鄭州市軌道交通基坑工程變形特性的分析與研究

袁聚亮，葛夢溪

(鄭州市軌道交通有限公司，河南 鄭州 450000)

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鄭州市軌道交通基坑工程變形特性的分析與研究

袁聚亮，葛夢溪

(鄭州市軌道交通有限公司，河南 鄭州 450000)

通過對鄭州市軌道交通1號線和2號線一期20個車站基坑的變形監(jiān)測資料進(jìn)行統(tǒng)計分析，以基坑深度為依據(jù)，分別研究了不同風(fēng)險等級基坑的地表沉降、樁(墻)頂水平位移和樁(墻)體水平位移情況；明確了各監(jiān)測項目的實測值分布形態(tài)，并給出了實測數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計結(jié)果；分析了樁(墻)體水平位移最大值出現(xiàn)的位置，明確了基坑深度對最大值位置的影響，并著重對該地區(qū)基坑工程的變形規(guī)律進(jìn)行了分析研究。研究成果可指導(dǎo)后續(xù)鄭州地區(qū)基坑工程變形控制工作的開展，也可為類似地區(qū)基坑工程建設(shè)提供借鑒。

城市軌道交通；基坑工程；變形監(jiān)測；變形規(guī)律

近年來，我國城市軌道交通工程建設(shè)發(fā)展迅速，鄭州市作為我國中部地區(qū)重要的中心城市和綜合交通樞紐，積極開展軌道交通建設(shè)工作。鄭州市軌道交通覆蓋鄭州中心城區(qū)、航空港區(qū)、東部新城、南部新城、西部新城，以及新鄭、新密等地區(qū)，共規(guī)劃地鐵線路21條，規(guī)劃里程945.2 km。截至2017年1月12日，鄭州市軌道交通1號線、2號線和城郊線3條線路正式投入運(yùn)營，運(yùn)營里程95.41 km。這些線路工程建設(shè)中積累了豐富基坑變形監(jiān)測資料，為研究鄭州地區(qū)的城市軌道交通地下工程變形特性提供了重要的基礎(chǔ)資料。

城市軌道交通基坑工程具有開挖面積、深度較大，圍(支)護(hù)結(jié)構(gòu)形式多，地質(zhì)條件、環(huán)境條件復(fù)雜等特點，主要用于車站建設(shè)[1]。對基坑工程的變形特性的研究可為后續(xù)基坑工程設(shè)計、施工提供基礎(chǔ)資料，有利于工程的變形控制，保護(hù)工程自身及周邊環(huán)境的安全。

國內(nèi)外相關(guān)研究積累了一定的成果，Moormann等[1]研究了不同基坑支護(hù)形式、不同開挖地層條件下地表沉降與基坑深度的關(guān)系。Leung等[2]基于9個基坑的實測數(shù)據(jù)得出地下連續(xù)墻最大側(cè)移和地表沉降與基坑深度的關(guān)系。王衛(wèi)東等[3]研究了上海軟土地區(qū)深基坑的地表沉降特點。李淑等[4]研究了北京地鐵車站深基坑的地表變形特點。吳鋒波等[5～6]對北京市軌道交通80個明挖順作法基坑工程實測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，研究確定了北京砂卵石和黏性土地區(qū)深基坑開挖引起的周邊地表和樁體變形規(guī)律。

鄭州市軌道交通基坑工程變形實測數(shù)據(jù)豐富，對這些實測數(shù)據(jù)的深入挖掘和分析，可總結(jié)出該地區(qū)基坑工程的變形特性，有利于指導(dǎo)鄭州地區(qū)的基坑工程變形控制和周邊環(huán)境的保護(hù)，研究意義重大。

1 工程案例收集及分類依據(jù)

鄭州市位于丘陵崗地與沖積泛濫平原相交接地帶，為華北平原一部分，地形比較平坦。鄭州市出露地層以第四系為主，自下更新統(tǒng)至全新統(tǒng)均有沉積，地層總厚度50～200 m，自西南向東北由薄變厚，與下伏上第三系地層呈角度不整合接觸。

鄭州市區(qū)內(nèi)下更新統(tǒng)(Q1)以灰綠色、黃褐色粉質(zhì)黏土和砂為主，厚度52～105 m。中更新統(tǒng)(Q2)以黃棕色黏土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中細(xì)砂、粗中砂為主，自西向東、自西南向東北，其粒度由粗變細(xì)，砂層減少，泥質(zhì)增加，韻律性增強(qiáng)，地層厚度增大，厚20～50 m。上更新統(tǒng)(Q3)由西向東巖性由細(xì)變粗，砂層增多增厚，西部厚度變化較大，厚28～61 m。全新統(tǒng)(Q4)以黃灰色為主，自西向東由細(xì)變粗，古河道部位砂層較厚，夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，厚度較穩(wěn)定。城區(qū)典型地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 鄭州市典型地質(zhì)剖面

