为4.9 mm。工况一采用了全桩施工降水，对影响最大化进行分析。地铁轨道变形不满足深圳市地铁公司关于城市轨道交通安全保护第三方监测控制指标中，地铁运营线路轨道变形4 mm的限值*。当采工况二和工况三计算时地铁轨道变形虽略大于4 mm的限值，但因为在地铁隧道开挖施工过程中，土体经历着卸载阶段；当地铁结构施工时土体又经历加载［5］。地铁周边土体在地铁施工过程中已被扰动，非原状土；在采用计算地铁隧道沉降时，与实际土体沉降可能会偏大。
4 结论
(1) 通过具体参数的合理选取，可以使计算结果更符合深圳当地的实际情况，对基坑降水所引起的地面沉降和工程桩降水引起的地铁隧道沉降做出实时分析和最终预测。
(2) 编制了相关程序对于本工程进行分析，沉降计算修正系数取0.2。对深圳类似地层的基坑降水工程在较准确地预测不同的时间、距离的地面的实际沉降量具有实用价值。
(3) 对于工程桩施工降水对地铁结构工程安全性的影响，主要通过对地铁隧道处水位下降引起的附加沉降计算分析来进行评估的。根据分析计算，工程降水将对地铁结构产生较大的影响，应及时采取在连续墙底做止水帷幕, 必要时在基坑外围做回灌井，同时对基坑开挖，尤其是工程桩的开挖做实时监测，做好应急预案和相关防护措施，保证地铁结构的安全。
参考文献：
［1］ 姚天强，石振华. 基坑降水手册［M］. 北京：中国建筑工业出版社，2006:1-4.
［2］ 刘波，韩彦辉. FLAC原理、实例与应用指南［M］. 北京：人民交通出版社，2005:23-47.
［3］ LULISHUN, LIUJIANHANG. Researches on soil settlement around deep excavation of a metrostation in Shanghai［J］. Chinese Society of Civil Engineering. November,2006,28:1 764-1 768.
［4］ 吴林高.工程降水设计施工与基坑渗流理论［M］.北京：人民交通出版,2003:40-75.
［5］ ZHANGMINGFU, WANGZHILIANG, ZHAO LIANGYUN. Analysis on foundation pit deformations of astation on Hangzhou metro［J］. Urban Rapid Transit. April,2009, 22(2): 59-61.
(责任编辑：何学华，吴晓红)
关键词：深基坑降水；地铁结构；沉降预测
中图分类号：U47文献标识码：A 文章编号：1672-1098(2010)04-0017-05
Analysis and Prediction of Metro Structure Settlement Caused by
Deep Foundation Pit Excavation and Dewatering
LIU Bo，XU Wei，YANG Chun-ying
(School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China)
Abstract: Metro structure has a very strict requirement on the deformation, so it is very important to analyze and predict influence of deep foundation pit excavation on adjacent operation metro structure and surrounding constructions. By using back analysis based on theoretical calculation and actual monitoring results, the settlement correction coefficient in this project was obtained. With different working conditions, influence of large engineering pile dewatering and excavation in foundation pit on metro structure was predicted, and the follow-up countermeasures were proposed. This method is valuable for analysis of this project and similar constructions.
Key words:dewatering of foundation pit; metro structure; subsidence prediction
