軟土地區某地鐵車站深基坑變形分析

沈華駿，蔣正，祝斌

(杭州市勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310000)

1 引 言

隨著城市建設的發展，城市大型的地鐵深基坑的開挖施工也逐步增多[1]，由于城市內建構筑物較為密集，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險，嚴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險的重要指標[2，3]。軟土地區由于地質條件較差，深基坑開挖施工過程中圍護結構變形相對較大，存在安全風險也相對較高。

許多學者在基坑變形特性的研究積累了許多成果，Terzaghi[4]、Milligan[5]、Peck[6]等通過試驗研究提出對不同土層分析墻后地表沉降和沉降范圍的經驗關系曲以及相應的經驗估算方法等。吳鋒波[7]等研究了北京市軌道交通80個明挖基坑地表沉降的變形規律，得出最大地表沉降的平均值為砂卵石地區0.11%H，黏性土地區0.20%H；武朝軍[8]等對典型車站基坑實測數據分析得出圍護結構最大側移平均值約為0.16%H，墻后最大地表沉降平均值為0.13%H的結論；王旭軍[9]等以上海中心大廈為例經分析得出基坑圍護墻平均最大位移與開挖深的比值為0.262%H等。

寧波軟土性質較為復雜與上海軟土有著一定的區別，因此針對寧波地區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]等針對寧波地區軟土深基坑變形控制進行了實踐性研究，并初步制定寧波當地基坑變形控制指標；朱瑤宏[11]等對寧波13個地鐵深基坑變形特性進入了深入的研究，得出寧波地區地下連續墻的最大側移介于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的結論。

城市地鐵深基坑的施工過程復雜多樣，每一個基坑都有自己獨特的特點，為更深入地研究分析寧波軟土地區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律，探尋軟土深基坑施工過程中的基坑圍護結構變形的影響因素，降低軟土深基坑施工過程中的風險，本文結合具體的工程實例，重點對基坑圍護結構變形及周邊地表沉降情況進行分析，為后續相似軟土深基坑施工提供借鑒與參考。

2 工程實例

2.1 工程概況

該工程基坑為寧波地區地鐵車站建設開挖的軟土深基坑，車站主體結構為地下兩層箱型混凝土結構，為地下兩層車站，基坑采用明挖順筑法施工，地下連續墻厚度均為 800 mm。地下墻與內襯墻采用復合式結構型式，全包防水。基坑標準段寬約 19.7 m，深約 16.551 m，盾構井段寬約 30 m，深約 18.201 m，基坑長約 140 m。

車站主體標準段基坑采用地下連續墻+內支撐的圍護結構，車站基坑深度 16.55 m～18.25 m，地墻為 800 mm，墻趾埋深 40.75 m，墻趾標高-37.091 m，插入比1∶1.46；標準段及軌排井處均設5道支撐沿基坑深度方向設置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 基坑內支撐設置表

2.2 地質條件

基坑開挖及地墻所處的范圍內均屬第四系濱海平原沉積層，為典型的海基軟土地層。基坑施工過程中開挖地層為：①a雜填土、①2黏土、①3b淤泥質黏土、②2b淤泥質黏土；基坑坑底土層：②2b淤泥質黏土；圍護結構墻趾土層：④2黏土，⑤2粉質黏土，如圖1所示。該區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，穩定性滿足施工要求。

圖1 標準段圍護結構設計及地質剖面圖

2.3 測點布設及開挖

基坑整體結構呈長條狀，東西兩側各布置6個測斜監測點，南北端頭各布置一個測斜監測點，對應測斜監測點位分別布設6個～7個斷面沉降監測點，監測點平面布置情況如圖2所示，由于界面限制其中地表沉降監測點未完全體現出來，地表沉降監測點與測斜監測點相對應。基坑開挖施工方向由南向北單向逐層放坡開挖，基坑內土方劃分為五層土方依次分步分層放坡開挖。

