劉春陽(yáng)，羅 霞，趙子文

（1.南通市九圩港水利工程管理所，江蘇 南通 226000；2.南通市通呂運(yùn)河水利工程管理所，江蘇 南通 226000；3.南通港集團(tuán)建設(shè)投資有限公司，江蘇 南通 226000）

引 言

基坑開(kāi)挖施工是泵站工程不可避免的一個(gè)施工環(huán)節(jié)，根據(jù)大量的實(shí)踐與研究成果可知，基坑開(kāi)挖施工會(huì)造成周?chē)馏w的擾動(dòng)，此種擾動(dòng)會(huì)造成基坑底部土體發(fā)生彈性、塑性隆起，從而誘發(fā)圍護(hù)墻體發(fā)生位移，造成基坑內(nèi)部與外部土體發(fā)生豎直與水平方向的沉降位移。而坑內(nèi)土體沉降是造成地表沉降的主要原因之一，因此可以認(rèn)為基坑開(kāi)挖過(guò)程中的坑內(nèi)沉降，是導(dǎo)致地表土體發(fā)生沉降的主要原因之一[1]。在深入基坑工程的研究中發(fā)現(xiàn)，尤其是鄰近市中心結(jié)構(gòu)的基坑工程，其周?chē)ǔ７植贾矘?gòu)筑物、地下管道、市政環(huán)線(xiàn)管道等，一旦在基坑施工中出現(xiàn)變形問(wèn)題，不僅會(huì)對(duì)市政基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)施的建設(shè)造成影響，還會(huì)在一定程度上對(duì)基坑周邊環(huán)境的安全性造成干擾[2]。因此，有必要在基坑工程施工中，做好對(duì)地表沉降的綜合分析。目前，我國(guó)地質(zhì)工程科研單位工作人員已對(duì)此項(xiàng)工作展開(kāi)了全面的研究與分析，并基于理論與實(shí)踐角度，對(duì)施工過(guò)程的地表沉降進(jìn)行了不同角度的分析，盡管現(xiàn)有的研究成果已較為豐富，但大部分研究成果都是針對(duì)專(zhuān)項(xiàng)工作開(kāi)展的，可以認(rèn)為研究成果存在一定的局限性。為實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有研究成果的填充，本文以某泵站工程為例，對(duì)基坑開(kāi)挖中的地表沉降進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 泵站施工基坑開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降分析

1.1 建立泵站施工基坑開(kāi)挖過(guò)程中地表土層參數(shù)模型

為實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站基坑施工過(guò)程中的地表沉降精準(zhǔn)分析，應(yīng)在開(kāi)展相關(guān)研究前，明確泵站施工所在位置的場(chǎng)地環(huán)境，并根據(jù)開(kāi)挖的不同深度，建立地表土層參數(shù)模型。為實(shí)現(xiàn)對(duì)土層情況的模擬，此次研究選擇Hardening Soil 模型，進(jìn)行開(kāi)挖施工中土體環(huán)境的模擬，根據(jù)開(kāi)挖施工中不同土層的力學(xué)性能，設(shè)定地表土層力學(xué)參數(shù)模型[3]。對(duì)基坑力學(xué)參數(shù)進(jìn)行建模分析，如表1 所示。

表1 地表土層力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)

按照表1 中的內(nèi)容，設(shè)定4 倍于實(shí)際沉降值的開(kāi)挖深度，在構(gòu)建地表沉降模型時(shí)，可將土體對(duì)稱(chēng)性與地表沉降速度作為建模中的可控參數(shù)[4]。并按照常規(guī)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，將相關(guān)土層系數(shù)導(dǎo)入結(jié)構(gòu)模型中，以此種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)地表沉降分析模型的構(gòu)建。

1.2 地表最大沉降點(diǎn)位置確定

掌握泵站施工基坑開(kāi)挖過(guò)程中的地層參數(shù)后，考慮到基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)周?chē)耐馏w沉降大多發(fā)生在基坑邊緣位置，在完成開(kāi)挖施工后，根據(jù)基坑沉降的中心點(diǎn)，繪制沉降曲線(xiàn)。通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性綜合分析，明確地質(zhì)結(jié)構(gòu)沉降曲線(xiàn)在坑內(nèi)呈現(xiàn)一個(gè)近似三角形結(jié)構(gòu)[5]。而支護(hù)結(jié)構(gòu)在此過(guò)程中起到支撐基坑的作用，此時(shí)基坑結(jié)構(gòu)的地表沉降最大點(diǎn)大多發(fā)生在距離圍護(hù)墻一定位置處[6]?？紤]到基坑開(kāi)挖深度與其地表沉降之間存在某種關(guān)聯(lián)性，因此，可以根據(jù)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的不同承重點(diǎn)，對(duì)其沉降盆結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 泵站施工基坑開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降基坑盆示意圖

