加卸載工況下的車站深基坑開挖變形性狀研究

王京潮 ，魏 綱，周鑫鑫

（1.寧海縣市政建設中心，浙江 寧海 315600；2.浙大城市學院，浙江 杭州 310015；3.浙江大學，浙江 杭州 310058）

0 引言

在市政工程的建設過程中，深基坑因其開挖過程的高風險和高難度特點，常常帶來極大的安全隱患，因此，深基坑的開挖監(jiān)測分析對保障其安全性具有重要的意義[1-2]。已有許多學者對臨近超載或基坑周圍有開挖卸載的深基坑進行了監(jiān)測分析，并總結了相應的規(guī)律[3-8]。但是現有文獻中學者們大多只對臨近超載或僅臨近卸載的基坑開挖進行監(jiān)測分析研究，但并未遇到既鄰近超載又臨近卸載的深基坑開挖工況。因此有必要作進一步深入研究。

本文以某地鐵車站深基坑開挖為背景進行研究，該地鐵車站深基坑標準段北側臨近高樓，南側臨近在挖恒大基坑。通過對其進行監(jiān)測分析，研究基坑在一側超載以及一側卸載特殊工況下，其兩側的沉降與變形特性的不同，以及和普通基坑（指周邊既無超載也無卸載的基坑）之間的差異并得出相應的變化規(guī)律以及總結兩側存在區(qū)別的具體原因。

1 工程概況及監(jiān)測布置

1.1 工程概況

本工程主體結構總長472.4 m，端頭井寬25.4 m，標準段寬21.3 m。該基坑采用明挖順筑法施工，側墻為地下連續(xù)墻與內襯墻組合的復合墻。連續(xù)墻厚0.8 m，插入比介于0.79～1.07 之間。其標準段開挖深度為18 m，具體支撐設置見圖1。

圖1 標準段支撐結構橫斷面圖（單位：m）

標準段開挖土層分布情況見圖1，其力學參數詳見表1。

表1 標準段開挖地層物理力學參數表

本工程場區(qū)無地表河流，其中潛水初見水位一般埋深0.50～1.50 m，靜止水位一般埋深0.40～1.90 m，場區(qū)淺部潛水主要賦存于表1 所示的巖層中。潛水水位年變幅為1.0～2.0 m，流速緩慢，對工程影響小。承壓水主要分布于深部（深度大于36 m）的圓礫層中，詳勘測得少量承壓水水位埋深4.30 m，水位年變幅1～3 m，且對工程影響小。

該地鐵車站基坑西側靠近河流，東側分布有三條管線，后期將要改遷。本文重點討論的標準段，其北側分布新建的采用樁基礎的高層住宅樓，臨近基坑有4～6 號樓等，住宅樓在車站基坑開挖前完成了回填工作；南側靠近恒大基坑，開挖深度介于13～19.35 m 之間，在車站深基坑的開挖過程中，恒大基坑第二層土方開挖結束，坑底深度為10 m，且還未架設第二道支撐。該地鐵站深基坑周邊環(huán)境見圖2～圖4。由于車站的標準段開挖與恒大基坑同時進行，而且北側臨近高樓，因此該段的監(jiān)測分析至關重要。

圖2 基坑標準段19-22 軸剖面示意圖（單位：m）

圖3 基坑標準段北側臨近高樓示意圖

圖4 基坑標準段南側臨近在建基坑示意圖

2.2 基坑監(jiān)測項目及測點布置

本文研究的主要監(jiān)測項目內容包括：（1）圍護墻水平位移；（2）土體水平位移；（3）周邊建筑物沉降；（4）地表沉降；（5）立柱沉降。對位于在建基坑與住宅樓間的該車站深基坑，因為標準段19-22 軸相比其他軸段，其南北側更加靠近恒大基坑以及高樓，且高樓回填土具有一定的時間效應，對于該工況而言最具有代表性，因此本文選擇對19-22 軸段間的監(jiān)測數據進行分析。各項目測點以及累計變形報警值統(tǒng)計見表2，測點布置見圖5，且各工況開挖情況見表3。

表2 各項目測點以及累計變形報警值統(tǒng)計表

圖5 標準段19-22 軸測點布置平面圖

表3 各級開挖工況及時間節(jié)點

表2 中，高樓測點距離北側圍護墻依次為44.61 m、27.57 m、18.17 m 和33.62 m；北側地表沉降測點距離坑壁依次為2 m、6 m 和11 m；南側地表沉降測點距離坑壁為2 m；圍護墻水平位移測點重點分析6 號樓所對北側測點XY35、XY36 和XY37 以及南側測點XY18、XY19 和XY20。

