深厚軟土地區(qū)兩個相鄰車站的基坑變形比較分析

王天佐 李全文 薛 飛 陳 雷 邱淑豪

(1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000；2浙江省巖石力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室，浙江 紹興 312000；3.浙江省山體地質(zhì)災(zāi)害防治協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江 紹興 312000)

0 引言

地鐵車站深基坑施工工程是一項復(fù)雜的綜合性巖土工程，一直以來受到人們的關(guān)注.其施工過程中對土體的擾動打破了土體的初始應(yīng)力狀態(tài)，除了影響基坑本身的安全，還會波及基坑周邊環(huán)境，造成重大的損失.因此，在地鐵車站基坑施工期間對基坑及沿線一定范圍內(nèi)的地表、道路、管網(wǎng)、重要建(構(gòu))筑物等進行監(jiān)測，確保施工的順利進行是十分必要的.

國內(nèi)外已有學(xué)者對基坑工程的變形規(guī)律進行探討研究.Clough等[1]總結(jié)了基坑圍護結(jié)構(gòu)的三種基本變形形式，并提出了三種不同土層形式的圍護結(jié)構(gòu)周邊地表沉降分布模式；Ou等[2]總結(jié)了臺北地區(qū)基坑最大深層水平位移的位置與變形量的規(guī)律；Ronghua等[3]分析了寧波市福慶路站基坑地下連續(xù)墻的位移、地基沉降和支撐軸力，并提出了控制措施.張建全[4]等對北京某深基坑工程的監(jiān)測結(jié)果，分析了基坑開挖初期圍護結(jié)構(gòu)及地表會發(fā)生向上的位移，隨著基坑深層土體的開挖，樁體和土體會發(fā)生較大的位移.王曙光等[5]對基坑周邊環(huán)境變形的控制技術(shù)進行了探討分析，并指出基坑工程施工過程中應(yīng)加強對圍護結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的監(jiān)測，可通過變形監(jiān)測，實施信息化施工，必要時進行動態(tài)設(shè)計、動態(tài)施工.李建[6]結(jié)合深基坑的具體案例和監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究在基坑開挖期間和地下工程施工期間的基坑變形規(guī)律，從土力學(xué)的角度提出并分析基坑變形產(chǎn)生的機理，以及基坑變形產(chǎn)生的影響因素及應(yīng)對方法.廖少明等[7]以蘇州廣播電視總臺現(xiàn)代傳媒廣場大尺度深基坑為背景，對比分析了蘇州地區(qū)采用不同擋土結(jié)構(gòu)、不同形狀的大尺度深基坑的變形性狀.夏偉等[8]提出一種基于監(jiān)測點精度要求反推控制網(wǎng)等級的觀測方案，并以蘇州廣濟醫(yī)院基坑為例進行監(jiān)測和預(yù)報分析,得到最佳擬合的三次曲線模型.楊仲杰等[9]以鄭新城際線機場站基坑監(jiān)測成果為依據(jù)，分析了基坑在整個工程階段的變形規(guī)律、受力特點,通過將系統(tǒng)采集的實際監(jiān)測值與比擬值進行對比獲得短期預(yù)測，對深大基坑自動化系統(tǒng)監(jiān)測的準(zhǔn)確性進行了預(yù)判.孫鋒剛等[10]通過工程實例，分析了高水位基坑工程開挖對周邊土體地表沉降變形的規(guī)律，針對施工對周邊環(huán)境的影響,提出了控制地表沉降的措施.袁建濱[11]對廣州市獵德變電站基坑的深層水平位移及錨索應(yīng)力的檢測結(jié)果進行了分析，為同類型的基坑設(shè)計施工積累了經(jīng)驗.

本文通過對紹興市柯橋區(qū)杭紹城際鐵路的兩座相鄰車站的監(jiān)測結(jié)果進行分析，得出深基坑開挖過程引起基坑變形的一些基本規(guī)律，以期對相似工程提供參考.

