常州地區(qū)地鐵車(chē)站深基坑變形特性分析

劉全海，趙塵衍

(1.常州市測(cè)繪院，江蘇 常州 213003； 2.常州市地理信息智能技術(shù)中心，江蘇 常州 213003)

1 引 言

當(dāng)前我國(guó)城市軌道交通工程建設(shè)高速發(fā)展，常州市也迎來(lái)了地鐵建設(shè)的重要時(shí)期。常州市位于長(zhǎng)江三角洲沖積平原軟土地區(qū)，土體具有高含水量、高壓縮性及低滲透性等特點(diǎn)，工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件較差，給深基坑設(shè)計(jì)、變形控制帶來(lái)了較大困難[1，2]。

隨著基坑工程開(kāi)挖的不斷進(jìn)行，不可避免地會(huì)引起周邊地表沉降及基坑自身圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，從而可能會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成不利影響。因此對(duì)軌道交通深基坑變形特性進(jìn)行深入研究，從而有效控制變形具有重要的意義[3]。

本文以常州軌道交通1號(hào)線26個(gè)車(chē)站主體深基坑為工程背景，結(jié)合全建設(shè)過(guò)程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，全面研究常州地區(qū)的地鐵深基坑變形性狀，主要包括地表沉降以及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形等方面，為今后本地區(qū)及具有類(lèi)似地質(zhì)條件地區(qū)的深基坑設(shè)計(jì)以及施工過(guò)程中的變形控制提供借鑒[4]。

2 工程實(shí)例

常州軌道交通1號(hào)線為南北走向，如圖1所示，沿線發(fā)育有地面沉降、地裂縫、軟土等不良地質(zhì)作用和特殊性巖土。地下水發(fā)育，局部基坑底部位于承壓含水層中，降水難度大。周邊環(huán)境復(fù)雜，下穿公路、鐵路、河流等重大風(fēng)險(xiǎn)源。

本文收集了常州軌道交通1號(hào)線26個(gè)車(chē)站深基坑實(shí)例。目前常州軌道交通1號(hào)線車(chē)站主體基坑主要采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐形式的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑開(kāi)挖深度范圍在 16 m～23.4 m，采用明挖順筑法的開(kāi)挖方式。

圖1 常州軌道交通1號(hào)線走向示意圖

車(chē)站基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)依次有①填土、②-3淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②-4粉質(zhì)黏土、②-5粉質(zhì)黏土、③-2黏土、③-3粉質(zhì)黏土、⑤-1粉砂夾粉土、⑤-2粉砂、⑤-2a粉砂夾粉土、⑤-3粉砂夾粉土，土層分布較為均勻。部分車(chē)站③-2硬塑黏土層缺失，部分車(chē)站存在⑥-1、⑦-1軟塑-流塑淤泥質(zhì)土，都會(huì)對(duì)基坑沉降產(chǎn)生較大影響。

常州地區(qū)普遍存在兩層承壓水，第Ⅰ層承壓水主要埋藏于⑤1、⑤2及⑧2層粉土、砂土中。⑤1、⑤2承壓含水層對(duì)基坑施工沉降影響較大。

3 地表沉降特性

3.1 地表沉降最大值分布情況

統(tǒng)計(jì)全線所有地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量，沉降最大值為 78.7 mm，最小值為 0.5 mm，平均值為 5 mm。地表沉降最大值分布情況如圖2所示。

圖2 地表沉降最大值分布情況

由圖2可見(jiàn)，絕大多數(shù)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降最大值位于5 mm內(nèi)。

統(tǒng)計(jì)全線26個(gè)車(chē)站主體基坑附近的地表沉降最大值，如圖3所示。

圖3 各車(chē)站主體結(jié)構(gòu)基坑附近地表沉降最大值分布情況

從圖3中可以看出，部分車(chē)站所處位置由于存在⑥-1、⑦-1軟塑-流塑淤泥質(zhì)土，或是圍護(hù)結(jié)構(gòu)存在涌水、涌砂情況，缺少③-2黏土層，表層土質(zhì)較差，易導(dǎo)致地表產(chǎn)生較大沉降。