3 基坑開挖變形性狀分析

3.1 南側和北側圍護墻水平位移對比分析

圖6 和圖7 分別為南北兩側圍護墻測斜點在不同開挖工況下的監(jiān)測數據圖。圖中圍護墻向坑內位移為正，反之為負。

如圖6 和圖7 所示，隨著基坑不斷開挖，南北側圍護墻向坑內發(fā)生水平位移，開挖越深，位移越大，圍護墻位移曲線呈現“中間大，兩端小”的典型“膨脹”線型，其中北側每級曲線變化趨勢吻合較好，南側則較差。北側測點測得的最大水平位移對應深度均在17 m 左右，而南側測點XY18-20 測得的最大水平位移對應深度依次為15 m 、16 m 和18 m，可見南側測點累計最大水平位移無明顯對應統(tǒng)一深度。由上可知，鄰近卸載和超載的南北兩側墻體的變形并不對稱，對應的最大位移深度也不統(tǒng)一。且南側坑底圍護墻底部有向坑外偏移的趨勢，而北側并無此現象。

圖6 北側圍護墻測點水平位移—深度關系圖

圖7 南側圍護墻測點水平位移—深度關系圖

丁智等[9]收集浙江37 個軟土深基坑實例，研究表明最大水平位移與開挖深度呈線性關系。本基坑最大水平位移隨開挖深度變化見圖8，可發(fā)現前三級開挖基本符合線性關系，但最后一級開挖的最大水平位移增量有部分明顯的突增。且如圖6 所示，當開挖深度至16 m 和18 m 時，深度在10～20 m 的北側圍護墻累計水平位移普遍超過了警戒值42 mm，而鄰近在挖基坑的南側均沒有超過警戒值。

造成該南北圍護墻水平位移差異的原因有以下幾點：基坑在一側超載以及一側卸載的工況下，南北圍護墻所受主動土壓力大小以及計算合力作用深度存在差別，且北側高樓的回填土具有一定的時間效應，因此導致南北兩側圍護墻變形以及最大水平位移對應深度不同；南側在挖基坑支撐設置與本基坑支撐設置相交錯，XY18-20 各測點所在截面一定區(qū)域位置，兩基坑的支撐在縱向距離內存在差異，導致南側最大水平位移對應深度也各異；北側坑壁上的主動土壓力大于南側坑壁所受主動土壓力，又由于周邊卸載導致南側墻底產生被動土壓力，使得其向坑外偏移；在第四級開挖過程中，施工方未合理安排施工進度，基坑暴露時間太長，導致基坑的時空效應加劇，因此在圖8 中折線出現明顯拐點。

圖8 各測斜點最大水平位移隨開挖深度變化圖

為較好應對此類問題，應充分了解和評估周邊環(huán)境，在設計和施工上做好調整：（1）針對北側高樓，本基坑需提高第四道雙拼鋼支撐的整體剛度；（2）在施工進度上應與南邊在挖恒大基坑施工進度充分協(xié)調，更好地合理安排開挖進度，減少基坑暴露時間，降低基坑的時空效應；（3）建議恒大基坑靠近本車站基坑的一側，加強第二、三道支撐的整體剛度，并將原先計劃的局部區(qū)域混凝土板結構改成全區(qū)域的混凝土板結構，以便于在基坑開挖期間有足夠的受力能力以及良好的整體剛度；（4）基坑底部位于⑥2淤泥質粉質黏土夾粉土層中，該土層為微不透水性土層，屬于弱富水性，所以在開挖過程中要做好排水工作來減小水土壓力。

3.2 南側和北側地表沉降對比及分析

圖9 為地表沉降測點的監(jiān)測數據隨開挖深度變化圖。圖中地表發(fā)生沉降為負值，隆起為正值。由圖9 可見，對比同距坑壁2 m 的CJ39-1 和CJ19-1，南側土體后期有隆起現象。開挖至后期時，CJ39-2 和CJ39-3 處地表沉降均超過了報警值，最后一級開挖過程中，兩處地表沉降折線明顯加快上升。

圖9 地表沉降隨開挖深度變化圖

首先，鄰近坑壁的超載與卸載是造成南北沉降差異的主要原因；其次，在開挖過程中，附近有大型鋼材堆積和大型工程車持續(xù)碾壓，如圖3 所示；最后，最后一級開挖時基坑暴露時間過長。因此在施工過程中，需嚴格控制場地，防止臨時堆載以及循環(huán)荷載對沉降造成太大影響。

3.3 南北兩側蠕變對比分析

土體的固結和蠕變是造成基坑在開挖空隙期其土體水平位移以及地表沉降繼續(xù)增大的主要原因。應宏偉等[10]通過對軟黏土深基坑的開挖時間效應進行有限元模擬，分析可知在軟黏土基坑的開挖空隙期間，上層土體的開挖卸載會導致超靜負孔壓的消散，進而導致基坑坑壁土體繼續(xù)水平位移以及地表土體繼續(xù)輕微的回縮。由于本基坑的超靜負孔壓消散不明顯，且基坑開挖的空隙期較短，所以在此處忽略土體固結的影響。

