軟土地區(qū)某地鐵車站深基坑變形分析

沈華駿，蔣正，祝斌

(杭州市勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310000)

1 引 言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，城市大型的地鐵深基坑的開挖施工也逐步增多[1]，由于城市內(nèi)建構(gòu)筑物較為密集，大型地鐵深基坑的開挖施工必然會對周邊帶來不確定的安全隱患，為有效控制施工過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)格控制基坑施工過程中的變形量是有效控制基坑施工過程中安全風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)[2，3]。軟土地區(qū)由于地質(zhì)條件較差，深基坑開挖施工過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形相對較大，存在安全風(fēng)險(xiǎn)也相對較高。

許多學(xué)者在基坑變形特性的研究積累了許多成果，Terzaghi[4]、Milligan[5]、Peck[6]等通過試驗(yàn)研究提出對不同土層分析墻后地表沉降和沉降范圍的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系曲以及相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)估算方法等。吳鋒波[7]等研究了北京市軌道交通80個(gè)明挖基坑地表沉降的變形規(guī)律，得出最大地表沉降的平均值為砂卵石地區(qū)0.11%H，黏性土地區(qū)0.20%H；武朝軍[8]等對典型車站基坑實(shí)測數(shù)據(jù)分析得出圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移平均值約為0.16%H，墻后最大地表沉降平均值為0.13%H的結(jié)論；王旭軍[9]等以上海中心大廈為例經(jīng)分析得出基坑圍護(hù)墻平均最大位移與開挖深的比值為0.262%H等。

寧波軟土性質(zhì)較為復(fù)雜與上海軟土有著一定的區(qū)別，因此針對寧波地區(qū)的軟土深基坑的研究不能完全照搬上海研究成果。鄭榮躍[10]等針對寧波地區(qū)軟土深基坑變形控制進(jìn)行了實(shí)踐性研究，并初步制定寧波當(dāng)?shù)鼗幼冃慰刂浦笜?biāo)；朱瑤宏[11]等對寧波13個(gè)地鐵深基坑變形特性進(jìn)入了深入的研究，得出寧波地區(qū)地下連續(xù)墻的最大側(cè)移介于0.18%H和0.80%H之間，平均值為0.39%H；地表沉降最大值δvm=1.2%H，最小值δvm=0.15%H，平均值δvm=0.69%H的結(jié)論。

城市地鐵深基坑的施工過程復(fù)雜多樣，每一個(gè)基坑都有自己獨(dú)特的特點(diǎn)，為更深入地研究分析寧波軟土地區(qū)地鐵車站基坑大變形的問題，有效地掌握軟土深基坑開挖期間變形的規(guī)律，探尋軟土深基坑施工過程中的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響因素，降低軟土深基坑施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)，本文結(jié)合具體的工程實(shí)例，重點(diǎn)對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及周邊地表沉降情況進(jìn)行分析，為后續(xù)相似軟土深基坑施工提供借鑒與參考。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

該工程基坑為寧波地區(qū)地鐵車站建設(shè)開挖的軟土深基坑，車站主體結(jié)構(gòu)為地下兩層箱型混凝土結(jié)構(gòu)，為地下兩層車站，基坑采用明挖順筑法施工，地下連續(xù)墻厚度均為 800 mm。地下墻與內(nèi)襯墻采用復(fù)合式結(jié)構(gòu)型式，全包防水?；訕?biāo)準(zhǔn)段寬約 19.7 m，深約 16.551 m，盾構(gòu)井段寬約 30 m，深約 18.201 m，基坑長約 140 m。

車站主體標(biāo)準(zhǔn)段基坑采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，車站基坑深度 16.55 m～18.25 m，地墻為 800 mm，墻趾埋深 40.75 m，墻趾標(biāo)高-37.091 m，插入比1∶1.46；標(biāo)準(zhǔn)段及軌排井處均設(shè)5道支撐沿基坑深度方向設(shè)置1道砼支撐、4道Φ800(t=16)鋼支撐加一道Φ800(t=16)鋼倒撐。支撐形式如表1所示。