根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB 50911—2013)基坑工程自身風(fēng)險等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)，按基坑深度H<10 m、10 m≤H<20 m和H≥20 m共3個等級分別進(jìn)行研究。基坑地表變形研究主要統(tǒng)計基坑周邊2排變形量較大的沉降監(jiān)測點實測結(jié)果。

本文主要收集了鄭州市軌道交通1號線和2號線一期工程的20個基坑工程案例。這兩條線路分別為東西、南北走向，基本覆蓋了鄭州市的主要城區(qū)，其變形實測資料基本可以反映該地區(qū)基坑工程的變形特點。分析和采用的變形實測資料為第三方監(jiān)測結(jié)果，較為真實、可靠。所收集鄭州市軌道交通1號線和2號線一期的20個基坑工程長度一般為140.0～470.0 m，寬度一般為15.0～25.0 m，基坑開挖深度主要在30.0 m范圍之內(nèi)?；庸こ痰木唧w空間尺寸如圖2所示。

20個基坑工程主要采用明挖順作法施工，其中有3個基坑工程的局部采用蓋挖法施工。基坑支護(hù)形式主要為鉆孔灌注樁+鋼管內(nèi)支撐和地下連續(xù)墻+鋼管內(nèi)支撐，1個基坑采用放坡+鉆孔灌注樁+鋼管內(nèi)支撐形式。

圖2 基坑工程空間尺寸

2 地表變形特性分析

2.1 一級基坑地表變形特性分析

鄭州市軌道交通1號線和2號線一期工程某一級基坑標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度23.77 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用Φ1000@1400 mm的鉆孔灌注樁+3道鋼管內(nèi)支撐，其地表監(jiān)測點的沉降控制值要求為24.9 mm。實測的地表沉降最大值為-17.8 mm，平均值為-3.1 mm。地表沉降變形整體較小，可按原控制值進(jìn)行控制。

另外，有3個一級基坑的開挖深度為21.49～31.30 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)為厚度1000～1200 mm的地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐，其地表監(jiān)測點的沉降控制值為10～30 mm。3個基坑共布設(shè)了45個地表沉降監(jiān)測點，實測結(jié)果顯示，除1個監(jiān)測點出現(xiàn)-12.2 mm的沉降，超過了控制值10 mm外，其他監(jiān)測點均小于控制值。3個基坑45個地表沉降監(jiān)測點的實測值分布情況如圖3所示。

圖3 一級基坑地表沉降分布頻率

由圖3可知，這些地表沉降監(jiān)測點的實測值主要分布在-20～0 mm范圍內(nèi)，監(jiān)測點隆起值在0～5 mm范圍內(nèi)的數(shù)量超過總數(shù)量的40%。地表沉降最大值為-19.6 mm，平均值為-6.9 mm，統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)差為4.1 mm。

2.2 二級基坑地表變形特性分析

鄭州市軌道交通1號線和2號線一期工程某二級基坑開挖深度為17.5 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)為800 mm厚地下連續(xù)墻+3道鋼支撐，其地表沉降控制值為10 mm，實測沉降最大值為-17.0 mm，平均值為-4.8 mm。有2個監(jiān)測點超過控制值，其他監(jiān)測點沉降數(shù)值較小，均在沉降控制值范圍內(nèi)。

某二級基坑開挖深度11.0 m，標(biāo)準(zhǔn)段及北端主要采用放坡開挖，南端部分采用鉆孔樁+鋼管撐。其地表沉降控制值為27 mm，實測地表變形為-3.2～3.0 mm，變形量較小。

另外，有14個二級基坑的開挖深度范圍為15.96～18.49 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁+鋼支撐體系，圍護(hù)樁采用直徑1000 mm的鉆孔灌注樁，樁間距1200～1500 mm，3～4道鋼支撐，地表沉降控制值為17～30 mm。14個基坑198個地表沉降監(jiān)測點的實測結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 二級基坑地表沉降分布頻率

由圖4可知，其地表變形數(shù)值的整體分布形態(tài)符合正態(tài)分布(圖中擬合曲線為正態(tài)分布曲線)，沉降數(shù)值在-5.0～0 mm區(qū)段的分布最多，個別監(jiān)測點出現(xiàn)了較大的沉降值。地表沉降最大值為-46.3 mm，平均值為-5.2 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為6.4 mm。地表隆起的最大值為7.7 mm，平均值為2.1 mm。

由圖5(a)可知，除2個基坑的地表沉降最大值較大，超過控制值外，其他基坑的地表變形值較小，一般在控制值范圍內(nèi)。出現(xiàn)較大數(shù)值的個別地表沉降監(jiān)測點周邊有建材堆載、車輛碾壓等情況，施工中應(yīng)予以注意。由圖5(b)可知，各個基坑的最大地表沉降值與基坑深度的比值一般為-0.25～0%H(H為基坑開挖深度)，平均值為-0.25%H。最大地表隆起值與基坑深度的比值較小，最大值為0.04%H。