據此，將基坑開挖空隙期的坑壁土體水平位移增量和地表沉降定義為土體水平蠕變和地表沉降蠕變。土體水平位移最大蠕變率α 和地表最大沉降蠕變率μ 表示為：

式中：Δ 和▽定義為基坑開挖空隙期，土體最大水平位移增量和地表土體最大沉降增量；T 為空隙期時間間隔。由于6 m 的開挖深度較淺，蠕變效應不明顯，則此處不討論該深度的土體蠕變。

3.3.1 南北兩側土體水平蠕變對比分析

圖10 為坑壁土體最大水平蠕變速率隨開挖深度分布圖。從圖中可看出，北側坑壁土體最大蠕變率明顯大于南側，且開挖深度越深，兩側差距越明顯。對于普通的基坑開挖，Ou 等[14]和應宏偉等[15]總結的最大水平蠕變速率介于0.1～0.6 mm/d 和0.15～0.76 mm/d之間。對于一側超載一側卸載的本基坑，北側的最大蠕變率介于0.1～0.65 mm/d 之間，南側的最大蠕變率介于0～0.2 mm/d 之間，可見該基坑臨近超載的北側坑壁土體最大蠕變速率與普通基坑相當，而臨近卸載的南側則比其略小。

圖10 坑壁土體最大水平蠕變速率隨開挖深度分布圖

3.3.2 南北兩側地表沉降蠕變對比分析

圖11 為地表最大沉降蠕變速率隨開挖深度分布圖。對于普通的基坑開挖，Ou 等[14]和應宏偉等[15]總結的最大沉降蠕變速率介于0.1～0.4 mm/d 和0.1～0.6 mm/d 之間。而本基坑北側地表的最大沉降蠕變率介于0.05～0.56 mm/d 之間，南側地表的最大沉降蠕變率介于0.10～0.44 mm/d 之間，可見該基坑臨近超載的北側和臨近卸載的南側地表沉降最大蠕變速率均與普通基坑相當，但北側地表最大蠕變率略大于南側地表，且開挖深度越大，兩側的差距也越大。

圖11 地表最大沉降蠕變速率隨開挖深度分布圖

根據以上本基坑南北側的蠕變對比以及與普通基坑的對比，形成以上差別主要有以下兩個原因：（1）本基坑北側鄰近新建住宅高樓，南側鄰近基坑卸載；（2）北側地表常有大型工程車輛持續(xù)碾壓，在此循環(huán)荷載作用下也會加劇該側的蠕變效應。對此，在基坑開挖過程中，尤其對于此類“上硬下軟”的土層，其抗剪強度弱，壓縮性大，需加強支撐剛度，減少地表超載以及防止臨近地表循環(huán)荷載的作用；在開挖鄰近結束，更要及時澆筑墊層和底板。

3.4 周邊建筑物沉降和立柱沉降分析

圖12 為6 號建筑四個沉降測點的監(jiān)測數據隨開挖深度變化圖，其中沉降為負。如圖12 所示，隨著基坑開挖的進行，建筑物沉降不斷增大，且距離基坑越近的位置沉降量越大，但各測點的沉降量差距不大，且均未超過警戒值20 mm，對整個建筑物影響較小。最后一級開挖過程中，建筑物沉降量略微增加加快，原因與上文分析相同。

圖12 周邊建筑物沉降-開挖深度關系曲線圖

圖13 為立柱沉降測點測得的監(jiān)測數據隨時間的變化圖，其中，立柱抬升為正值，下沉為負值。如圖所示，隨著基坑的不斷開挖，立柱沉降測點測得均為正值，此表現為基底不斷隆起。基坑開挖得越深，基底隆起越明顯，但均未超過立柱沉降警戒值20 mm，這是由于該車站基坑南側存在一個在挖基坑，它的存在對本基坑有一定的卸載作用。10 月18 號（開挖至18 m）后，基底隆起開始減小，是因為基坑底部鋪設了墊層和底板的緣故。

圖13 立柱沉降隨時間變化圖

4 結論

（1）該基坑南北兩側的圍護墻水平位移和地表沉降變形并不對稱統(tǒng)一。由于基坑一側鄰近超載（新建住宅高樓）、一側鄰近開挖卸載，且北側高樓的回填土具有一定的時間效應，其加載側變形均比卸載側明顯，且普遍存在超過警戒值。因此，加強支撐剛度、減少和控制額外超載和合理安排施工進度具有重要意義。另外，建議擴大加載側的地表沉降監(jiān)測范圍。

（2）對于坑壁土體水平蠕變和地表沉降蠕變，加載側的最大蠕變率均略大于卸載側。除了北側的高樓荷載，車輛循環(huán)荷載也加劇了蠕變效應。

（3）本基坑的高樓沉降以及立柱沉降均在報警值以內，且高樓沉降均勻，可見本基坑開挖對高樓的沉降影響較小。而且由于南側在挖恒大基坑的存在，對本基坑的坑底有一定的卸載作用，使得立柱隆起不明顯。