软土地区34 m超深地铁基坑土压力研究

沈 霄 云

(北京城建设计发展集团股份有限公司，浙江 杭州 310017)

软土地区34 m超深地铁基坑土压力研究

沈 霄 云

(北京城建设计发展集团股份有限公司，浙江 杭州 310017)

基于杭州地铁某超深车站的土压力监测数据，分析了现有土压力计算模型在软土地区超深基坑设计中的适用性，通过分析土压力变化数据，对超深基坑的设计提出了可行的建议。

土压力，超深基坑，软土地区，分布

1 概述

土压力问题是土与结构物相互作用的结果，是岩土工程的基本问题，也是地铁基坑工程设计中首要确定的内容。土压力最早的研究者当属Coulomb(1773)和Rankine(1857)。他们的土压力理论迄今已有200余年历史，由于简便实用仍然为工程界所采用。随着人们认识水平不断提高，发现这些古典土压力理论存在诸多问题，为此学者们从理论、试验和数值方面做了工作来完善对土压力的理解。土压力的大小与分布是土体与支护结构之间的相互作用的结果，它主要取决于围护墙体的变位方式、方向和大小。工程经验表明，支护结构的刚度和支撑的刚度、支护结构的变形形态及施工的时空效应等对土压力的分布和变化起着控制作用。本文基于整理杭州地铁某超深车站的土压力监测数据，分析现有土压力计算模型在软土地区超深基坑设计中的适用性。

2 基坑工程土压力理论

地铁基坑工程的土压力分布具有其独特的工程条件，比如支撑布置、土性变化、地下水等因素。虽然土压力并不完全处于静止或主动土压力极限状态，但计算中为简化，常采用静止或主动土压力进行估计，甚至被动区也同样受到被动土压力来估计，再根据实践的经验加上适当的修正，也就是常用的经验土压力系数。在被动区是随着结构的变形，土压力逐渐由静止土压力向被动土压力发展，但并未达到被动土压力极限状态，否则土体将开始破坏。被动区的土压力通常宜根据结构与土的相互作用来确定，称为土的被动抗力。然而，抗力的总和必须保证小于被动土压力，否则就得增加支撑，改变土压力和结构的受力状态，以保证被动区的安全。由于支护结构上的土压力是随着开挖的进程逐步形成，又随着支撑的设置和每步开挖施工参数的差异而产生受力状态的变化，因此其土压力的分布与一般挡土墙存在着差异。下面以板桩墙为例来说明基坑支护上土压力的形成过程，见图1。

1)打入板桩时，在板桩两侧将产生侧向压力。由于板桩的挤压作用将可能略大于静止土压力系数；2)开挖第一深度，卸除了上面一段一侧的土压力，板桩变形，另一侧的土压力减少，一般有可能进入到主动状态；3)设置支撑1，使板桩的变形有一定的恢复，土压力加大，分布形式改变；4)继续开挖至第二深度，板桩将引起新的侧向变形，土压力分布亦随之改变；5)设置支撑2，并楔紧支撑1，就形成了新的土压力分布图式；6)继续开挖至第三深度，板桩随之向坑内侧位移，主动区土体亦向坑内侧移动，土压力有一定的减小，而形成最终的土压力分布图式。当然，继续增加或减小支撑的预加轴力以及增大支撑2以下板桩的开挖暴露范围和暴露时间，则在支撑2以下的部分板桩就发生相应的位移，而土压力也会有新改变。

3 工程概况

杭州地铁某车站为地下四层岛式车站，中心里程标准段底板埋深约32.7 m，盾构井段底板埋深约34.2 m，结构底板坐落在⑥2粉质粘土和⑧1粘土上。地层物理力学性质表见表1。

表1 地层物理力学性质表

第一道支撑采用现浇钢筋混凝土支撑体系，下二层板和下三层板为逆做楼板，其他六道撑为钢支撑。其中标准段：第二、三、五道为φ609(t=16 mm)钢支撑，第四、六、七道为φ800(t=16 mm)钢支撑；端头井段：第二道～第五道为φ609(t=16 mm)钢支撑，第六道为φ800(t=16 mm)钢支撑，第七道为双拼φ800(t=16 mm)钢支撑。采用坑外降水来降低坑外水头，减少土压力。设计降深为地面以下15 m，实际降深为12 m左右。

4 各概况土压力数值分析

目前车站已基本完工。

在施工初期埋设了6个土压力观测断面。由于种种原因，有局部几个观测断面的个别土压力盒损毁，其中2号(基坑中部)、6号(东侧端头井)点数据较完整，满足分析的需要。

本次试验的土压力盒采用振弦式传感器，从地面以下8 m开始，每5 m～6 m设置一个测点(分别为地面以下8 m，13 m，18 m，23 m，28 m，33 m，38 m，43 m，49 m，54 m)。每天采集一次数据，从正式开挖开始监测，目前已进行了593次测量。

考虑到埋设时产生的误差，初始值校准归零，因此，所得累计值均为埋设至今的土压力变化值。分析中按静止土压力(采用地勘提供的土压力系数计算所得)作为初始值，进行数值修正。

鉴于在坑内设置土压力盒，基坑开挖过程中难以保护，所以本次仅对坑外主动区的土压力进行了监测。

第一期：施工初期，东端头井开挖5 m，基坑中部开挖4 m。计算土压力为主动土压力，理论上，主动土压力为主动破坏的土压力，为最小的土压力。但是考虑到地墙成槽导致局部土压力消散，而且埋设土压力盒容易出现周边土体不密实，所以测量所得土压力略微小于主动土压力(见图2)。