圖5 二級基坑地表沉降實測結(jié)果

3 樁(墻)變形特性分析

3.1 樁(墻)頂水平位移分析

3.1.1 一級基坑樁(墻)頂水平位移分析

某一級基坑標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度為23.77 m的基坑樁頂水平位移控制值為24.2 mm，實測值出現(xiàn)向基坑內(nèi)外兩個方向的位移，向基坑外水平位移最大值為8.7 mm，向基坑內(nèi)水平位移最大值為5.9 mm，數(shù)值均較小，均在沉降控制值范圍內(nèi)。

其他3個一級基坑地下連續(xù)墻頂部的水平位移控制值為25～30 mm，實測值也存在向基坑內(nèi)外兩個方向的位移，向基坑外水平位移最大值為7.9 mm，平均值為4.1 mm；向基坑內(nèi)水平位移最大值為14.0 mm，平均值為5.6 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為4.7 mm。

3.1.2 二級基坑樁(墻)頂水平位移分析

開挖深度17.5 m的二級基坑地下連續(xù)墻頂部的水平位移控制值為26 mm，實測值向基坑外部最大值為7.0 mm，向基坑內(nèi)部最大值為11.3 mm，變形較小。開挖深度11.0 m的二級基坑樁頂只向基坑內(nèi)部出現(xiàn)水平位移，最大值為4.5 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于控制值50 mm。

其他13個二級基坑的圍護(hù)樁頂部大多出現(xiàn)2個方向的水平位移，其控制值為10～40 mm?；訕俄斔轿灰茖崪y結(jié)果如圖6所示。

圖6 二級基坑樁頂水平位移實測結(jié)果

圖6(a)中負(fù)值表示向基坑外部的位移，87個監(jiān)測點中38個監(jiān)測點出現(xiàn)向基坑外部的位移。所有監(jiān)測點的實測值主要分布在-5.0～5.0 mm范圍內(nèi)，整體分布形態(tài)近似為正態(tài)分布。統(tǒng)計結(jié)果表明，向基坑內(nèi)部的樁頂水平位移最大值為17.4 mm，平均值為6.3 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為4.7 mm。向基坑外部的樁頂水平位移最大值為13.8 mm，平均值為4.7 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為3.3 mm。

由圖6(b)可知，各個基坑的樁頂大多出現(xiàn)向基坑內(nèi)外兩個方向的位移。樁頂向基坑外部的變形值較小，向基坑內(nèi)部的水平位移最大值均比控制值小，基坑樁頂?shù)淖冃慰刂菩Ч^好。

3.2 樁(墻)體水平位移分析

3.2.1 一級基坑樁(墻)體水平位移分析

某一級基坑標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度為23.77 m的基坑樁體水平位移控制值為24.2 mm，實測5個監(jiān)測孔的最大水平位移-0.35～7.92 mm(負(fù)號為向基坑外位移)，最大水平位移所處深度為1.0～20.5 m，沒有較為集中的分布區(qū)段。

其他3個一級基坑地下連續(xù)墻體的最大水平位移控制值為25～30 mm，實測10個監(jiān)測孔的最大水平位移-13.16～20.07 mm。墻體向基坑外水平位移最大值為13.16 mm，平均值為6.41 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為4.95 mm；向基坑內(nèi)水平位移最大值為20.07 mm，平均值為13.23 mm標(biāo)準(zhǔn)差為4.32 mm。最大位移所處深度為1.0～19.5 m，主要分布于0.05～0.65H范圍內(nèi)，平均值為0.31H。

3.2.2 二級基坑樁(墻)體水平位移分析

開挖深度17.5 m的二級基坑地下連續(xù)墻體的水平位移控制值為26 mm，主要為向基坑內(nèi)部的位移，各個監(jiān)測孔的實測最大值為5.18～11.49 mm，最大水平位移所處的深度為1.0～13.0 m。

開挖深度11.0 m的二級基坑樁體主要向基坑內(nèi)部出現(xiàn)水平位移，其控制值為22.50 mm，各個監(jiān)測孔的實測最大值為0.55～4.83 mm，最大水平位移所處的深度為6.0～13.5 m。

其他13個二級基坑的圍護(hù)樁出現(xiàn)向基坑內(nèi)外兩個方向的水平位移。在支撐作用下基坑側(cè)壁土體可通過樁間裂縫擠出，致使樁體出現(xiàn)向基坑外側(cè)的變形[7-8]，其樁體變形控制值為13～40 mm。60個樁體水平位移監(jiān)測孔的實測最大值分布情況如圖7所示。

