宁波深厚淤泥地区某地铁深基坑开挖引起的地面沉降估算

宁波深厚淤泥地区某地铁深基坑开挖引起的地面沉降估算郑建东1（1、宁波市市政公用工程安全质量监督站，宁波315010）摘要：宁波某地铁出入段线工程地处深厚淤泥广泛分布地区，该基坑工程采取了钻孔灌注桩、三轴搅拌桩围护方案，在施工过程中进行了全面详实的监测，获取了有相当价值的监测资料。通过对监测数据进行拟合，发现墙后的地面沉降曲线呈明显的正态函数分布，并得到其分布函数曲线表达式，提出一种方便实用的基坑开挖引起墙后地面沉降的估算方法。为今后研究宁波深厚淤泥软土地区深基坑工程地面沉降特性以及类似工程提供一定参考依据。关键字：深厚淤泥；基坑开挖；基坑变形；地面沉降；变形计算中图分类号：TU455文献标识码：A文章编号：作者简介：EstimationofgroundsettlementarousedbysubwaydeepfoundationpitexcavationinNingbodeepsiltregionZHENGJiandong1（1.MunicipalEngineeringSatetyandQualitySupervisionStation，NingBo315010）Abstract:TheprojectofsubwaystationforleavingandarrivinginNingboislocatedinaregionwheredeepsiltisextensivelydistributed.Thisfoundationpitprojectadoptedretainingstructureschemeofthecast–in-placepileandcementmixingmethod,carriedoutcompleteanddetailedmonitoringintheconstructionprocess,andgainedvaluablemonitoringdata.Thesettlementcurveshowsanormalfunctiondistribution,andnormalfunctionexpressionsareobtainedbyfitting,anestimationmethodisproposedbasedonthedeformationmodesoftheretainingstructures.Itprovestobeapracticalmethodforestimatinggroundsettlementarousedbydeepexcavation.andprovidesreferencesforfurtherresearchonengineeringpropertiesofdeepsiltandsimilarprojects.Keywords:Deepsilt；excavation；pitdeformation；groundsettlement；deformationcalculation引言目前，基坑开挖引起围护结构的内力和变形问题可以应用杆系有限元法得到实用性解决[1-2]。而对于基坑开挖引起的墙后土体沉降问题，主要有数值分析法和实测统计方法。在实测统计法方面，Peck[3]根据奥斯陆和芝加哥地区的板桩和排桩支护结构的实测资料，绘制了具2012/4/289:26:14共6页第1页有很大经验性的墙后地面沉降与距离基坑壁径向距离的关系图表。在上海软土地区，李琳等[4]收集了大量基坑监测数据，分析了开挖深度与围护结构最大侧向变形及位置的关系，建立了抗隆起稳定安全系数与围护结构最大侧移和墙后最大地面沉降的关系。宁波淤泥软土特性不同于上海、广州、杭州等地的淤泥软土，它具有更强的压缩性和流变性[5-6]，而宁波深厚淤泥地区深基坑墙墙后沉降规律研究不多，本文在以宁波地区某地铁深基坑为研究对象，基于抛物线形式的围护结构变形形式，通过大量的监测数据进行拟合研究墙后地面沉降的规律，并提出了宁波深厚淤泥地区深基坑开挖引起的地面沉降估算实用方法。