圖2 監測點布置平面圖

3 圍護結構變形實測分析

基坑呈長條狀分布，開挖方式采取放坡開挖，本次統計數據均為相同工況下監測點變形值，本基坑周邊共設14個墻體測斜監測點，其中CX3、CX9和CX13三個監測點在施工過程中被破壞無法監測，調整補打土體測斜監測孔，所測數據也為土體位移監測數據。部分圍護結構側移監測點CX2、CX3、CX4、CX10、CX11、CX12在各工況下的最大側移如圖3所示。

圖3 圍護墻在各工況下的位移

3.1 圍護結構變形整體性狀分析

統計圖表2中監測數據均為基坑開挖期間的監測數據，基坑開挖期間也是基坑安全隱患較為突出集中的時間節點，合理有效地分析基坑開挖期間的監測數據對確保基坑安全穩定具有突出的現實意義。圖3為圍護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結構變形量也在增加，并且最大位移深度隨著開挖深度的增加也在不斷下移。監測點CX1～CX6位于基坑西側，監測點CX8～CX9位于基坑東側；由統計圖表可以看出基坑兩側圍護結構變形值存在著明顯的差異其中CX3(土體孔)達到 247 mm，CX4達到 218 mm，明顯大于東側CX10：176 mm、CX11：168 mm。結合施工現場情況及數據變化，初步確定原因為在基坑開挖施工過程中重載車輛大多數停靠西側運載基坑內渣土及基坑西側堆載，導致基坑在開挖過程中基坑西側外加荷載長期高于東側。

表2 基坑標準段設計控制值統計表

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測點累計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，圍護結構位移相對較小。其余測斜監測點除東西側差異外，相同一側測斜監測點越靠近基坑中部位置圍護結構累計位移值明顯大于兩側，基坑圍護結構變形長邊效應較為明顯。

3.2 圍護結構差異變形分析

基坑圍護結構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結構變形較大區域中統計的4組監測斷面的差異沉降數據。由表中數據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東西兩側圍護結構差異變形值相對較小，但有逐漸增大的趨勢。當基坑開挖至第四層土方時基坑東西兩側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 48.06 mm，至底板完成時累計值更是達到 82.49 mm，嚴重影響基坑安全。

近年來學界勁吹“田野風”，進入村落成為時尚。特別是一些有老建筑遺存的古村，人們更是紛至沓來。熱衷于進村者，并非都出于對村落價值的珍視與對村落發展的關懷，但對村落的影響卻是強大而持久的。在這一現象的背后，是國家戰略聚焦鄉村，社會資本涌入鄉村，鄉村成為當代社會的“寶地”。

表3 圍護結構差異變形統計表

結合實際施工現場情況分析得知：①基坑在開挖過程中由于受場地限制等因素，基坑西側堆放較多建筑材料，導致基坑單邊荷載長時間超出設計值。②由于基坑東側場地較小車輛行走不便，西側重載車輛明顯多于東側，大型吊機等機械設備在基坑施工過程中頻繁長時間停靠。

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，為確保周邊構筑物、管線及基坑自身的安全應加強施工現場的管理，合理規劃堆放建材，重載車輛未作業時應遠離基坑周邊停放，確保基坑安全。

3.3 圍護結構側移分析

如表4為該地鐵基坑各工況下圍護結構最大變形深度統計平均值及開挖深度，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，其余工況下圍護結構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 圍護結構最大變形所處深度統計表

經分析基坑圍護結構最大側移位置深度與開挖深度呈線性關系，隨著開挖深度的增大，各工況下的圍護結構側移最大位置點逐漸增大，且大于開挖深度(H)，說明最大位移點始終位于開挖面以下位置，如圖5所示。

圖5 圍護結構最大側移發生位置深度與開挖深度的關系

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

圖6為圍護結構最大側移與開挖深度之間的關系，圖中δmax為圍護結構最大側移值，H為開挖深度，由圖6可以看出當基坑圍護結構變形較小的情況下，圍護結構最大變形值與開挖深度呈線性關系，隨著開挖深度的增加基坑圍護結構變形最大值明顯增大，由線性關系轉化為多項式與冪函數關系，尤其基坑第四層與第五層土方開挖施工的過程中，部分監測點圍護結構變形最值明顯增大，說明該階段基坑危險等級較高須格外關注并采取相應控制措施。