1 工程概況

笛楊路站距柯華路站約700 m，笛楊路站1號坑(見圖2)和柯華路站基坑(見圖3)位于相鄰地鐵車站，所處地層均為深厚軟土，開挖深度為18.2～18.6 m，圍護形式為地連墻+內(nèi)支撐.

1.1 笛楊路站1號坑概況

車站主體結(jié)構(gòu)為地下二層島式現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，有效站臺長度120.0 m，島式站臺寬度為12.0 m，圍護結(jié)構(gòu)外包長度約為540.3 m，凈寬度為19.3 m.

車站主體結(jié)構(gòu)為地下二層，部分單柱雙跨、部分雙柱三跨現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu).主體基坑沿群賢路總長540.3 m(外包)，標(biāo)準(zhǔn)段寬20.7 m，小里程端盾構(gòu)井寬度25.5 m.

圖1 杭州至紹興城際鐵路工程線路走向圖

根據(jù)規(guī)劃地面標(biāo)高，主體結(jié)構(gòu)頂板覆土為3.0～3.5 m，結(jié)構(gòu)底板基本處于3-1層淤泥質(zhì)黏土、3-2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土.

標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度約為16～18 m，采用0.8 m厚地下連續(xù)墻+5道內(nèi)支撐+1道倒撐，明挖順作法施工，地下連續(xù)墻標(biāo)準(zhǔn)段深約40 m.

1.2 柯華路站基坑概況

車站主體結(jié)構(gòu)為地下二層島式現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，車站有效站臺長度120.0 m，島式站臺寬度為11.0 m，凈長度約為201.0 m(右線)，凈寬度為18.3 m.群賢路現(xiàn)狀道路寬度為36.0 m，柯華路現(xiàn)狀道路寬度為36.0 m.

車站主體結(jié)構(gòu)為地下二層、單柱雙跨現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu).主體基坑沿群賢路總長202.6 m(外包)，標(biāo)準(zhǔn)段寬19.7 m，小里程端盾構(gòu)井段寬度24.5 m，為始發(fā)井，大里程端盾構(gòu)井段寬度24.9 m，為接收井.

根據(jù)規(guī)劃地面標(biāo)高，主體結(jié)構(gòu)頂板覆土約3.1 m，結(jié)構(gòu)底板基本處于3-1層淤泥質(zhì)黏土、3-2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土.

主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段基坑開挖深度約16.8 m，采用0.8 m厚地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐，明挖順作法施工.地下連續(xù)墻標(biāo)準(zhǔn)段深約40.0 m.

兩個基坑位于相鄰位置(見表1)，其地質(zhì)條件勘察結(jié)果如下，可分為10個工程地質(zhì)層，23個工程地質(zhì)亞層，詳見表2.兩基坑擬建場地均位于蕭紹虞甬平原區(qū)西部，地形平坦開闊，河岸穩(wěn)定，場區(qū)特殊性巖土為軟土和填土， 軟土地基強度低、 穩(wěn)定性差， 易產(chǎn)生諸如不均勻沉降和變形過大等問題.目前，場區(qū)內(nèi)及其附近不存在對工程安全有影響的滑坡、泥石流、崩塌、地下溶洞、地面塌陷和地裂縫等不良地質(zhì)影響.所以對兩個基坑變形進行對比分析是十分有價值的.

圖2 笛楊路站1號坑監(jiān)測點布置圖

圖3 柯華路站基坑監(jiān)測點布置圖

表1 不同基坑情況對比

表2 地基土部分物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表

依據(jù)相關(guān)規(guī)范，并根據(jù)工程安全等級、工程監(jiān)測等級、工程影響分區(qū)、設(shè)計及施工的要求確定杭州至紹興城際鐵路工程笛揚路站、柯華路站具體的監(jiān)測項目如下：

圍護體系：圍護墻頂垂直位移及水平位移、圍護墻體深層水平位移(測斜)；支撐軸力；立柱沉降監(jiān)測；坑外潛水水位；土體測斜；坑內(nèi)水位觀測.

周邊環(huán)境：坑周地表沉降；周邊地下管線垂直位移；周圍建(構(gòu))筑物沉降；周圍建構(gòu)筑物傾斜.

