常州地區地鐵車站深基坑變形特性分析

劉全海，趙塵衍

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

1 引 言

當前我國城市軌道交通工程建設高速發展，常州市也迎來了地鐵建設的重要時期。常州市位于長江三角洲沖積平原軟土地區，土體具有高含水量、高壓縮性及低滲透性等特點，工程地質和水文地質條件較差，給深基坑設計、變形控制帶來了較大困難[1，2]。

隨著基坑工程開挖的不斷進行，不可避免地會引起周邊地表沉降及基坑自身圍護結構的變形，從而可能會對周邊環境造成不利影響。因此對軌道交通深基坑變形特性進行深入研究，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號線26個車站主體深基坑為工程背景，結合全建設過程的監測數據，全面研究常州地區的地鐵深基坑變形性狀，主要包括地表沉降以及基坑圍護結構變形等方面，為今后本地區及具有類似地質條件地區的深基坑設計以及施工過程中的變形控制提供借鑒[4]。

2 工程實例

常州軌道交通1號線為南北走向，如圖1所示，沿線發育有地面沉降、地裂縫、軟土等不良地質作用和特殊性巖土。地下水發育，局部基坑底部位于承壓含水層中，降水難度大。周邊環境復雜，下穿公路、鐵路、河流等重大風險源。

本文收集了常州軌道交通1號線26個車站深基坑實例。目前常州軌道交通1號線車站主體基坑主要采用地下連續墻+內支撐形式的圍護結構，基坑開挖深度范圍在 16 m～23.4 m，采用明挖順筑法的開挖方式。

圖1 常州軌道交通1號線走向示意圖

車站基坑開挖深度范圍內依次有①填土、②-3淤泥質粉質黏土、②-4粉質黏土、②-5粉質黏土、③-2黏土、③-3粉質黏土、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。部分車站③-2硬塑黏土層缺失，部分車站存在⑥-1、⑦-1軟塑-流塑淤泥質土，都會對基坑沉降產生較大影響。

常州地區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

統計全線所有地表沉降監測點的沉降量，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，絕大多數地表沉降監測點的沉降最大值位于5 mm內。

統計全線26個車站主體基坑附近的地表沉降最大值，如圖3所示。

圖3 各車站主體結構基坑附近地表沉降最大值分布情況

從圖3中可以看出，部分車站所處位置由于存在⑥-1、⑦-1軟塑-流塑淤泥質土，或是圍護結構存在涌水、涌砂情況，缺少③-2黏土層，表層土質較差，易導致地表產生較大沉降。

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

3.2 地表沉降最大值與開挖深度的關系

對26個地鐵車站基坑外地表沉降監測成果進行統計分析，得到坑外地表沉降最大值與開挖深度之間的關系，如圖4所示。

圖4 地表沉降最大值與開挖深度之間的關系

從圖4中可以看出，最大地表沉降值隨基坑開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，數據離散性較大，說明地表沉降最大值不僅與開挖深度有關，且與施工過程中的質量控制有關，在基坑設計及施工時均應引起重視。

3.3 地表變形模式

Peck在對鋼板樁圍護為主的基坑進行分析時發現，對砂土和硬黏土的沉降影響范圍一般在2倍開挖深度內，并根據土層和支撐條件將墻后地表沉降數據分成3類，分別給出了Ⅰ區(砂土、硬黏土、軟黏土)、Ⅱ區(軟黏土和極軟弱的黏土)、Ⅲ區(有較厚深度的軟黏土和極軟弱黏土)的沉降范圍。圖5所示為基坑開挖造成的圍護墻后地表沉降分布情況。以距坑壁距離與基坑開挖深度比值為橫軸，以無量綱化地表沉降值為縱軸。各實測值均為地表沉降最終值。圖中同時繪制出了Peck的分區沉降范圍。

圖5 圍護墻后地表沉降分布情況

從圖5中可以看出，常州地區地表沉降點均落在Peck所分的Ⅰ區、Ⅱ區范圍內，這與常州地區粉質黏土、砂土地質條件相吻合。

Hsieh等利用在現場采集的基坑工程實測數據，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—基坑開挖深度；

x—坑外地表沉降點至支護結構邊緣的距離。

Hsieh指出，在基坑支護結構后0.5H處產生的沉降最大，在支護結構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結構后0H～2H范圍內，次要影響區域為2H～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，以監測點距坑壁距離與基坑開挖深度比值作為橫軸，作出圖6，圖中同時給出了Hsieh提出的沉降分布曲線。

圖6 地表沉降形態圖

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于Hsieh提出的凹槽型區域內，與Hsieh提出的結論一致。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。常州地區地表沉降主要影響區在2H范圍內，次要影響區為2H～4H范圍。

4 地下連續墻墻體變形特性

4.1 地下連續墻墻體最大側移與開挖深度的關系

統計常州軌道交通1號線26個車站主體基坑圍護墻墻體最大側移與開挖深度之間的關系，作出圖7。

圖7 地連墻墻體最大側移與開挖深度的關系

由圖7中可以看出，基坑地連墻墻體最大側移隨開挖深度的增加而增大，最大側移與開挖深度之比位于0.07%～0.27%之間。由圖7中還可知，平均地連墻墻體最大側移為0.19%H，與具有相似地質條件的蘇州地區統計結果較為接近。