常州地區(qū)普遍存在厚度約為6 m的③-1、③-2可塑-硬塑黏土層，在地質(zhì)條件不太復(fù)雜且注意控制施工質(zhì)量的情況下，基坑開(kāi)挖引起的地表沉降量可以控制在 20 mm以內(nèi)。

3.2 地表沉降最大值與開(kāi)挖深度的關(guān)系

對(duì)26個(gè)地鐵車(chē)站基坑外地表沉降監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到坑外地表沉降最大值與開(kāi)挖深度之間的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 地表沉降最大值與開(kāi)挖深度之間的關(guān)系

從圖4中可以看出，最大地表沉降值隨基坑開(kāi)挖深度的增大而增大，其最大值介于0.05%H～0.34%H之間，平均值約為0.15%H。從圖4中可知，數(shù)據(jù)離散性較大，說(shuō)明地表沉降最大值不僅與開(kāi)挖深度有關(guān)，且與施工過(guò)程中的質(zhì)量控制有關(guān)，在基坑設(shè)計(jì)及施工時(shí)均應(yīng)引起重視。

3.3 地表變形模式

Peck在對(duì)鋼板樁圍護(hù)為主的基坑進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)砂土和硬黏土的沉降影響范圍一般在2倍開(kāi)挖深度內(nèi)，并根據(jù)土層和支撐條件將墻后地表沉降數(shù)據(jù)分成3類(lèi)，分別給出了Ⅰ區(qū)(砂土、硬黏土、軟黏土)、Ⅱ區(qū)(軟黏土和極軟弱的黏土)、Ⅲ區(qū)(有較厚深度的軟黏土和極軟弱黏土)的沉降范圍。圖5所示為基坑開(kāi)挖造成的圍護(hù)墻后地表沉降分布情況。以距坑壁距離與基坑開(kāi)挖深度比值為橫軸，以無(wú)量綱化地表沉降值為縱軸。各實(shí)測(cè)值均為地表沉降最終值。圖中同時(shí)繪制出了Peck的分區(qū)沉降范圍。

圖5 圍護(hù)墻后地表沉降分布情況

從圖5中可以看出，常州地區(qū)地表沉降點(diǎn)均落在Peck所分的Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)范圍內(nèi)，這與常州地區(qū)粉質(zhì)黏土、砂土地質(zhì)條件相吻合。

Hsieh等利用在現(xiàn)場(chǎng)采集的基坑工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了基坑外地表土體的變形特性并提出了沉降曲線公式。

式中：δv，max—地表最大沉降量(mm)；

H—基坑開(kāi)挖深度；

x—坑外地表沉降點(diǎn)至支護(hù)結(jié)構(gòu)邊緣的距離。

Hsieh指出，在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)后0.5H處產(chǎn)生的沉降最大，在支護(hù)結(jié)構(gòu)邊緣處地表沉降值為最大沉降值的一半。土體沉降的主要影響范圍在支護(hù)結(jié)構(gòu)后0H～2H范圍內(nèi)，次要影響區(qū)域?yàn)?H～4H[5]。

將地連墻墻后地表沉降值與最大地表沉降值比值作為縱軸，以監(jiān)測(cè)點(diǎn)距坑壁距離與基坑開(kāi)挖深度比值作為橫軸，作出圖6，圖中同時(shí)給出了Hsieh提出的沉降分布曲線。

圖6 地表沉降形態(tài)圖

從圖6中可以看出地連墻墻后最大地表沉降量基本均被包絡(luò)于Hsieh提出的凹槽型區(qū)域內(nèi)，與Hsieh提出的結(jié)論一致。從圖6中還可以看出墻后地表沉降最大值大致位于0.89H處。常州地區(qū)地表沉降主要影響區(qū)在2H范圍內(nèi)，次要影響區(qū)為2H～4H范圍。

4 地下連續(xù)墻墻體變形特性

4.1 地下連續(xù)墻墻體最大側(cè)移與開(kāi)挖深度的關(guān)系

統(tǒng)計(jì)常州軌道交通1號(hào)線26個(gè)車(chē)站主體基坑圍護(hù)墻墻體最大側(cè)移與開(kāi)挖深度之間的關(guān)系，作出圖7。