基坑開挖時伴隨著土方的大量卸載，水土壓力重新分布，原有的平衡體系被打破，圍護樁作為維持新平衡體系的重要存在，承受水土壓力而產(chǎn)生變形，在樁頂位置產(chǎn)生水平位移和沉降.為反映施工期間支護體系變形情況，圍護樁頂水平位移及沉降監(jiān)測是必不可少的監(jiān)測內(nèi)容.

地表沉降是地下結(jié)構(gòu)監(jiān)測施工最基本的監(jiān)測項目，它最直接地反映基坑周邊土體變化情況.

基坑系統(tǒng)是否穩(wěn)定首先表現(xiàn)為支撐軸力的變化.基坑若發(fā)生變形，其根源在于力的變化.支護體系外側(cè)的側(cè)向土壓力由圍護樁體及支撐體系所承擔(dān)，當(dāng)實際支撐軸力與支撐在平衡狀態(tài)下應(yīng)能承擔(dān)的軸力(設(shè)計值)不一致時，將可能引起支護體系失穩(wěn).

地下結(jié)構(gòu)的施工會引起周圍地表的下沉，從而導(dǎo)致地面建筑物的沉降，這種沉降一般都是不均勻的，因此將造成地面建筑物的傾斜，甚至開裂破壞，應(yīng)進行嚴(yán)格控制.

2 監(jiān)測結(jié)果分析

笛楊路站1號基坑從土方開挖到底板澆筑完成一共用時188 d；柯華路站基坑從土方開挖到底板澆筑完成一共用時190 d，笛揚路1號基坑與柯華路基坑暴露時間相近(見表3).

表3 不同基坑施工時間節(jié)點

2.1 圍護墻頂豎向位移

圖4中，笛楊路站1號坑在基坑開挖初期(2018年3月26日)圍護墻頂開始上抬.隨著開挖深度的增加，圍護墻頂上抬越來越大，在底板澆筑之后(2018年9月30日)，圍護墻頂應(yīng)逐漸回落，但是由于變形的滯后性，變現(xiàn)為上抬速率逐漸降低；在中板澆筑(2018年12月10日)時達到最大；隨著基坑頂板的澆筑完成(2019年1月19日)，圍護墻頂逐漸回落并趨于穩(wěn)定.圍護墻體豎向位移上抬主要是由于基坑開挖引起的坑底土體回彈，使圍護墻體受土層變形摩擦引起的.

圖5中，柯華路站圍護結(jié)構(gòu)豎向位移隨時間變化曲線與笛楊路站1號坑變化趨勢一致.基坑開挖初期(2018年4月23日)，圍護墻頂上抬較為平緩；隨著基坑開挖深度的加深，圍護墻頂上抬速率越來越大；底板澆筑完成之后(2018年10月30日)，圍護墻體上抬速率趨于平緩，在頂板澆筑完成(2019年2月3日)之后趨于穩(wěn)定.

笛楊路站1號坑和柯華路站基坑的圍護墻頂豎向位移均是上抬的，與歸浩杰[12]測得的圍護墻頂豎向位移的變化規(guī)律是一致的.對比分析圖4和圖5，結(jié)合現(xiàn)場實際施工工況可知，隨著底板施工完成，基礎(chǔ)剛度不斷增加，地下結(jié)構(gòu)回筑，圍護墻頂變形趨于穩(wěn)定.其中笛楊路1號基坑圍護結(jié)構(gòu)最終最大上抬量監(jiān)測點為QS2的33.03 mm，柯華路站基坑最終最大上抬量監(jiān)測點為QS4的20.57 mm.結(jié)合工況分析可以發(fā)現(xiàn)，笛楊路站1號基坑圍護墻頂最大上抬量約為柯華路站基坑的1.5倍，是由于笛楊路1號基坑在開挖期間，土方開挖鋼支撐未及時架設(shè)、附近鋼筋棚堆載以及基坑經(jīng)常滲漏水等原因造成的.