表1 基坑內(nèi)支撐設(shè)置表

2.2 地質(zhì)條件

基坑開挖及地墻所處的范圍內(nèi)均屬第四系濱海平原沉積層，為典型的?；浲恋貙印；邮┕み^程中開挖地層為：①a雜填土、①2黏土、①3b淤泥質(zhì)黏土、②2b淤泥質(zhì)黏土；基坑坑底土層：②2b淤泥質(zhì)黏土；圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻趾土層：④2黏土，⑤2粉質(zhì)黏土，如圖1所示。該區(qū)域潛水水位埋深一般在地面下 0.5 m～3.0 m；承壓含水層位于⑤3c中砂地層中，穩(wěn)定性滿足施工要求。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及地質(zhì)剖面圖

2.3 測點(diǎn)布設(shè)及開挖

基坑整體結(jié)構(gòu)呈長條狀，東西兩側(cè)各布置6個(gè)測斜監(jiān)測點(diǎn)，南北端頭各布置一個(gè)測斜監(jiān)測點(diǎn)，對應(yīng)測斜監(jiān)測點(diǎn)位分別布設(shè)6個(gè)～7個(gè)斷面沉降監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)平面布置情況如圖2所示，由于界面限制其中地表沉降監(jiān)測點(diǎn)未完全體現(xiàn)出來，地表沉降監(jiān)測點(diǎn)與測斜監(jiān)測點(diǎn)相對應(yīng)?；娱_挖施工方向由南向北單向逐層放坡開挖，基坑內(nèi)土方劃分為五層土方依次分步分層放坡開挖。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)布置平面圖

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形實(shí)測分析

基坑呈長條狀分布，開挖方式采取放坡開挖，本次統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均為相同工況下監(jiān)測點(diǎn)變形值，本基坑周邊共設(shè)14個(gè)墻體測斜監(jiān)測點(diǎn)，其中CX3、CX9和CX13三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)在施工過程中被破壞無法監(jiān)測，調(diào)整補(bǔ)打土體測斜監(jiān)測孔，所測數(shù)據(jù)也為土體位移監(jiān)測數(shù)據(jù)。部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移監(jiān)測點(diǎn)CX2、CX3、CX4、CX10、CX11、CX12在各工況下的最大側(cè)移如圖3所示。

圖3 圍護(hù)墻在各工況下的位移

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形整體性狀分析

統(tǒng)計(jì)圖表2中監(jiān)測數(shù)據(jù)均為基坑開挖期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)，基坑開挖期間也是基坑安全隱患較為突出集中的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，合理有效地分析基坑開挖期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)對確?；影踩€(wěn)定具有突出的現(xiàn)實(shí)意義。圖3為圍護(hù)墻體在各工況下的位移變化圖，圖4為各工況下墻體最大位移曲線圖；由圖可以看出隨著基坑開挖深度的不斷增加基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形量也在增加，并且最大位移深度隨著開挖深度的增加也在不斷下移。監(jiān)測點(diǎn)CX1～CX6位于基坑西側(cè)，監(jiān)測點(diǎn)CX8～CX9位于基坑?xùn)|側(cè)；由統(tǒng)計(jì)圖表可以看出基坑兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形值存在著明顯的差異其中CX3(土體孔)達(dá)到 247 mm，CX4達(dá)到 218 mm，明顯大于東側(cè)CX10：176 mm、CX11：168 mm。結(jié)合施工現(xiàn)場情況及數(shù)據(jù)變化，初步確定原因?yàn)樵诨娱_挖施工過程中重載車輛大多數(shù)?？课鱾?cè)運(yùn)載基坑內(nèi)渣土及基坑西側(cè)堆載，導(dǎo)致基坑在開挖過程中基坑西側(cè)外加荷載長期高于東側(cè)。