随着城市建设的高速发展，兴建的高层和超高层建筑越来越多。基坑的开挖越来越深，有些深基坑已超过40 m［1］。在深基坑开挖的过程中，基坑降水必不可少，如何控制好地下水是确保基坑安全施工的关键。深基坑开挖降水虽然给基坑施工带来很大的方便，但是也引发了一系列的环境问题，给降水基坑周围的建筑物带来不良影响。长时间、大范围的基坑降水会导致基坑周围的建筑物与地面产生不均匀沉降,特别是当新开挖的深基坑紧邻已运营的地铁附近时将会出现这种情况。地铁是对变形要求极严格的设施，所以在基坑开挖前通过合理的降水布置，预测开挖降水的不同阶段、考虑不同施工工况下地面沉降量及对地铁结构的影响，采取积极有效的防护措施是十分重要的。
目前常用的基坑工程施工环境变形预测方法有经验公式法、安全系数法、数值分析法和反分析法、地层损失法、系统分析法、时空效应法等［2］。由于不同地区地质情况不同，本文针对具体的工程，通过现有理论公式和监测数据进行反分析对比，引起理论与实践误差的关键修正系数如何确定并预测基坑开挖和大型工程桩降水对邻近地铁线路的影响。
1 工程概况
1.1工程简介
本工程项目位于深圳福田区，场地内拟建一栋超高层办公楼。塔楼地面以上高588 m，115层，总用地面积18 931.0 m2。基坑开挖深度为29.8 ~33.80 m，周长544 m。基坑东侧路段地下有规划中的广深高铁，预计2011年施工。北侧路段地下有已经运营的地铁线路，该工程的地下室结构将与地铁出入口连通。该项目共设5层地下室，主要用于商业、车库、机电用房、人防、辅助用房。基坑用地与地铁出入口的距离仅5.65 m，与广深高铁隧道的距离为24.3 m，基坑与邻近地铁车站平面示意图如图1所示。
图1 基坑与邻近地铁车站平面示意图
1.2 地质和场地地下水条件
1.2.1 地质条件
根据现场钻探揭露，场地内分布的地层主要有人工填土层、 第四系全新统冲积层、 上更新统冲洪积及中更新统残积层， 下伏基岩为燕山晚期花岗岩。 各岩、 土层工程特性指标如表1所示。
1.2.2 地下水条件
根据勘察报告，上层滞水主要赋存于人工填土①中，承压水主要赋存于中粗砂③-2、粉细砂③-3和粗砾砂③-6中，水量较大，承压水头高度为1.50～3.50 m。其中中粗砂③-2、粉细砂③-3和粗砾砂③-6为本地区主要的透水性地层，赋存丰富的地下水，是场地内地下水运移的主要通道。花岗岩各风化带内所赋存的地下水属基岩裂隙水，受节理裂隙控制，未形成连续、稳定的水位面。根据地区工程经验及室内渗透试验结果， 场地内除中粗砂③-2、粉细砂③-3和粗砾砂③-6属中等透水地层外， 其它各地层均属微透水～不透水性地层。 场地承压水对基坑和桩基施工影响相对较大， 地下水初见水位埋深为2.20～4.70 m；承压水水位埋深为3.00～4.60 m混合水稳定水位埋深为2.80～4.90 m。
1.3 基坑支护和基础形式
基坑支护主要采用钻(冲)孔灌注桩+内支撑的支护体系， 在竖向局部打设桩间注浆钢花管和预应力锚索加强。 护坡桩外设置高压摆喷桩和旋喷桩形成止水帷幕。 基础采用桩筏基础。 主塔楼区域采用大直径扩底灌注桩， 工程基础采用人工挖孔桩， 大部分由桩径1.4~2.0 m(1.8 m， 扩底2.5 m)桩扩底桩组成， 其中另有8根桩径8.4 m(扩底桩径9.5 m)的巨型桩和16根桩径5.7 m(扩底桩径7.0 m)超大直径桩。裙楼区域采用直径为1.4 m、1.5 m、1.6 m、1.8 m、2.0 m工程桩。
2 降水引起地面沉降的机理分析
地面沉降的产生需要一定的工程地质、水文地质及土体中应力的转变(由地下水所承担的那部分应力不断地转移到土粒上)等条件。根据以往工程经验，深基坑降水或人工挖孔桩施工对周边环境的影响可归结为抽降地下水引起地基土的附加沉降以及挖孔桩成孔施工中流泥、流沙造成地基土下陷［3］。施工中各桩孔均在抽降地下水，桩孔周边地下水位随孔桩掘进降落，场地及周边地下水位总体逐步下降，在周边形成降落漏斗。填土层等易压缩性土层中孔隙水压力消失，有效应力增加，引起土体固结，造成地基土的附加沉降，从而引起周边地面、道路、管线及建(构)筑物的沉降。
2.1 抽水产生水位降深的确定
地下含水层厚度取至中风化花岗岩顶面，桩孔降水近似为平面应变问题，降水曲线方程近似为裘布依稳定流模型的影响线方程［4］。
距井中心r处水头方程
h2=H20-(H20-h2w) lnR[]r[]lnR[]rw(1)
式中：rw为抽水井的半径；hw为抽水井内水位；H0为含水层厚度；采用经验公式计算降水影响半径为
R=2swkH0(2)
式中：sw为抽水井井底水位降深；k为含水层的渗透系数。
2.2 降水引起的有效应力Δσ′
当水位变化时，土中总应力不变，根据有效应力原理，Δσ′=-Δu。对于有效应力发生变化的降水疏干层，有效应力增量是三角形分布，取其平均值并假设为矩形分布，有效应力增量为
Δσ′1=1[]2γwΔH (3)
降水面以下土层的有效应力增量为定值，即
Δσ′2=γwΔH (4)
2.3 地下水下降引起的地面沉降计算
深圳市的地质情况具有其区域性的特点，所以采用深圳市标准*的计算方法。基坑外地下水降落漏斗范围内因地下水下降引起的地面沉降计算（见图2）采用式(5)~式（6）。
Sw=ψs［∑z[]j=1[DD)]Δzγw(z-nΔz)[]E0j+∑2z[]j=m[DD)]Δpzhj[]E0j］(5)