圖4 笛楊路站1號坑圍護墻頂垂直位移時間曲線

圖5 柯華路站基坑圍護墻頂垂直位移時間曲線

2.2 圍護墻頂水平位移

從圖6可以看出，基坑開挖初期(2018年3月26日)，笛楊路站1號坑的圍護墻頂水平位移向內(nèi)偏移明顯，后面隨著第一道砼支撐開始受力，圍護墻頂水平位移較為平穩(wěn)；隨著基坑開挖深度的增加，圍護墻頂繼續(xù)向坑內(nèi)方向偏移，并在最后一層土方開挖完成(2018年8月22日)后達到最大值，緊隨著第五道支撐的安裝及地板開始澆筑一直到底板澆筑完成(2018年9月30日)之后，圍護墻頂水平位移開始向坑外方向偏移，并在底板澆筑完成之后趨于穩(wěn)定.

從圖7可以看出，柯華路站和笛楊路站1號坑的圍護墻頂水平位移變化趨勢一致.基坑開挖初期(2018年4月23日)，圍護墻頂往基坑內(nèi)方向偏移；在土方開挖完成時(2018年10月6日)達到最大值；在底板澆筑完成之后(2018年10月30日)，圍護墻頂水平變形逐漸收斂.

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結(jié)合圖6和圖7，可以看到基坑均是在基坑底板澆筑完成之后開始保持穩(wěn)定的，這說明底板的澆筑對圍護結(jié)構(gòu)的變形起到了很好的抑制作用.

圖6 笛楊路站1號坑圍護墻體水平位移時間曲線

圖7 柯華路站基坑圍護墻體水平位移時間曲線

2.3 坑外地表沉降

圖8中，笛楊路站1號坑在土方開挖初期(2018年3月26日)，地表沉降較為平緩，隨著基坑開挖的進行，地表沉降監(jiān)測點表現(xiàn)有明顯的沉降趨勢；在基坑開挖完成時(2018年8月22日)，笛楊路站1號坑的坑外地表最大沉降在110 mm左右，這是因為笛楊路站1號坑在開挖過程中出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的滲漏水現(xiàn)象，導(dǎo)致其坑外地表沉降較大；在底板澆筑完成后(2018年9月30日)，地表沉降逐漸趨于穩(wěn)定.

圖9中，柯華路站基坑在土方開挖初期(2018年4月23日)地表沉降速率較低；隨著基坑開挖深度的增加，地表沉降變化速率增大；在基坑開挖完成時(2018年10月6日)，柯華路站基坑的坑外地表最大沉降量在30 mm以內(nèi)，個別地方達到了50 mm(DB15-2)，這是因為在DB15-2旁邊有個鋼筋加工場，鋼筋堆放較多加上施工機械的荷載，導(dǎo)致其地表沉降大于其他地方；在底板澆筑完成后(2018年10月30日)，地表沉降速率明顯減小，并逐漸趨于穩(wěn)定.

笛楊路1號基坑最大沉降點DB4-3的沉降量為-155.55 mm，而柯華路站基坑的最大沉降點DB15-3的沉降量為-72.59 mm.笛楊路站1號基坑地表最大沉降量約為柯華路站基坑地表最大沉降量的2倍.雖然這兩個基坑都出現(xiàn)過滲漏水等現(xiàn)象，但是笛楊路站1號基坑是在開挖過程出現(xiàn)的大面積滲漏水，柯華路站則是基坑開挖完成之后滲漏水，且及時采取了相應(yīng)的補救措施.說明基坑開挖期間基坑降水止水措施是十分必要的.

圖8 笛楊路站1號坑地表沉降時間曲線

圖9 柯華路站基坑地表沉降時間曲線

2.4 圍護墻體、坑外土體深層水平位移

圖10、圖11反映出在基坑開挖初期，笛楊路站1號坑圍護墻體、坑外土體均發(fā)生向基坑方向的水平位移.且隨著開挖深度的增加，水平位移量越來越大，在第三道砼支撐安裝完成后(2018年5月29日)，水平位移變化量明顯減?。辉诘谖宓乐伟惭b(2018年6月19日)到土方開挖完成(2018年8月25日)這段時間，水平位移變化量比較大；底板澆筑完成(2018年9月30日)之后，水平位移變化量明顯減小.