表2 基坑標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)計(jì)控制值統(tǒng)計(jì)表

圖4 各工況下墻體最大位移曲線圖

由圖3、圖4也可以看出基坑在開挖過程中各測斜監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)最大變形值各不相同，其中CX7與CX14分別位于基坑的北端頭與南端頭，圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移相對較小。其余測斜監(jiān)測點(diǎn)除東西側(cè)差異外，相同一側(cè)測斜監(jiān)測點(diǎn)越靠近基坑中部位置圍護(hù)結(jié)構(gòu)累計(jì)位移值明顯大于兩側(cè)，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形長邊效應(yīng)較為明顯。

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)差異變形分析

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)差異變形是辨別基坑安全狀況不可忽視的因素，表3中為不同工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形較大區(qū)域中統(tǒng)計(jì)的4組監(jiān)測斷面的差異沉降數(shù)據(jù)。由表中數(shù)據(jù)可以清晰地看出基坑在第一層至第三層土方開挖過程中基坑?xùn)|西兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)差異變形值相對較小，但有逐漸增大的趨勢。當(dāng)基坑開挖至第四層土方時(shí)基坑?xùn)|西兩側(cè)差異沉降值明顯增大，第五層土方開挖過程中差異沉降值最大就已達(dá) 48.06 mm，至底板完成時(shí)累計(jì)值更是達(dá)到 82.49 mm，嚴(yán)重影響基坑安全。

近年來學(xué)界勁吹“田野風(fēng)”，進(jìn)入村落成為時(shí)尚。特別是一些有老建筑遺存的古村，人們更是紛至沓來。熱衷于進(jìn)村者，并非都出于對村落價(jià)值的珍視與對村落發(fā)展的關(guān)懷，但對村落的影響卻是強(qiáng)大而持久的。在這一現(xiàn)象的背后，是國家戰(zhàn)略聚焦鄉(xiāng)村，社會資本涌入鄉(xiāng)村，鄉(xiāng)村成為當(dāng)代社會的“寶地”。

表3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)差異變形統(tǒng)計(jì)表

結(jié)合實(shí)際施工現(xiàn)場情況分析得知：①基坑在開挖過程中由于受場地限制等因素，基坑西側(cè)堆放較多建筑材料，導(dǎo)致基坑單邊荷載長時(shí)間超出設(shè)計(jì)值。②由于基坑?xùn)|側(cè)場地較小車輛行走不便，西側(cè)重載車輛明顯多于東側(cè)，大型吊機(jī)等機(jī)械設(shè)備在基坑施工過程中頻繁長時(shí)間停靠。

由此可見基坑周邊重載車輛及長期超荷載堆放工程材料對基坑變形控制的影響較大，由差異沉降的變化情況也可以看出基坑在第四、五層土方開挖施工過程中的安全隱患也較為突出，為確保周邊構(gòu)筑物、管線及基坑自身的安全應(yīng)加強(qiáng)施工現(xiàn)場的管理，合理規(guī)劃堆放建材，重載車輛未作業(yè)時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離基坑周邊停放，確?；影踩?。

3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移分析

如表4為該地鐵基坑各工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形深度統(tǒng)計(jì)平均值及開挖深度，由表可知除第一層第二層土方開挖施工中最大變形值與開挖深度間存在較為明顯差別，其余工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形深度平均值均處在距開挖面 2.5 m位置左右，這與鄭榮躍[10]等得出寧波地鐵深基坑Hδhm/H的范圍為0.8～1.25相符合。

表4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形所處深度統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)分析基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移位置深度與開挖深度呈線性關(guān)系，隨著開挖深度的增大，各工況下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移最大位置點(diǎn)逐漸增大，且大于開挖深度(H)，說明最大位移點(diǎn)始終位于開挖面以下位置，如圖5所示。