Δpz=zγw（6）
式（5）~式（6）中：Sw为由地下水位下降引起的地面沉降；ψs为沉降计算修正系数，根据计算值与实测值对比后确定；Δz为地下水位单位下降深度，通常取1；n是倍数，取值1、2、3…z-1；m为地下水下降后水位处的土层编号；Δpz为由地下水下降后引起的附加均布应力； z为计算点地下水位下降值； γw为地下水重度； hj为第j层土层厚度；E0j为第j层土变形模量。
图2 地下水下降引起的地面沉降量计算简图
3 基坑降水影响分析
3.1 沉降修正系数的确定
根据式(1)～式(6)，编制了相关程序，可计算出基坑外任意一点、任意时刻的地下水位降深引起的地面沉降量，当赋予相应的土层参数时，可以预测在不同地质条件下的地铁结构的沉降。本工程在沿基坑四周布置了沉降观测点和水位孔，根据水位孔监测到的水位降深进行理论计算，将理论计算结果同实际地面沉降的监测结果进行反分析对比，得出ψs的值。
本基坑面积较大，影响因素众多。把基坑分为东侧﹑西侧﹑南侧﹑北侧四个方向考虑（见图1）。其中，DC各点为布置在基坑周围的地面沉降监测点，WA、WB、WC、WD各点为布置于基坑四周的地下水位监测点。通过理论计算值和实际监测值的分析对比（见图3~图6）， 综合考虑各方面的因素，对于本工程，ψs取值为0.2。
1. WA5;2. WA4;3. DC6;4. WD2;5. WC4;6. DC5; 7. WD3;8. DC2;9. WC3;10. DC1
图3 基坑东侧理论计算和实际监测值对比(ψs取0.18)
1. DC19;2. DC18;3. DC17;4. WD4;5. WD6
图4 基坑南侧理论计算和实际监测值对比(ψs取0.23)
1. WA7;2. DC15;3. WB7;4. WB8;5. WD6;6. WC8
图5 基坑西侧理论计算和实际监测值对比(ψs取0.22)
1. WA2;2. DC9;3. WA1
图6 基坑北侧理论计算和实际监测值对比(ψs取0.16)
3.2 工程桩降水对地铁结构的影响
随着桩孔开挖和降水的进行，降水形成的漏斗状曲面逐渐形成，距基坑不同距离的建筑物和不同部位的水位下降是不同的，根据式(1)～式(5)可以预测工程开挖降水对地铁结构的影响。
本文采用三种工况进行对比分析（见表2）。根据计算得到在工况一的情况下地铁左线中轴线沉降为14.5 mm,地铁右线中轴线沉降为13.6 mm；在工况二的情况下地铁左线中轴线沉降为6.3 mm, 地铁右线中轴线沉降为5.6 mm；在工况三的情况下地铁左线中轴线沉降为5.7 mm,地铁右线中轴线沉降为4.9 mm。工况一采用了全桩施工降水，对影响最大化进行分析。地铁轨道变形不满足深圳市地铁公司关于城市轨道交通安全保护第三方监测控制指标中，地铁运营线路轨道变形4 mm的限值*。当采工况二和工况三计算时地铁轨道变形虽略大于4 mm的限值，但因为在地铁隧道开挖施工过程中，土体经历着卸载阶段；当地铁结构施工时土体又经历加载［5］。地铁周边土体在地铁施工过程中已被扰动，非原状土；在采用计算地铁隧道沉降时，与实际土体沉降可能会偏大。
4 结论
(1) 通过具体参数的合理选取，可以使计算结果更符合深圳当地的实际情况，对基坑降水所引起的地面沉降和工程桩降水引起的地铁隧道沉降做出实时分析和最终预测。
(2) 编制了相关程序对于本工程进行分析，沉降计算修正系数取0.2。对深圳类似地层的基坑降水工程在较准确地预测不同的时间、距离的地面的实际沉降量具有实用价值。
(3) 对于工程桩施工降水对地铁结构工程安全性的影响，主要通过对地铁隧道处水位下降引起的附加沉降计算分析来进行评估的。根据分析计算，工程降水将对地铁结构产生较大的影响，应及时采取在连续墙底做止水帷幕, 必要时在基坑外围做回灌井，同时对基坑开挖，尤其是工程桩的开挖做实时监测，做好应急预案和相关防护措施，保证地铁结构的安全。
参考文献：
［1］ 姚天强，石振华. 基坑降水手册［M］. 北京：中国建筑工业出版社，2006:1-4.
［2］ 刘波，韩彦辉. FLAC原理、实例与应用指南［M］. 北京：人民交通出版社，2005:23-47.
［3］ LULISHUN, LIUJIANHANG. Researches on soil settlement around deep excavation of a metrostation in Shanghai［J］. Chinese Society of Civil Engineering. November,2006,28:1 764-1 768.
［4］ 吴林高.工程降水设计施工与基坑渗流理论［M］.北京：人民交通出版,2003:40-75.
［5］ ZHANGMINGFU, WANGZHILIANG, ZHAO LIANGYUN. Analysis on foundation pit deformations of astation on Hangzhou metro［J］. Urban Rapid Transit. April,2009, 22(2): 59-61.
(责任编辑：何学华，吴晓红)