圖6 圍護結構最大側移與開挖深度的關系

由統計可知基坑在底板完成后，圍護結構變形最大值(δmax)處于0.35%H～1.44%H之間，基坑不同部位之間圍護結構變形最值相差較大，且變形較大位置主要位于靠近基坑中部的西側位置，具有明顯的空間效應。可以看出大部分基坑圍護結構變形監測點數據明顯超出基坑圍護結構設計預警值，基坑整體安全性存在較大隱患。

4 地表變形實測分析

4.1 地表沉降空間分布規律

很多學者對基坑開挖引起的地表沉降曲線的形態做了大量的研究，如侯學淵[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，該圖表中統計了基坑周邊12個監測斷面地表沉降監測點的監測數據，各監測斷面沉降變形趨勢符合拋物線型，整體呈勺型形態，最大沉降點位于距基坑 10 m～20 m區間，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

地表監測點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測點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。基坑周邊地表沉降受圍護結構變形影響，基坑周邊地表沉降變化受長邊效應影響較為明顯，總體呈凹槽形。

圖8 地表沉降時程變形圖

4.2 地表變形與開挖深度的關系

地表沉降最大值為δmv，開挖深度為H，兩者之間的關系如圖9(a)所示，由圖9(a)可以看出當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之間區域。

圖9 地表最大沉降值與開挖深度的關系

由圖9(b)統計數據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個寧波地鐵車站工程案例291個沉降觀測點所得結論相符，可見軟土地區地鐵深基坑施工周邊地表沉降較大，對地鐵周邊重要建構筑物等設施的保護較為不利。

4.3 最大地表變形與圍護結構最大側移關系

無量綱化最大地表沉降δmv與圍護結構最大側移δmax的關系如圖10所示，圖中統計數據為基坑底板完成后的地表沉降與圍護結構側移的監測數據所得，由圖10可以看出在相同工況條件下基坑圍護結構側移與周邊地表沉降呈正相關，當圍護結構發生變化增大時對應監測斷面最大地表沉降也將增大，統計結果可得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圍護結構最大側移相差不大，且呈正相關。

圖10 最大地表沉降與圍護結構最大側移的關系

5 結 論

(1)軟土基坑圍護結構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基坑圍護結構變形速率增大，該基坑在進行施工過程中基坑圍護結構變形遠超出基坑設計控制值，應引起格外重視。

(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，該基坑東西兩側部分監測點變形差異較大，至底板完成時累計差異沉降值已是達到 82.49 mm，對基坑安全存在較大威脅；當基坑出現明顯差異情況下應及時采取有效措施，控制該部位基坑進一步變形，降低安全風險。

(3)基坑前兩層土方開挖施工中，圍護結構最大變形深度位于開挖面以下 5.9 m、3.9 m左右，當開挖三、四、五層土方時圍護結構最大變形深度穩定于 2.5 m位置左右。圍護結構最大側移位置深度與開挖深度呈線性關系(Hhm=0.7411H+6.4143)。

(4)該基坑圍護結構最大側移值與開挖深度部分呈一次函數關系，當基坑地層土方開挖過程中部分監測點變化加大，由一次函數關系轉為多項式函數關系或冪函數關系。統計數據可知該基坑圍護結構變形最大值(δmax)處于0.35%H～1.44%H之間，遠大于圍護墻體最大水平位≤0.30%H控制標準。

(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位于距基坑 10 m～20 m區間，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呈直線關系，隨著開挖深度的增加周邊地表也將隨之發生沉降變形；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系為，最大δmv=1.27%H，最小δmv=0.28%H，平均值δmv=0.78%H，遠大于地面最大沉降量≤0.20%H的標準；最大地表沉降與圍護結構最大側移呈正相關性，δmax=0.70δmv～1.67δmv，平均值約為1.01δmv，對應監測點兩者相差不大。

大型地鐵軟土深基坑施工過程中往往受到諸多條件限制，工程環境較為復雜多變；加大基坑實測數據收集分析，探究軟土深基坑變形規律，對優化軟土基坑設計具有重要的作用。