1工程概况宁波市某轨道交通出入段线明挖段由东环南路站前引出，出入段线明挖段工程起点R5K0+800，终点R5K1+152，全长352m，宽度为17m~22.2m。采用明挖顺筑法施工，底板埋深约为0～13m。全长352m。根据设计方案，拟建出入段线明挖施工直接涉及到地层为①1-2层素填土、①2层灰黄色粘土、①3层灰色淤泥质粘土、②2-1层淤泥、②2-2层灰色淤泥质粘土。其中①1-2层素填土结构松散。主要地层参数见表1.2。潜水主要赋存于浅部粘性土、粉性土中，根据区域地质资料，地下水位变化幅度不大，一般在0.5～1.0m之间。根据勘察资料：深部⑥4层灰色砂质粉土和⑧1层灰色粉细砂中承压水水位相对较稳定，对工程无影响。根据出入段线的环境条件，开挖深度＞6m的基坑变形保护等级按照二级保护要求进行控制；开挖深度＜6m的基坑变形保护等级按照三级保护要求进行控制。表1土层物理力学参数Tab.1Physicalandmechanicalparametersofsoils层号土层名称地层均厚(m)土层重度3kN/mg-（）空隙比e压缩模量s12()EMpa-内聚力()uuCkpa内摩擦角()uuFo状态①2灰黄色粘土1.118.80.8515.1426.56.2可塑①3灰色淤泥质粘土3.517.71.1462.0417.86.3流塑②2-1淤泥6.816.41.5851.9612.36.1流塑②2-2灰色淤泥质粘土2.716.91.4222.1514.06.5流塑2监测方案根据基坑设计环境安全控制等级、周边环境以及地质复杂程度，按照相关规范[7-8]要求综合考虑，本基坑按变形监测III级技术要求进行监测，控制点测量按II级精度要求施测。2.1监测范围及内容2012/4/289:26:15共6页第2页以该工程基坑施工区域周围2倍基坑开挖深度范围内地下管线、周边土体、周边建筑物和基坑围护结构本身作为本工程监测及保护的对象。环基坑周围垂直基坑走向要布设若干组地表沉降监测断面。监测项目有：围护墙顶水平位移及沉降监测；围护墙体测斜监测；地表的变形及沉降监测；支撑轴力监测；基坑外地下水位监测；基坑外侧土压力监测；基坑周围孔隙水压力监测。2.2地表沉降监测点布设地表沉降对基坑施工和周边环境影响最大，故本文只针对围护墙体周围地表沉降的变化进行重点讨论。以下对测斜孔和沉降监测点的布置进行必要说明，各监测点布置如图1。D1-1D1-2D1-3D1-4D2-1D2-2D2-3D2-4D3-1D3-2D3-3D3-4D4-1D4-2D4-3D4-4D5-1D5-2D5-3D5-4D6-1D6-2D6-3D6-4D7-1D7-2D7-3D7-4D8-1D8-2D8-3D8-4D9-1D9-2D9-3D9-4D10-1D10-2D10-3D10-4D11-1D11-2D11-3D11-4D12-1D12-2D12-3D12-4D13-1D13-2D13-3D13-4D14-1D14-2D14-3D14-4D15-1D15-2D15-3D15-4D16-1D16-2D16-3D16-4D17-1D17-2D17-3D17-4D18-1D18-2D18-3D18-4D19-1D19-2D19-3D19-4D20-1D20-2D20-3D20-4D21-1D21-2D21-3D21-4Cx1Cx2Cx3Cx4Cx5Cx6Cx7Cx8Cx9Cx10Cx11Cx12Cx13Cx14Cx15Cx16Cx17Cx18Cx19Cx20Cx21Qw1Qw2Qw3Qw4Qw5Qw6Qw7Qw8Qw9Qw10Qw11Qw12Qw13Qw14Qw15Qw16Qw17Qw18Qw19Qw20Qw21Sw1Sw2Sw3Sw4Sw5Sw6Sw7Sw8Sw9Sw10Sw11Sw12Sw13Ky1Ky2Ky3Ky4Ky5Ky6Ky7Ky8Ky9Ky10Ky11Ky12Ty1Ty2Ty3Ty4Ty5Ty6Ty7Ty8Ty9Ty10Ty11Ty12Qw墙顶水平位移、墙顶沉降测斜管CxSwD地表沉降观测点坑外地下水位土压力监测点TyKy孔隙水压力监测点图例图1监测点平面布置图Fig.1Layoutofmonitoringsite3基于向抛物线变形模式的墙后地面沉降计算3.1围护结构变形模式简化Goldberg等[9]通过大量实测数据，认为任意围护结构变形模式可以简化为4种基本变形模式，有墙体向坑内平移、围护结构墙体绕墙趾或墙顶向坑内转动，以及向坑内鼓胀。