圖5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移發(fā)生位置深度與開挖深度的關(guān)系

該基坑工程開挖土層及坑底土層均為淤泥質(zhì)黏土，土體強(qiáng)度低、變形大、靈敏性高，且具有較強(qiáng)的流變性，因而對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響較大，是基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形位于開挖面以下的主要影響因素。

圖6為圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移與開挖深度之間的關(guān)系，圖中δmax為圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移值，H為開挖深度，由圖6可以看出當(dāng)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形較小的情況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形值與開挖深度呈線性關(guān)系，隨著開挖深度的增加基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形最大值明顯增大，由線性關(guān)系轉(zhuǎn)化為多項(xiàng)式與冪函數(shù)關(guān)系，尤其基坑第四層與第五層土方開挖施工的過程中，部分監(jiān)測點(diǎn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形最值明顯增大，說明該階段基坑危險(xiǎn)等級較高須格外關(guān)注并采取相應(yīng)控制措施。

圖6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移與開挖深度的關(guān)系

由統(tǒng)計(jì)可知基坑在底板完成后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形最大值(δmax)處于0.35%H～1.44%H之間，基坑不同部位之間圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形最值相差較大，且變形較大位置主要位于靠近基坑中部的西側(cè)位置，具有明顯的空間效應(yīng)?？梢钥闯龃蟛糠只訃o(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)明顯超出基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)預(yù)警值，基坑整體安全性存在較大隱患。

4 地表變形實(shí)測分析

4.1 地表沉降空間分布規(guī)律

很多學(xué)者對基坑開挖引起的地表沉降曲線的形態(tài)做了大量的研究，如侯學(xué)淵[12]教授提出的三角形沉降曲線和拋物線形沉降曲線，寧波地區(qū)工程施工大多在海積軟土層且分布較廣，周邊地表沉降曲線為拋物線型。如圖7所示為該基坑開挖完成后周邊地表沉降變形圖，該圖表中統(tǒng)計(jì)了基坑周邊12個(gè)監(jiān)測斷面地表沉降監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，各監(jiān)測斷面沉降變形趨勢符合拋物線型，整體呈勺型形態(tài)，最大沉降點(diǎn)位于距基坑 10 m～20 m區(qū)間，周邊地表沉降影響范圍大概在3H～4H基坑開挖范圍。

圖7 地表沉降變形圖

地表監(jiān)測點(diǎn)D07與D14分別位于基坑北南端頭位置處，可以看出靠近基坑端頭位置地表監(jiān)測點(diǎn)沉降量較比中部位置小，并且有端頭向中部位置沉降量逐漸增加，如圖8所示?；又苓叺乇沓两凳車o(hù)結(jié)構(gòu)變形影響，基坑周邊地表沉降變化受長邊效應(yīng)影響較為明顯，總體呈凹槽形。

圖8 地表沉降時(shí)程變形圖

4.2 地表變形與開挖深度的關(guān)系

地表沉降最大值為δmv，開挖深度為H，兩者之間的關(guān)系如圖9(a)所示，由圖9(a)可以看出當(dāng)基坑開挖深度不斷增加基坑周邊地表受施工影響也在逐步下沉并且呈線性關(guān)系，該基坑周邊地表沉降范圍主要處于直線δmv=0.3328H+9.1705與δmv=10.009H-33.515之間區(qū)域。

圖9 地表最大沉降值與開挖深度的關(guān)系

由圖9(b)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出基坑周邊地表沉降值具有明顯的離散型，同一開挖深度地表不同斷面的最大沉降值存在著明顯差異，說明基坑形狀及不同部位施工狀況等對基坑周邊地表沉降變形影響較大，最大δmv=1.27%H，最小δmv=0.28%H，平均值δmv=0.78%H。對比鄭榮躍[10]等研究了14個(gè)寧波地鐵車站工程案例291個(gè)沉降觀測點(diǎn)所得結(jié)論相符，可見軟土地區(qū)地鐵深基坑施工周邊地表沉降較大，對地鐵周邊重要建構(gòu)筑物等設(shè)施的保護(hù)較為不利。