圖12、圖13中，柯華路站基坑在基坑開挖初期(2018年4月23日)變形量較小，隨著基坑開挖深度的逐步加深，坑內(nèi)外土壓力失衡，圍護墻頂水平位移表現(xiàn)為向坑內(nèi)方向偏移，累計量增大，后期隨著底板澆筑(2018年10月30日)，變形趨于穩(wěn)定狀態(tài).

從圖10至圖13中，對比分析并結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)可以看到，基坑開挖初始，墻頂向坑內(nèi)位移比較明顯，最大深層水平位移位置在開挖面附近，隨著開挖面不斷下降，其位置也會隨之下降.由于實測監(jiān)測過程會在第一道支撐安裝完成之后進行監(jiān)測，導(dǎo)致深層水平位移曲線圖隨著基坑開挖深度的加深， 會有由“前傾”形逐漸變?yōu)椤胺垂毙蝃13].土體深層水平位移可在一定程度上反映墻體深層水平位移，且各測點的位移增量主要發(fā)生在開挖深度較大且施工持續(xù)時間較長，各種荷載逐漸增大的時間段.底板澆筑完成后，深層水平位移的增量明顯減小，說明底板的澆筑對圍護墻體有明顯的約束作用.

圖10 笛楊路1號坑圍護墻體深層水平位移變化(QT28)

圖11 笛楊路1號坑土體深層水平位移變化曲線(TX8)

圖12 柯華路站基坑圍護墻體深層水平位移變化(QT11)

圖13 柯華路站基坑深層水平位移變化曲線(TX8)

2.5 周邊建筑物沉降

地下結(jié)構(gòu)的施工會引起周圍地表的下沉，從而導(dǎo)致地面建筑物的沉降，這種沉降一般都是不均勻的，因此將造成地面建筑物的傾斜，甚至開裂破壞，應(yīng)進行嚴(yán)格控制.

基坑開挖初期，由于基坑內(nèi)外高差存在產(chǎn)生土壓力差，使得圍護結(jié)構(gòu)變形，土體產(chǎn)生位移，導(dǎo)致臨近建筑基礎(chǔ)與基坑相近一邊產(chǎn)生較大變形而遠(yuǎn)離基坑一邊產(chǎn)生較小變形，造成了建筑不均勻變形，產(chǎn)生初步的開裂和損壞.在深基坑開挖進行到使周圍土體產(chǎn)生塑性形變狀態(tài)后，產(chǎn)生地層表面土體不均勻沉降.地層表面不均勻沉降進而使建筑基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降，當(dāng)建筑基礎(chǔ)不均勻沉降超過承受能力時，建筑構(gòu)件產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂縫導(dǎo)致破壞.因此，周邊建筑物的沉降監(jiān)測是十分必要的.

對比圖8、圖9和圖14、圖15，可以看出建筑物沉降趨勢和地表沉降的變化趨勢是一致的，說明建筑物沉降是由地表沉降引起的建筑物基礎(chǔ)的不均勻沉降造成的，且笛楊路1號坑周邊建筑物最大沉降量是-89.09 mm(JGC4)，柯華路站基坑周邊建筑物最大沉降量-59.86 mm(JGC2)，均發(fā)生在靠近基坑一側(cè).即基坑開挖過程中，會使得臨近基坑一側(cè)的建筑物產(chǎn)生較大變形，遠(yuǎn)離基坑一側(cè)的建筑物產(chǎn)生的變形較小.在基坑施工過程中應(yīng)對基坑周邊建筑進行相應(yīng)的保護，可根據(jù)不同的影響分區(qū)對基坑開挖對周邊環(huán)境的影響區(qū)域劃分，如圖16所示，影響分區(qū)的位置分別為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)，分別對應(yīng)影響區(qū)為主影響區(qū)、次影響區(qū)、無影響區(qū).各影響區(qū)的環(huán)境特征和對應(yīng)的保護措施總結(jié)如表4所示.