本工程测斜实测资料表明，围护结构变形曲线与向抛物线模式最接近，将变形曲线简化为抛物线形式，且抛物线顶点在开挖面附近。如图2所示。2012/4/289:26:16共6页第3页图2抛物线变形模式Fig.2DeformationmodesofdieParabel3.2基坑开挖工况及参数本文选取开挖深度较深部分的共10个监测断面的44个有效监测点进行数据拟合。文中出现的各符号含义如图所示。图3深基坑各符号含义Fig.3Definitionsofdeepexcavationvariables3.3计算方法Peck以1969年提出了采用正态密度函数预测隧道施工引起地面沉降的方法[3]，取得了较好的预测效果。图3的研究表明，上海市基坑周围地面沉降曲线型式以凹槽型为主，存在一个沉降槽偏心距0x。因此，笔者基于正态密度分布函数提出了考虑沉降槽偏心距0x的地面沉降预测公式：20()kxxvvmedd--=(1)式中：k为沉降相关系数，与沉降槽的影响半径相关；0x为沉降槽的偏心距(见图1)，即最大沉降点所在的位置。当0x0时，沉降曲线表现为凹槽型；当0x=0时，沉降曲线表现为抛物型。2012/4/289:26:17共6页第4页根据式(1)，如果知道了参数δvm，k和0x的大小，就可以求出任意一点的地面沉降量vd。vmd可以根据以下步骤计算得到：步骤1：对式(1)两边同时取对数，整理得到：20()lnlnkxxvvmedd--=(2)令lnvyd=，lnmvmyd=，z=20()xx-，则式(2)转换为myykz=-(3)把z看作自变量，则y是关于z的线性函数。步骤2：根据监测成果，选取不同的xi(i≥3)值以及对应的vid值，令0x=0，±0.1H，±0.2H，…，±1.0H，分别代入式(2)，(3)，可以得到一系列y，z值。因为y和z满足线性关系,对其进行线性回归拟合。可以得到ym，k值及判定系数R2。步骤3：绘制0x与R2的关系图,确定0x的初值大小'0x。步骤4：再令0x='0x，'0x±0.01H，'0x±0.02H，…，'0x±0.09H，重复步骤2和步骤3，确定'0x的最终值。步骤5：把求得的0x值代入到步骤2，可以求得ym，k的最合适值，即可求得k和vmd的大小。3.4计算结果本文选取开挖深度较深部分的共10个监测断面的44个有效监测点进行数据拟合。针对以上10种工况建立不同的工况进行数据统计计算，对计算结果进行整理发现，在抛物线的围护墙体变形模式下，图4给出了墙体向抛物线模式下的墙后地面沉降计算结果。从图4可以看出，沉降点呈凹槽式分布，其拟合曲线公式为20.541(1.336)max0.849xhvved--=(4)2012/4/289:26:17共6页第5页图4绕墙趾转动模式下地面沉降分布图Fig.4DistributionofgroundsettlementintheMode4结语本文基于宁波深厚淤泥地区某地铁基坑围护结构的抛物线变形模式，根据大量的监测数据进行拟合，得到基坑周围的地面沉降规律，提出了宁波地区某地铁深基坑开挖引起的地面沉降估算方法和公式。参考文献：[1]杨敏,冯又全,王瑞祥.深基坑支挡结构的力学分析及与实测结果的比较[J].建筑结构学报,1999(2):68–75.[2]JGJ120—99建筑基坑支护技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,1999.[3]PECKRB.Deepexcavationsandtunnelinginsoftground.state-of