第二期：东端头井施工第四道撑(17 m)，基坑中部施工第三道撑(14 m)。随着钢支撑的架设土压力逐渐变大，超过主动土压力，逐渐稳定(见图3)。

第三期：东端头井施工完下二层楼板(18 m)，基坑中部施工第四道撑(18.5 m)(见图4)。

第四期：端头井开挖下二层底板下方(21 m)，基坑中部施工完下二层底板(18 m)。此时，下二层楼板已基本完工(见图5)。

第五期：端头井施工下三层楼板(25 m)，基坑中部开挖下二层底板下方(21 m)。墙体变形可以看出墙体顶部出现负值，说明顶部在往外倾，有明显往被动土压力变形的趋势(见图6)。

第六期：端头井施工完下三层底板(25 m)，基坑中部施工完下三层底板(25 m)。随着施工开挖的加深，坑底以下的土压力明显减少，说明坑底以下地墙有向内倾的趋向。由于地墙的测斜管是孔底修正的，所以变形一直为零，实际根据土压力的走向，底部地墙向坑内变形(见图7)。

第七期：端头井开挖下三层楼板下的地层(25 m)，基坑中部施工完下三层底板(25 m)(见图8)。

第八期：端头井施工结构底板(34 m)，基坑中部施工完下三层底板(25 m)(见图9)。

第九期：端头井施工完结构底板(34 m)，基坑中部施工结构底板(33 m)(见图10)。

第十期：端头井施工完结构底板和侧墙(34 m)，基坑中部施工完结构底板(33 m)。结构已基本稳定，坑底以下土压力仍有向坑内变化的趋势(见图11)。

根据以上数据对比得出以下结论：1)由于地墙成槽施工和土压力盒的埋设使原状土的应力有一定消散，使初始土压力值基本吻合设计的主动土压力值。说明土体扰动使贴近地墙的地层进入主动破坏的应力工况。2)基坑的开挖结合支撑的架设使土层应力往静止土压力变化，土体逐渐稳定。因此，设计时考虑采用主动土压力作为基坑计算的边界条件，其实荷载是略微偏小的。因为支撑和地墙的共同作用，使地层出现应力重分布，尤其是支撑的位置地层的应力表现为往静止土压力变化的趋势。3)随着基坑进一步开挖，地墙插入比进一步变小，地层进一步往被动土压力方向发展。体现在地墙顶部出现向基坑外侧的位置，首道混凝土支撑出现较大的拉力，坑底位置地墙向基坑内挤压。使基坑上方出现土压力进一步增大，坑底以下土压力进一步减小，甚至出现矩形土压力的模式。4)采用逆做两道楼板，作为支撑。对土压力的贡献明显，在下二层和下三层楼板的位置2号点的土压力有明显增加。

5 结语

1)基坑的土压力随基坑开挖不断变化。坑底以上主要体现为主动土压力往被动土压力变化的过程，地墙也出现往外倾的趋势；坑底以下主要体现为静止土压力往主动土压力，甚至比主动土压力更小的土压力发展，尤其是坑底位置发生较大、往坑内的变形。最终开挖至坑底表现为上部为三角形荷载，下部为矩形荷载的模式。因此，设计采用主动土压力作为计算模型，基坑上方是基本满足的，坑底以下是偏大的，计算模型合理。2)支撑设计中采用两道逆做楼板，对土压力有较大影响，在楼板位置土压力明显变大。说明楼板的存在使土体更接近静止土压力，土体更加稳定。印证了多道混凝土支撑，尤其是板带对基坑稳定的作用比较大。3)由于基坑开挖加深，地墙墙顶出现向基坑外的变形，同时首道混凝土支撑也出现较大拉力。因此，第一道支撑采用混凝土撑，既提供拉力，也能提供压力，是基坑稳定的保障。4)从土压力的变化和分布来看，采用首道混凝土撑加逆做基坑的围护设计方案对超深基坑是合理可行的，能较好保证基坑稳定。但是本基坑以砂性土地层为主，在降水的条件下，地层具备较大强度，因此，设计方案是否能在软土地层中使用，还需要更多的监测和研究的应用。

[1] 张文慧，田 军，王保田，等.基坑围护结构上的土压力与土体位移关系分析[J].河海大学学报(自然科学版),2005(5)：35-37.

[2] 李 蓓，赵锡宏.一种考虑挡土墙变形的深基坑非线性土压力方法[J].岩土力学，2004(S2)：88-90.

[3] 刘兴旺，益德清，施祖元.基坑开挖地表沉陷理论分析[J].土木工程学报，2000，33(4):51-55.

[4] 刘利民，张建新.深基坑开挖监测时测斜管不同埋设位置量测结果的比较[J].勘察科学技术，1995(6):37-39.

Research on 34 m ultra deep subway foundation pit soil pressure of soft soil area

Shen Xiaoyun

(BeijingUrbanConstructionDesignandDevelopmentGroupLimitedCompanybyShare,Hangzhou310017,China)

Based on the earth pressure monitoring data of Hangzhou subway a ultra deep station, this paper analyzed the applicability of existing earth pressure calculation model in soft soil base ultra deep foundation pit design, through the analysis on earth pressure variation data, provided feasible suggestions for ultra deep foundation pit design.

soil pressure, ultra deep foundation pit, soft soil area, distribution

2015-01-04

沈霄云(1982- )，男，硕士，工程师

1009-6825(2015)08-0111-03

TU447

A