圖7 地連墻墻體最大側(cè)移與開(kāi)挖深度的關(guān)系

由圖7中可以看出，基坑地連墻墻體最大側(cè)移隨開(kāi)挖深度的增加而增大，最大側(cè)移與開(kāi)挖深度之比位于0.07%～0.27%之間。由圖7中還可知，平均地連墻墻體最大側(cè)移為0.19%H，與具有相似地質(zhì)條件的蘇州地區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果較為接近。

4.2 地下連續(xù)墻墻體最大側(cè)移深度位置分析

常州地區(qū)基坑地連墻墻體最大側(cè)移深度位置與開(kāi)挖深度之間的關(guān)系如圖8所示。

圖8 地連墻墻體最大側(cè)移深度位置與開(kāi)挖深度之間的關(guān)系

常州地區(qū)墻體最大側(cè)移發(fā)生位置為(H-9 m)-H深度范圍內(nèi)，平均最大側(cè)移位于H-4.5 m深度處。Moormann[6]的研究結(jié)果表明，大部分深基坑墻體側(cè)移發(fā)生在地表以下0.5H～1.5H之間；徐中華[7]對(duì)上海軟土地區(qū)鉆孔灌注樁基坑統(tǒng)計(jì)表明，最大側(cè)移發(fā)生在開(kāi)挖面附近，且基本介于H±5 m深度范圍之內(nèi)?？梢?jiàn)，由于地質(zhì)條件、施工水平等的差異，不同地區(qū)地連墻墻體最大側(cè)移發(fā)生位置存在較大差異。

4.3 基坑長(zhǎng)寬比對(duì)墻體最大側(cè)移的影響

李淑[8]研究了北京地層條件下基坑長(zhǎng)寬比與墻體最大側(cè)移之間的關(guān)系，提出基坑墻體最大側(cè)移隨基坑長(zhǎng)寬比的增大而增大。作出常州地區(qū)基坑墻體最大側(cè)移與基坑長(zhǎng)寬比的關(guān)系圖，如圖9所示。

圖9 基坑墻體最大側(cè)移與長(zhǎng)寬比之間的關(guān)系

由圖9中可以看出，常州地區(qū)基坑地連墻墻體的最大側(cè)移與基坑開(kāi)挖長(zhǎng)寬比沒(méi)有明顯關(guān)系，主要原因在于常州地鐵各車(chē)站基坑在施工過(guò)程中減少了基坑每步開(kāi)挖土方的空間尺寸，減小了基坑開(kāi)挖的時(shí)空效應(yīng)，從而達(dá)到了較好的基坑墻體變形控制效果。

4.4 插入比對(duì)墻體最大側(cè)移的影響

插入比是衡量基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性和影響坑底抗隆起穩(wěn)定系數(shù)的一個(gè)重要指標(biāo)。Hashash通過(guò)有限元分析得出，只有當(dāng)基坑的開(kāi)挖深度達(dá)到極限開(kāi)挖深度(由于土體變形過(guò)大而導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算不收斂時(shí)對(duì)應(yīng)的開(kāi)挖深度)時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的插入深度才會(huì)對(duì)墻體的側(cè)移產(chǎn)生較小的影響，否則圍護(hù)結(jié)構(gòu)的插入深度對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移的影響就可以忽略。

圖10 地連墻墻體最大側(cè)移與插入比之間的關(guān)系

由圖10可以看出，常州地區(qū)實(shí)測(cè)的地下連續(xù)墻墻體最大側(cè)移與插入比關(guān)系不明顯，這與Hashash的理論分析一致。徐中華在研究上海地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比對(duì)最大側(cè)移影響時(shí)得出了相似的結(jié)論。

5 基坑開(kāi)挖變形時(shí)空規(guī)律分析

在基坑開(kāi)挖與支撐架設(shè)的過(guò)程中，每個(gè)分步開(kāi)挖的空間幾何尺寸和圍護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)挖部分的無(wú)支撐暴露時(shí)間對(duì)基坑周?chē)貙幼冃斡忻黠@的影響，反映了基坑變形的時(shí)空效應(yīng)。深基坑本身是三維空間結(jié)構(gòu)，大量實(shí)踐表明，深基坑坑壁間范圍內(nèi)的位移值和土壓力比其他地方都要大。深基坑兩端壁處存在明顯的空間效應(yīng)，抑制了其鄰近區(qū)域的土壓力和位移的發(fā)展。