圖14 笛楊路1號坑周邊建筑物沉降時間曲線

圖15 柯華路基坑周邊建筑物沉降時間曲線

2.6 支撐軸力

圖17中，笛楊路站1號坑第一道砼支撐在基坑開挖初期(2018年3月26日)軸力增長迅速，后面隨著砼支撐施加的預(yù)應(yīng)力逐漸釋放和第二道鋼支撐的安裝(2018年4月2日)，第一道砼支撐的軸力迅速減??；隨著第三道砼支撐的安裝(2018年5月29日)，其他支撐受到的力明顯減小，第三道鋼支撐軸力迅速 增長， 且維持在較大值；隨著第五道鋼支撐安裝(2018年6月19日)到拆除(2018年8月25日)，第三道砼支撐的軸力有一個減小后有回升的過程， 并保持穩(wěn)定； 后面隨著地下結(jié)構(gòu)的施工， 第三道支撐被拆除，第一道砼支撐的軸力有小幅上升的趨勢，后保持穩(wěn)定.

圖16 基坑開挖對周邊環(huán)境的影響區(qū)域劃分

表4 基坑開挖環(huán)境影響分區(qū)特征與保護措施

圖18中，柯華路站基坑的第三道支撐砼軸力最大，是因為由于第三道支撐位置位于基坑中部，且施工安裝完成第三道支撐之后，緊接著開挖第四層土，基坑暴露時間過長，導(dǎo)致第三道支撐軸力過大.在五大道鋼支撐安裝(2018年8月28日)的時候，鋼支撐軸力增長迅速，其他支撐的軸力隨之減小.

笛楊路站1號坑和柯華路站基坑第一道砼支撐變化不一樣，是由于笛楊路站的第一道砼支撐施工完成之后還未等到砼支撐應(yīng)力完全施加就開始進行土方開挖，導(dǎo)致第一道砼支撐軸力在基坑開挖期間增長很快；柯華路站是在第一道砼支撐完全釋放應(yīng)力之后開始進行土方開挖的，故在土方開挖初期第一道砼支撐受力較穩(wěn)定，這也反映出砼支撐對基坑結(jié)構(gòu)起到很好的穩(wěn)定作用.

圖17 笛楊路站1號坑軸力時間曲線

3 結(jié)論

通過對笛楊路1號坑和柯華路站基坑的持續(xù)監(jiān)測，對可能發(fā)生的危及環(huán)境安全的隱患或事故可提供及時、準(zhǔn)確預(yù)報，有效避免事故的發(fā)生，并得出以下結(jié)論：

(1)基坑開挖會使得圍護墻頂上抬，在底板澆筑完成后，逐漸趨于穩(wěn)定；圍護墻體最大深層水平位移的位置發(fā)生在基坑開挖面附近，位移曲線圖由“前傾”形逐漸變?yōu)椤胺垂毙?，且土體深層水平位移可在一定程度上反映墻體深層水平位移；底板的澆筑對圍護結(jié)構(gòu)的變形起到了很好的抑制作用.

(2)坑外地表沉降在土方開挖初期沉降速率較低；隨著基坑開挖深度的增加，地表沉降變化速率增大；周邊建筑物沉降規(guī)律和坑外地表沉降類似，且距離基坑越近建筑物沉降量越大.

(3)做好基坑周邊堆載及做好基坑滲漏水的防護措施，可以有效控制由基坑開挖引起的變形.

(4)基坑開挖初期，第一道砼軸力增長迅速，隨著基坑開挖的深度增加，鋼支撐的安裝，砼支撐的軸力會迅速減小，隨著底板澆筑的完成，所有支撐的軸力逐漸趨于穩(wěn)定.其中第三道支撐受力最大在鋼支撐安裝的時候，鋼支撐軸力增長迅速，且一直處于最大受力狀態(tài)，需要減少基坑無支撐的暴露時間，暴露時間越短對基坑支護越有利.