在圖1 中，圓圈點(diǎn)為泵站施工基坑開(kāi)挖過(guò)程中地表最大沉降點(diǎn)，考慮到最大沉降點(diǎn)通常位于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)外部，即在支護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐下，地表的沉降值較低。而隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)支撐作用力的降低，地表沉降增加，此種增加呈現(xiàn)一種線(xiàn)性變化趨勢(shì)，當(dāng)增加的沉降值超過(guò)基坑施工作用力范圍后，地表沉降又發(fā)生逐步降低與減小的趨勢(shì)。通常情況下，沉降值降低的速度為先快后慢。

1.3 地表沉降值估算

為進(jìn)一步掌握在泵站施工基坑開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降的變化趨勢(shì)，應(yīng)根據(jù)土層力學(xué)結(jié)構(gòu)模型與基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的位置，提出式（1）所示的假設(shè)：

式中 D——泵站施工基坑開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降范圍；

KD——施工影響的地表沉降范圍；

h——基坑開(kāi)挖深度。

考慮到泵站工程中，基坑開(kāi)挖施工地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，坑底土層的穩(wěn)定性極易受到外界環(huán)境的干擾出現(xiàn)異常現(xiàn)象。為了保證基坑施工中主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，降低基坑施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，應(yīng)將支護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度與基坑深度作為可控變量，對(duì)地表沉降值進(jìn)行估算分析。當(dāng)基坑開(kāi)挖深度為一個(gè)固定數(shù)值時(shí)，需要增加支護(hù)結(jié)構(gòu)或擋土墻結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度，以提高施工時(shí)地表土層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，即降低施工對(duì)地表沉降的影響。因此，可將基坑深度作為地表沉降估算的已知參數(shù)，根據(jù)已知參數(shù)與泵站施工基坑開(kāi)挖施工經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，將施工行為系數(shù)設(shè)定為固定值2.5。按照此種方式，對(duì)基坑施工對(duì)地表沉降的影響范圍、基坑深度兩者的關(guān)系進(jìn)行描述，如式（2）所示：

考慮到地表土層結(jié)構(gòu)與地表沉降兩者之間的關(guān)系服從施工中的沉降曲線(xiàn)正態(tài)分布，因此，提出兩者關(guān)系的函數(shù)計(jì)算表達(dá)式，如式（3）所示：

式中 s（x）——泵站施工基坑開(kāi)挖過(guò)程中地表曲線(xiàn)正態(tài)分布；

smax——最大沉降點(diǎn)（mm）；

x——沉降盆結(jié)構(gòu)；

r——沉降盆的半徑。

在此基礎(chǔ)上，將支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工中發(fā)生的水平位移定義為y，對(duì)y 的描述可以用式（4）表示：

式中 ymax——支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工中發(fā)生的最大水平位移。

此時(shí)，泵站施工基坑開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降曲線(xiàn)與支護(hù)結(jié)構(gòu)變形兩者被定義為正比例關(guān)系，對(duì)兩者關(guān)系進(jìn)行描述，如式（5）所示：

式中 Fw——沉降曲線(xiàn)在計(jì)算中的包絡(luò)面積；

Ks——地表沉降不同位置的差異系數(shù)；

Fs——支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)基坑施工的支護(hù)軸力矩。

按照上述方式，可以掌握地表沉降包絡(luò)面積，將最大沉降點(diǎn)的空間位置代入上述計(jì)算公式，即可得出并掌握地表沉降情況，基于此種方法，掌握施工中的地表沉降變化情況，實(shí)現(xiàn)并完成對(duì)施工中地表沉降的綜合分析。

2 實(shí)例應(yīng)用分析

在本文上述論述基礎(chǔ)上，為了驗(yàn)證上述提出的分析方法在實(shí)際應(yīng)用中的效果，選擇某泵站為例，將該分析方法應(yīng)用到這一泵站施工項(xiàng)目當(dāng)中，并針對(duì)基坑在開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生的地表沉降進(jìn)行分析和判斷。

2.1 泵站施工基坑開(kāi)挖區(qū)域劃分

根據(jù)實(shí)際施工內(nèi)容和施工地點(diǎn)，工程施工區(qū)域擬劃分為泵站內(nèi)基坑工程施工區(qū)和泵站外頂管井及雨水管道工程施工區(qū)兩個(gè)大工區(qū)，由雨水箱涵段基坑作為兩區(qū)域的連接。泵站內(nèi)工程：包括雨水箱涵東段基坑、進(jìn)水閘門(mén)井及進(jìn)水箱涵基坑、泵房主體結(jié)構(gòu)基坑、出水箱涵基坑及排放口基坑等；泵站外工程：包括雨水、污水管道、頂管井、雨水箱涵西段基坑及原有泵站改造等。

2.2 泵站內(nèi)基坑開(kāi)挖施工技術(shù)

場(chǎng)內(nèi)施工流程根據(jù)“先地下、后地上、先深后淺”的原則進(jìn)行。場(chǎng)內(nèi)主要基坑共有3 個(gè)，包括進(jìn)水箱涵基坑、泵房主體基坑及出水箱涵（排放口）基坑。3 個(gè)基坑的圍護(hù)樁及地下連續(xù)墻可以同時(shí)施工，但不可以同時(shí)開(kāi)挖，應(yīng)最先開(kāi)挖泵房主體結(jié)構(gòu)基坑。