如圖11、圖12所示為典型的深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體深層水平位移及地表豎向位移的歷時(shí)變化曲線。

圖11 深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體深層水平位移歷時(shí)變化曲線

圖12 地表豎向位移歷時(shí)變化曲線

隨著基坑開(kāi)挖的加深，圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體的深層水平位移逐漸增大，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形主要呈現(xiàn)中間大、兩頭小的形式。支撐架設(shè)可有效控制墻體水平位移，在開(kāi)挖面附近墻體水平位移相對(duì)較大。

隨著基坑土方開(kāi)挖，周邊地表呈現(xiàn)先隆起再沉降的變形趨勢(shì)，在回筑階段地表沉降速率減小，沉降值逐漸趨于穩(wěn)定。開(kāi)挖階段引起的地表沉降量占總沉降的75%，需要注意開(kāi)挖階段的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制以減少周邊地表沉降。在結(jié)構(gòu)回筑階段地表沉降量占總沉降量的10%～15%，在底板澆筑完成后，地表沉降量逐步趨于穩(wěn)定，因此在施工過(guò)程中應(yīng)加快進(jìn)行底板澆筑。

總體來(lái)看，在基坑工程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體變形會(huì)隨著開(kāi)挖暴露時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，墻體的內(nèi)力及周?chē)貙幼冃我矔?huì)隨之相應(yīng)產(chǎn)生變化。在有支撐的基坑工程施工中，應(yīng)有效解決內(nèi)力、圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和地表沉降等問(wèn)題。在基坑工程開(kāi)挖和支撐施工時(shí)考慮時(shí)空效應(yīng)，可以合理而有效地利用土體自身在開(kāi)挖時(shí)控制位移的能力來(lái)達(dá)到控制坑邊地層變化的效果，不僅能夠保護(hù)環(huán)境還可大大降低工程造價(jià)。

6 結(jié) 論

本文以常州軌道交通1號(hào)線26個(gè)車(chē)站主體基坑為工程背景，通過(guò)大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了常州地區(qū)地鐵深基坑施工周邊地表沉降及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身的變形性狀。在地表沉降特性分析中重點(diǎn)分析了地表沉降最大值的分布情況、地表沉降最大值與開(kāi)挖深度的關(guān)系以及地表沉降模式。在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身變形性狀分析中重點(diǎn)關(guān)注了地連墻墻體最大側(cè)移與開(kāi)挖深度、基坑長(zhǎng)寬比、基坑插入比的關(guān)系以及墻體最大側(cè)移深度位置。同時(shí)綜合分析了基坑開(kāi)挖過(guò)程中變形產(chǎn)生的時(shí)空規(guī)律?？傻贸鋈缦陆Y(jié)論：

(1)常州地區(qū)軌道交通工程車(chē)站深基坑周邊地表最大沉降值介于0.05%H～0.34%H之間，沉降發(fā)生與常州地區(qū)粉質(zhì)黏土、砂土地質(zhì)條件相關(guān)。墻后地表沉降形態(tài)呈現(xiàn)凹槽形，地表沉降主要影響區(qū)在2H范圍內(nèi)，次要影響區(qū)為2H～4H范圍。

(2)地下連續(xù)墻墻體最大側(cè)移與開(kāi)挖深度之比位于0.07%～0.27%之間，最大側(cè)移發(fā)生在開(kāi)挖面以上 9 m至開(kāi)挖面深度范圍內(nèi)。常州地區(qū)基坑地連墻墻體最大側(cè)移與基坑開(kāi)挖長(zhǎng)寬比、插入比沒(méi)有明顯關(guān)系。

(3)在基坑施工過(guò)程中，特別是在地質(zhì)條件較差的情況下，應(yīng)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，并進(jìn)一步制定基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身及周邊地表的變形控制量，確保基坑自身及周邊環(huán)境安全。