圖7 二級基坑樁體水平位移實測結(jié)果

由圖7可知，除1個監(jiān)測孔的最大位移為28.09 mm，大于其控制值25 mm外，其他監(jiān)測孔的最大值相對較小，主要分布在-15.0～20.0 mm區(qū)段。樁體水平位移最大值的分布形態(tài)近似為正態(tài)分布。統(tǒng)計結(jié)果表明，樁體向基坑內(nèi)部水平位移的最大值為28.09 mm，平均最大值為8.20 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為6.23 mm；樁體向基坑外部水平位移的最大值為11.51 mm，平均最大值為6.84 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為3.30 mm。

其他13個基坑的樁體最大水平位移所處的深度與基坑深度的比值統(tǒng)計結(jié)果如圖8所示。

圖8 二級基坑樁體水平位移最大值所處深度

由圖8(a)可知，59個監(jiān)測孔的樁體最大水平位移所處深度與基坑深度的比值分為兩個大的區(qū)段，比值分布主要集中在0.6H～0.8H之間，其次為0～0.1H和0.5H～0.6H，區(qū)段0.2H～0.3H無數(shù)值分布。統(tǒng)計結(jié)果表明，其比值最大值為0.99H，最小值為0.03H，平均值為0.57H，標(biāo)準(zhǔn)差為0.28H。

圖8(b)統(tǒng)計了13個基坑樁體水平位移最大值所處深度與基坑深度比值的平均值。由圖8(b)可知，隨著基坑深度的增加，樁體水平位移的最大值出現(xiàn)位置有逐漸上移的趨勢，但沒有明顯的規(guī)律。樁體水平位移最大值的出現(xiàn)位置與基坑深度、樁體長度、支撐數(shù)量、支撐軸力大小、監(jiān)測孔所處基坑位置等多種因素相關(guān)，樁體變形的形態(tài)也各有特點，需針對具體問題進(jìn)行分析，相關(guān)研究需深入開展。

4 結(jié) 論

綜上所述，鄭州市軌道交通1號線和2號線一期的車站基坑第三方監(jiān)測結(jié)果表明其地表和支護(hù)樁(墻)的總體變形較小，工程控制效果明顯。對基坑工程變形實測數(shù)據(jù)的總結(jié)得出以下結(jié)論：

(1) 基坑地表變形監(jiān)測點實測值大多小于控制值，14個二級基坑的地表變形實測值整體分布形態(tài)符合正態(tài)分布，除個別監(jiān)測點因建材堆載、車輛碾壓等沉降值較大外，其他監(jiān)測點沉降數(shù)值較小。

(2) 樁(墻)頂水平位移監(jiān)測點的實測值存在向基坑內(nèi)外兩個方向的位移，樁(墻)頂向基坑外部的變形值較小，向基坑內(nèi)部的水平位移最大值均比控制值小，變形控制效果較好。

(3) 樁(墻)體水平位移監(jiān)測點的實測值也存在向基坑內(nèi)外兩個方向的位移，其監(jiān)測孔最大值多小于監(jiān)測控制值。二級基坑樁體水平位移最大值的分布形態(tài)近似為正態(tài)分布。

(4) 二級基坑樁體水平位移最大值的位置一般在基坑深度范圍內(nèi)0.6H～0.8H之間，隨著基坑深度的增加樁體水平位移的最大值出現(xiàn)位置有逐漸上移的趨勢，但其受多種因素影響并沒有明顯的規(guī)律性。

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Deformation Characteristics Analysis and Research of Foundation Pit Related to the Urban Rail Transit in Zhengzhou

YUAN Juliang，GE Mengxi

(Zhengzhou Rail Transit Co. Ltd.， Zhengzhou 450000， China)

Statistical analysis of the deformation monitoring data of 20 station pits, from Zhengzhou urban rail transit line 1 and first phase line 2 are given in this paper, The pit risk grade is divided by the depth, and the monitoring projects of ground settlement, top horizontal displacement of pile (wall) and body horizontal displacement of pile (wall) are studied. The measured values distribution of each monitoring project is defined, and the mathematical statistics results of the measured data are given. The maximum value position of body horizontal displacement of pile (wall) is taken, and the influence of foundation pit depth is studied. The deformation law of foundation pit engineering is especially analyzed in this area. The research achievement may give important guidance to the deformation control of foundation pit engineering in Zhengzhou, and it can also be used for reference engineering in similar area.

urban rail transit; foundation pit engineering; deformation monitoring; deformation law

袁聚亮，葛夢溪.鄭州市軌道交通基坑工程變形特性的分析與研究[J].測繪通報，2017(7)：108-112.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0234.

2017-04-13

袁聚亮(1964—)，男，高級工程師，主要從事城市軌道交通的管理工作。E-mail：3235541606@qq.com

P258

A

0494-0911(2017)07-0108-05