4.3 最大地表變形與圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移關(guān)系

無量綱化最大地表沉降δmv與圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移δmax的關(guān)系如圖10所示，圖中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基坑底板完成后的地表沉降與圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移的監(jiān)測數(shù)據(jù)所得，由圖10可以看出在相同工況條件下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移與周邊地表沉降呈正相關(guān)，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化增大時(shí)對應(yīng)監(jiān)測斷面最大地表沉降也將增大，統(tǒng)計(jì)結(jié)果可得δmax=0.70δmv～1.67δmv，平均值約為1.01δmv；說明基坑在底板完成后各斷面周邊地表最大沉降值與對應(yīng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移相差不大，且呈正相關(guān)。

圖10 最大地表沉降與圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移的關(guān)系

5 結(jié) 論

(1)軟土基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形隨著基坑開挖深度的增加而增大，低層土方開挖施工時(shí)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形速率增大，該基坑在進(jìn)行施工過程中基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形遠(yuǎn)超出基坑設(shè)計(jì)控制值，應(yīng)引起格外重視。

(2)基坑施工過程中受周邊場地限制，基坑不同部位之間的工況存在著較大的差異，該基坑?xùn)|西兩側(cè)部分監(jiān)測點(diǎn)變形差異較大，至底板完成時(shí)累計(jì)差異沉降值已是達(dá)到 82.49 mm，對基坑安全存在較大威脅；當(dāng)基坑出現(xiàn)明顯差異情況下應(yīng)及時(shí)采取有效措施，控制該部位基坑進(jìn)一步變形，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

(3)基坑前兩層土方開挖施工中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形深度位于開挖面以下 5.9 m、3.9 m左右，當(dāng)開挖三、四、五層土方時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形深度穩(wěn)定于 2.5 m位置左右。圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移位置深度與開挖深度呈線性關(guān)系(Hhm=0.7411H+6.4143)。

(4)該基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移值與開挖深度部分呈一次函數(shù)關(guān)系，當(dāng)基坑地層土方開挖過程中部分監(jiān)測點(diǎn)變化加大，由一次函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)為多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系或冪函數(shù)關(guān)系。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知該基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形最大值(δmax)處于0.35%H～1.44%H之間，遠(yuǎn)大于圍護(hù)墻體最大水平位≤0.30%H控制標(biāo)準(zhǔn)。

(5)該軟土基坑周邊地表沉降符合拋物線型沉降曲線最大沉降點(diǎn)位于距基坑 10 m～20 m區(qū)間，周邊地表沉降影響范圍大概在3H～4H基坑開挖范圍。沿基坑長邊向位于基坑中部位置沉降大于位移基坑端頭周邊沉降，長條形基坑長邊效應(yīng)較明顯，總體呈凹槽形。

(6)基坑地表沉降最大值δmv與開挖深度H呈直線關(guān)系，隨著開挖深度的增加周邊地表也將隨之發(fā)生沉降變形；基坑不同位置地表沉降存在著明顯差異，地表沉降與基坑開挖深度之間關(guān)系為，最大δmv=1.27%H，最小δmv=0.28%H，平均值δmv=0.78%H，遠(yuǎn)大于地面最大沉降量≤0.20%H的標(biāo)準(zhǔn)；最大地表沉降與圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移呈正相關(guān)性，δmax=0.70δmv～1.67δmv，平均值約為1.01δmv，對應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)兩者相差不大。

大型地鐵軟土深基坑施工過程中往往受到諸多條件限制，工程環(huán)境較為復(fù)雜多變；加大基坑實(shí)測數(shù)據(jù)收集分析，探究軟土深基坑變形規(guī)律，對優(yōu)化軟土基坑設(shè)計(jì)具有重要的作用。