摘要：随着城市地下空间开发和轨道交通建设的发展，地铁车站基坑工程周边环境条件呈现明显复杂化的趋势，需要慎重考虑基坑施工对周边建筑物的影响。尽管已有大量的基坑工程与周边环境相互影响的分析研究，但基坑开挖施工过程中由于围护结构变形、周边地表沉降带来的对邻近建筑物影响还有待进一步的深入探讨。本文通过南宁轨道交通5号线地铁车站深基坑开挖为例，对圆砾地层地铁深基坑开挖对周围建构筑物沉降进行了研究分析。
关键词：地铁 深基坑开挖 砾地层 周围建构筑物 沉降
1、工程背景
广西大学站是南宁市轨道交通5号线第8个车站，车站位于大学路与明秀西路交叉路口上，沿明秀西路东西方向敷设，为地下三层双柱三跨箱型框架结构，与运营的1号线呈T型换乘。车站东西两侧多有高层建筑及小区，空闲空地稀少，周围规划以商业、居住为主。车站为地下三层岛式车站，最大开挖深度达到26.5m。车站共设置2个出入口、2组风亭，其中Ⅱ号出入口与2号风亭合建。车站两端相邻区间均采用盾构法施工。车站采用岛式站台，三层双柱三跨箱型框架结构，负一层为站厅层，负二层为设备层，负三层为站台层。
车站有效站台中心里程为YDK22+108.821，车站设计起讫里程为YDK22+31.821～YDK22+187.821。车站外包总长156m，车站有效站台120m×13m，标准段结构外包尺寸为22.6m（不含围护结构）×23.04m，线间距16.0m。车站顶部覆土约3.0m。车站设2个出入口2组风亭（均为矮风亭）。主体及附属基坑均采用明挖法。现状地面标高约77.2m。结构底板标高约50.546m，结构底板埋深约26.5m。
车站围护结构连续墙厚1000mm，采用 C35P8水下混凝土，连续墙共分“一”字型标准墙幅和特殊墙幅。其中“一”字型槽段有59幅，特殊型槽段有8幅， 其中“L”型3幅，其中“Z”型5幅。“一”字型有4000mm、4500mm、5000mm、6000mm、7450mm五种幅宽类型，7450mm幅宽适用于盾构开孔段。连续墙接头采用工字型钢板封口接头。广西大学站主体结构深基坑开挖土石方约95000m3，车站总长约156m，标准段基坑宽22.6m,深约25.7m；大、小里程端盾构井基坑宽28.1m，深约26.5m，基坑标准段竖向设置4道支撑，小里程废水池位置设置5道（第五道为钢支撑），同时设置26根φ1000mm格构柱，作为钢支撑架设支撑体系。第一道为800×900mm钢筋混凝土支撑，连系梁为600×800mm钢筋混凝土结构；第二道采用Φ609、t=16mm钢管支撑，钢围檩采用双拼45C工字钢，连系梁为双拼[40a系梁；第三道为砼支撑，采用900×1000mm,1000×1200mm两种规格，腰梁采用800×1200mm钢筋混凝土结构；第四道为钢支撑，采用并撑形式，采用Φ609、t=16mm钢管支撑，钢围檩采用双拼45C工字钢,，连系梁为双拼[40a系梁。
2、深基坑地层特性
根据地质勘察报告，本站所处场地为工程地质Ⅰ区，属于邕江低阶地亚区。本站站址范围内各地层岩性由上到下大致为：
根据初勘报告，本站所处标段范围内沿线主要揭露第四系、古近系及泥盆系地层，包括填土层①、黏性土层②、粉土层③、砂土层④、圆砾层⑤、古近系半成岩的泥岩和粉砂岩地层⑦。本站主体基坑开挖范围内地层主要为圆砾地层。地层物理力学性能参数如表2.1。
表2.1 广西大学站主体基坑地层物理力学性能参数表
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3、深基坑周边建构筑物情况
广西大学站站位周边规划用地主要以教育用地、居住用地、商业金融用地为主。车站周边建构筑物主要有北侧的百汇华庭商住楼（23F）、广西移动通讯公司南宁分公司(5F)、五里亭派出所（1~6F）；南侧的精途酒店（7F）、星光老年服务中心（6F）、南宁职业技术学院、位于大学路的既有1号线地铁车站、110KV高压线塔等。车站基坑与周边建构筑物平面位置关系见图3.1。
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图3.1 广西大学站基坑与周边建构筑平面位置关系图