1）雨水泵房主基坑施工流程為：施工準(zhǔn)備、地墻施工（先三軸攪拌樁、導(dǎo)墻）、地基加固、樁基施工、深井點(diǎn)降水、第一層土方開(kāi)挖及支撐施工、混凝土養(yǎng)護(hù)、第二層至第四層土方及支撐施工交替進(jìn)行、第五層土方開(kāi)挖、施工墊層和底板、由下至上依次進(jìn)行地下部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工（期間一道鋼管換撐）、第一道混凝土支撐拆除（留結(jié)構(gòu)部分）、井點(diǎn)管割除—→頂板施工、地上部分結(jié)構(gòu)施工。

2）進(jìn)水閘門(mén)井及進(jìn)水箱涵基坑施工流程為：施工準(zhǔn)備、鉆孔樁施工、高壓旋噴樁施工、地基加固、井點(diǎn)降水、第一層土方開(kāi)挖、第一道鋼筋混凝土圍檁及鋼支撐施工、第二層土方開(kāi)挖、第二道鋼圍檁及鋼支撐施工、第三層土方開(kāi)挖、第三道鋼圍檁及鋼支撐施工、第四層土方開(kāi)挖、墊層底板、進(jìn)水閘門(mén)井及箱涵結(jié)構(gòu)施工、回填至第二道鋼支撐位置時(shí)拆除第二道鋼支撐—→回填至第一道鋼支撐位置時(shí)拆除第一道鋼支撐、回填至地面，恢復(fù)路面。

通過(guò)本文上述論述可知，施工中地表產(chǎn)生的沉降及其影響范圍與基坑本身的深度之間成正比例變化關(guān)系。因此，基于這一特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)不同基坑深度位置上本文分析方法得出的地表沉降分析結(jié)果是否具備一定正比例變化規(guī)律，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)分析可行性的驗(yàn)證?；诖?，選擇在泵站施工的基坑中隨機(jī)選擇五處不同深度的測(cè)點(diǎn)，將五個(gè)測(cè)點(diǎn)分別編號(hào)為CD-1#、CD-2#、CD-3#、CD-4#和CD-5#。五個(gè)測(cè)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)的基坑深度為5 m、10 m、15 m、20 m 和25 m。利用本文提出的分析方法對(duì)五個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行地表沉降分析，并得出其可能出現(xiàn)的沉降結(jié)果。在完成預(yù)測(cè)后，將分析得出的結(jié)果與施工中各個(gè)測(cè)點(diǎn)實(shí)際產(chǎn)生的沉降進(jìn)行對(duì)比，為了確保數(shù)據(jù)的可靠性在對(duì)實(shí)際產(chǎn)生的沉降進(jìn)行測(cè)定時(shí)采用精度為0.1 mm 的沉降測(cè)量?jī)x，該沉降測(cè)量?jī)x的型號(hào)為GCS19-6940，重讀性讀數(shù)為0.2 mm，運(yùn)行過(guò)程中的工作電壓為9 V，適用溫度范圍為（-20～50）℃，在測(cè)定各個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降值時(shí)可通過(guò)發(fā)光管和蜂鳴器顯示信號(hào)。將本文沉降分析得出的結(jié)果與各個(gè)測(cè)點(diǎn)實(shí)際沉降值進(jìn)行對(duì)比，為了方便比較，將其繪制成如表2 所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表2 本文沉降分析方法實(shí)例應(yīng)用結(jié)果記錄表

從表2 中記錄的數(shù)據(jù)可以看出，各個(gè)測(cè)點(diǎn)上本文分析方法得出的結(jié)果與實(shí)際沉降值之間存在的誤差在（0.01～0.02）mm 范圍內(nèi)，并且得出的分析結(jié)果與各個(gè)測(cè)點(diǎn)的基坑深度之間表現(xiàn)出了明顯的正比例關(guān)系。從實(shí)例應(yīng)用結(jié)果可以看出，本文提出的分析方法在實(shí)際應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，得出的分析結(jié)果與實(shí)際相差不超過(guò)0.02 mm。在實(shí)際應(yīng)用中，將本文提出的分析方法應(yīng)用到具體工程項(xiàng)目當(dāng)中，可為其基坑開(kāi)挖方案的制定提供重要的數(shù)據(jù)依據(jù)，確保開(kāi)挖方案可行。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文從建立泵站施工基坑開(kāi)挖過(guò)程中地表土層參數(shù)模型、地表最大沉降點(diǎn)位置確定、地表沉降值估算三個(gè)方面，以某泵站工程為例，對(duì)基坑開(kāi)挖中的地表沉降展開(kāi)詳細(xì)分析。完成對(duì)此方法的設(shè)計(jì)后，以某泵站基坑工程為例，開(kāi)展實(shí)例應(yīng)用分析實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，此次研究設(shè)計(jì)的方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，得出的分析結(jié)果與實(shí)際相差不超過(guò)0.02 mm，通過(guò)此種方式，為基坑工程開(kāi)挖施工提供進(jìn)一步的幫助。