4.2 地下連續墻墻體最大側移深度位置分析

常州地區基坑地連墻墻體最大側移深度位置與開挖深度之間的關系如圖8所示。

圖8 地連墻墻體最大側移深度位置與開挖深度之間的關系

常州地區墻體最大側移發生位置為(H-9 m)-H深度范圍內，平均最大側移位于H-4.5 m深度處。Moormann[6]的研究結果表明，大部分深基坑墻體側移發生在地表以下0.5H～1.5H之間；徐中華[7]對上海軟土地區鉆孔灌注樁基坑統計表明，最大側移發生在開挖面附近，且基本介于H±5 m深度范圍之內。可見，由于地質條件、施工水平等的差異，不同地區地連墻墻體最大側移發生位置存在較大差異。

4.3 基坑長寬比對墻體最大側移的影響

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

圖9 基坑墻體最大側移與長寬比之間的關系

由圖9中可以看出，常州地區基坑地連墻墻體的最大側移與基坑開挖長寬比沒有明顯關系，主要原因在于常州地鐵各車站基坑在施工過程中減少了基坑每步開挖土方的空間尺寸，減小了基坑開挖的時空效應，從而達到了較好的基坑墻體變形控制效果。

4.4 插入比對墻體最大側移的影響

插入比是衡量基坑圍護結構經濟性和影響坑底抗隆起穩定系數的一個重要指標。Hashash通過有限元分析得出，只有當基坑的開挖深度達到極限開挖深度(由于土體變形過大而導致數值計算不收斂時對應的開挖深度)時，圍護結構的插入深度才會對墻體的側移產生較小的影響，否則圍護結構的插入深度對圍護結構側移的影響就可以忽略。

圖10 地連墻墻體最大側移與插入比之間的關系

由圖10可以看出，常州地區實測的地下連續墻墻體最大側移與插入比關系不明顯，這與Hashash的理論分析一致。徐中華在研究上海地區圍護結構插入比對最大側移影響時得出了相似的結論。

5 基坑開挖變形時空規律分析

在基坑開挖與支撐架設的過程中，每個分步開挖的空間幾何尺寸和圍護結構開挖部分的無支撐暴露時間對基坑周圍地層變形有明顯的影響，反映了基坑變形的時空效應。深基坑本身是三維空間結構，大量實踐表明，深基坑坑壁間范圍內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，抑制了其鄰近區域的土壓力和位移的發展。

如圖11、圖12所示為典型的深基坑圍護結構墻體深層水平位移及地表豎向位移的歷時變化曲線。

圖11 深基坑圍護結構墻體深層水平位移歷時變化曲線

圖12 地表豎向位移歷時變化曲線

隨著基坑開挖的加深，圍護結構墻體的深層水平位移逐漸增大，基坑圍護結構變形主要呈現中間大、兩頭小的形式。支撐架設可有效控制墻體水平位移，在開挖面附近墻體水平位移相對較大。

隨著基坑土方開挖，周邊地表呈現先隆起再沉降的變形趨勢，在回筑階段地表沉降速率減小，沉降值逐漸趨于穩定。開挖階段引起的地表沉降量占總沉降的75%，需要注意開挖階段的圍護結構變形控制以減少周邊地表沉降。在結構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定，因此在施工過程中應加快進行底板澆筑。

總體來看，在基坑工程中圍護結構墻體變形會隨著開挖暴露時間的延長而增大，墻體的內力及周圍地層變形也會隨之相應產生變化。在有支撐的基坑工程施工中，應有效解決內力、圍護結構水平位移和地表沉降等問題。在基坑工程開挖和支撐施工時考慮時空效應，可以合理而有效地利用土體自身在開挖時控制位移的能力來達到控制坑邊地層變化的效果，不僅能夠保護環境還可大大降低工程造價。

6 結 論

本文以常州軌道交通1號線26個車站主體基坑為工程背景，通過大量監測數據分析了常州地區地鐵深基坑施工周邊地表沉降及基坑圍護結構自身的變形性狀。在地表沉降特性分析中重點分析了地表沉降最大值的分布情況、地表沉降最大值與開挖深度的關系以及地表沉降模式。在基坑圍護結構自身變形性狀分析中重點關注了地連墻墻體最大側移與開挖深度、基坑長寬比、基坑插入比的關系以及墻體最大側移深度位置。同時綜合分析了基坑開挖過程中變形產生的時空規律。可得出如下結論：

(1)常州地區軌道交通工程車站深基坑周邊地表最大沉降值介于0.05%H～0.34%H之間，沉降發生與常州地區粉質黏土、砂土地質條件相關。墻后地表沉降形態呈現凹槽形，地表沉降主要影響區在2H范圍內，次要影響區為2H～4H范圍。

(2)地下連續墻墻體最大側移與開挖深度之比位于0.07%～0.27%之間，最大側移發生在開挖面以上 9 m至開挖面深度范圍內。常州地區基坑地連墻墻體最大側移與基坑開挖長寬比、插入比沒有明顯關系。

(3)在基坑施工過程中，特別是在地質條件較差的情況下，應嚴格控制施工質量，并進一步制定基坑圍護結構自身及周邊地表的變形控制量，確保基坑自身及周邊環境安全。