南侧的精途酒店（7F）距离车站主体基坑约4m，星光老年服务中心（6F）距离主体基坑约13.5m，周边控制性建构筑物与广西大学站具体位置关系情况详见表3.1。
表3.1 广西大学站与周边控制性建构筑物关系情况表
工点名称 道路情况 周边控制性建构筑物 备注
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明秀西路：双向6车道，与大学路交叉，周边多为教育、商业、居民楼等建筑，人流量多。 百汇华庭商住楼23层，距离基坑约58m
广西移动通讯公司南宁分公司(5F)距离主体基坑约23m，距离附属基坑约5.2m，为框架结构、浅基础。
五里亭派出所（1~6F），框架结构、浅基础。
南侧的精途酒店（7F）距离主体基坑约4m，框架结构、浅基础。
星光老年服务中心（6F）距离主体基坑约13.5m，框架结构、浅基础，距离附属基坑约4m。
南侧南职院住宅楼（8F）距离附属基坑约5m，砖混结构、浅基础。
北侧七天便捷酒店（12F）距离附属基坑约5.2m，框架结构、浅基础。
110KV高压线塔基座距离车站主体平面最近距离10.7m。
既有1号线车站距离车站主体平面最近距离约3.85m。
4、基坑开挖导致地基变形机理及主要形式
4．1基坑开挖变形机理
基坑开挖之前，土体处于应力平衡状态，当基坑中的土体被开挖后，土体一侧的荷载被卸载，原有的平衡状态破坏，水平方向的荷载有所改变，但是土体自重及地表荷载在竖直方向没有发生变化，这样在自身重力以及上部荷载共同作用下就会产生一定的压缩变形。从微观的角度来看，主要表现为土体的主动压缩，而从岩土体宏观角度来讲，土体的竖向的沉降变形是由土体的侧向变形引发的。
4．2基坑开挖变形形式
基坑开挖变形主要包括墙体变形、基坑底部突起以及周围地表沉降3种形式。这3种变形形式之间具有一定联系，其中周围地表沉降是最主要的变形形式。
(1)墙体水平变形。基坑开挖是一个渐变的过程，墙体的水平位移也是随着施工过程发生变化的，在施工初始阶段，由于基坑深度较浅无法在墙面设置支撑，此时无论墙体是刚性还是柔性的，墙体顶部的水平位移均为最大值，并且沿基坑深度方向逐渐减小，同时随着基坑施工深度不断增加。当墙面有条件设置支撑时，墙体的顶部位置受到了约束而无法发生水平变形，但是在墙体的腹部位置逐渐向坑内突出。
(2)墙体竖向变形。基坑开挖过程中，墙体的竖向变形往往被忽略，但是在实际工程当中，由于基坑开挖造成土体自重被释放，导致墙体会产生一定程度的竖向变形，从而对基坑的稳定性产生影响，引起地表变形，这种状况对于饱和性较好的软弱地层需要引起足够的重视。
(3)基坑底部土体突起。由于基坑开挖过程中伴随着土体的应力场发生变化，当上部荷载释放之后，会造成基坑底部的土体发生弹性变形而发生突起，这个现象也是与基坑开挖的施工过程相关的。基坑开始开挖时，基坑深度不大，基坑底部产生的初始突起主要是由于土体卸载后发生弹性变形造成的，但是随着基坑开挖深度逐渐增加，基坑围墙高程不断增加而导致内外应力差值发生变化，当这种变化达到一定的规模时会导致墙体外侧的土体不断向基坑内部发生移动，最终造成基坑底部向上突起的现象。
(4)周围地表的沉降。基坑开挖时可能导致基坑周边地面沉降，与围护墙体水平变形相似，基坑开挖造成的地表沉降也与施工过程相关，并且由于开挖地层刚度的差异而呈现三角形或抛物线性分布。在基坑初始开挖阶段，基坑深度较浅，由于防护墙内外应力差的影响，墙地底部会产生较大的位移，而地表则会产生沉降，并且在基坑边界处产生的变形最大，此时地表的沉降呈现三角形分布形式；当基坑开挖深度不断增大时，并且开挖地层刚度增大，此时地表的沉降呈现抛物线的分布形式，周围地表的最大沉降位置不在基坑边界位置处，而是与基坑边界有一定的距离。地表沉降主要与地层的性质、墙体的入土深度以及基坑支护的方法相关。
5、深基坑开挖对周围建筑物沉降影响
5.1 深基坑开挖对建筑物沉降影响的因素分析
根据上文的分析可知，在基坑开挖过程中会破坏原有地表的应力平衡，导致基坑支护结构发生形变，还会造成地表的不均匀沉降，其中沉降及变形的程度受到支护结构约束、地质条件等因素的影响，只有保证施工时将地表沉降控制在一定范围内，基坑开挖才不会发生失稳，在此基础上，文章重点分析了支护结构强度、建筑物强度对建筑物沉降的影响。支护结构刚度为160MPa、180MPa以及200MPa三种情形下，建筑物的地表沉降量与基坑间距之间的变化关系曲线如图5.1 (a)所示；建筑物强度为20MPa、30MPa以及40MPa三种情形下，建筑物的地表沉降量与基坑间距之间的变化关系曲线如图5.1 (b)所示。
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图5.1 支护结构刚度、建筑物强度与基坑间距之间的变化关系曲线图
（1）支护结构刚度对建筑物沉降的影响。根据图5.1 (a)可以看出，在3种支护结构刚度影响下，建筑物沉降量随着基坑间距的增加均表现出先增大后减小的发展规律，且均在与基坑间距为40m左右的位置达到了最大值，其中支护结构刚度为160MPa的基坑沉降量峰值为10．4mm，支护结构刚度为180MPa的基坑沉降量峰值为8．2mm，支护结构刚度为200MPa的基坑沉降量峰值为5．8mm，可以看出随着支护结构刚度逐渐增加，建筑物的沉降量逐渐降低，表明加强支护结构刚度在降低基坑变形中具有重要作用，主要是由于支护结构刚度增大，可以有效降低支护结构的刚度，从而有效减小地连墙的水平位移。
（2）建筑物强度对沉降的影响。根据图5.1 (b)可以看出，随着建筑物强度的变化，建筑物沉降也会发生改变，但是沉降量随基坑间距的增加均呈现出先增大后减小的趋势，这种变化规律与支护结构刚度对建筑物的影响规律相似，并且沉降量峰值点均出现在距离基坑40m左右的区域，表明加强建筑物的强度是减小建筑物沉降的有效途径之一，其主要是由于在基坑开挖过程中，原有应力平衡状态破坏，导致基坑周边的土体会产生水平方向的变形，但是建筑物的存在可以有效的阻断变形，起到一定的限制作用，并且这种限制作用的影响随着建筑物刚度的增加不断增大。
6、减小建筑物沉降的有效措施
广西大学站5号线工地周围建构筑较多，如七天连锁酒店、精途酒店、高压线塔、既有运营1号线等，降水施工、深基坑开挖施工不当均会造成周边建构筑物沉降与变形，为了减小5号线广西大学站建设过程中基坑开挖导致的周边建构筑物沉降量过大，车站深基坑开挖过程中采取了合理有效措施限制建构筑物的沉降，具体措施有：
（1）基坑开挖时严格按照方案实施，边开挖边支护，在基坑开挖过程中充分利用“时空效应”，按照“纵向分段，竖向分层，随挖随撑”的原则进行开挖，并及时架设支撑，以尽早对围护结构进行支护，减少基坑开挖变形对周边建构筑沉降的影响。
（2）施工降水分阶段进行，避免周边建筑物不均匀沉降，同时加强施工监测，发现变形异常，采取回灌补充地下水位等措施进行处理。
（3）深基坑开挖前，及时做好了地连墙接缝质量检测、墙体质量检测，确保基坑开挖过程中基坑不发生涌水、涌砂现象。
（4）由于既有线1号线广西大学站为运营线，客流量大，结构安全尤为重要，车站深基坑开挖前后按照要求做好自动化监测，并及时上报监测数据；同时与运营单位建立联动机制，确保险情发生后第一时间启动应急预案。
7、结束语
文章通过对南宁轨道交通5号线广西大学站地铁工程在基坑开挖过程中对周围建筑物沉降产生的影响进行研究，得到以下结论：(1)原有的土体平衡状态在基坑开挖过程中遭到破坏，导致土体产生变形。(2)基坑支护结构刚度以及建筑物强度对建筑物沉降的影响具有相同的规律，建筑沉降量随着基坑间距的增加，均表现出先增大后减小的趋势，且随着基坑支护结构刚度以及建筑物强度的增加逐渐减小。(3)在地铁基坑开挖过程中，应当采取加强支护结构的刚度或者提高建筑物的强度等措施，以减小建筑物的沉降量，降低不利影响。
参考文献：
[1]马宗峰．地铁车站深基坑分布开挖数值模拟分析[D]：[硕士学位论文]．天津：河北工业大学，2010
[2]徐至钧，曾宪明，李宪奎．深基坑支护新技术精选集[M]．北京：中国建筑工业出版社，2012．2—3