滨海复杂地层长大深基坑施工变形实测分析*

徐 娜 司晓东 侯 跃 刘 涛

XU Na①② SI Xiaodong③ HOU Yue①② LIU Tao①②



滨海复杂地层长大深基坑施工变形实测分析*

徐 娜①②司晓东③侯 跃①②刘 涛①②

为研究厦门滨海复杂地层环境下，长大深基坑在施工中的稳定性及对周边环境的扰动规律，文章以厦门地铁2号线海沧大道站基坑为背景，通过现场实测，从地下连续墙水平位移、地表沉降和地下水位变化3个方面进行了研究，得出了如下结论：(1)地下连续墙水平位移最大值为24.5mm，约为0.35%倍基坑深度H，略小于其他软土地区水平位移量； (2)地表沉降槽呈现“√”状分布，最大值出现在距基坑边0.5倍基坑深度位置附近，影响范围约为1.76倍基坑深度范围，监测区域地表沉降最大值为22.4mm； (3)滨海地区基坑施工过程中地下水位表现为上下波动的变化，是重点监测项目之一，总体呈现上升的趋势，累积变化量最大约为0.72m； (4)海堤水平位移和沉降变化不稳定，但始终变化幅度很小。文章研究成果对厦门滨海复杂地层环境下类似长大深工程施工具有一定参考价值和指导意义。

滨海复杂地层 长大深基坑 变形分析 现场监测

XU Na①②SI Xiaodong③HOU Yue①②LIU Tao①②

0 引 言

随着当今社会城市化进程加快，土地资源紧张问题日益严峻，除此之外经济社会的快速发展和人们对生活水平的提高，势必对建筑安全稳定提出更高要求。随着地下工程的逐年增多，深基坑施工越来越普遍，其施工规模也越来越大。这些基坑往往经常面临建筑物、地铁、市政管线、地下障碍物等复杂的施工环境。为安全施工考虑，基坑变形监测已经成为深基坑施工不可或缺的一部分。

随城市建设的发展，地铁工程的规模逐步增大，采用的施工技术也在逐步更新。需要注意的是，如果地铁工程在换乘、盾构始发等关键节点处于复杂地层中时，基坑常会面临较多施工风险(刘建航等， 1997)，该情况下更加需要对基坑工程的自身结构和周边环境的变化进行细致的分析。

基坑开挖除对基坑本身造成影响外，也关系着基坑周边建筑物和构筑物以及各种市政设施的安全。在地质状况较好的地区，基坑变形对周边建筑及其他构筑物和市政设施的影响较小，但在地质条件较差的地区这种影响会很大。因此对复杂地层的基坑变形的深入研究将是一个热点和重点。

对于基坑变形监测，一些学者早在1969年已经通过现场监测和计算给出了相应的沉降槽曲线和计算经验公式(Peck， 1969)，国外还有一些学者通过现场实测研究了世界范围内其他区域软土基坑开挖变形规律，并进行了对比分析(Hashash et al.，2008； Clough et al.，2010； Hsieh et al.，2011)。在国内，对基坑变形的研究也十分重视。有很多学者通过原位监测或者数值模拟对基坑变形规律进行了一定的总结。例如，有学者以某城市大型地铁车站基坑为研究背景，对基坑围护结构及其变形监测方案进行了设计，并对基坑围护结构变形的现场监测数据进行了分析，重点分析了基坑施工过程中围护结构的水平变形随基坑开挖深度和时间的变化规律(刘杰等， 2010)。有学者运用FLAC3D软件对成都地铁1号线麓山站明挖基坑进行了开挖与支护模拟，得出了基坑施工过程中的变形规律。并通过计算得出不同开挖阶段的地表沉降、坑底隆起、土体侧向位移和灌注桩水平变形，并对数据进行了分析(张连泽等， 2014)。还有不少学者通过监测和数值计算分析了国内软土地区深基坑工程的变形规律(刘燕等， 2006； 刘国彬等， 2007)。有学者研究大尺度深基坑及临近既有地铁车站的基坑变形性状(朱炎兵等， 2013； 廖少明等， 2015)，还有学者通过数值计算和现场实测研究了上海软土地区深基坑的变形特性(王建华等， 2005； 徐营营等， 2005； 徐中华等， 2006)。有人通过模拟试验研究软土基坑变形失稳形态(牛富俊等， 2001)

长大深基坑有别于普通基坑，具有开挖规模大、深度深、危险系数高的特点，对其变形的监测就显得更为重要。因此有许多学者对长大深基坑的变形进行了研究，有人通过数值模拟的手段重点探讨了长大深基坑开挖过程中围护桩的受力与变形情况及其空间分布规律(李卫明等， 2009)； 有人借助于基坑坑壁，土体三维破坏模式，基于土的塑性上限理论及相关联流动法则，对黏性土条件下长大深基坑施工空间效应的计算方法进行了推导(雷明锋等， 2010)。但是对于处于施工难度更大的复杂地层当中的长大深基坑，在施工过程中的受力和变形规律，因为种种原因目前较少有文章进行过现场实测分析报道。

文章所监测地点厦门地铁2号线海沧大道站，所处地层复杂，场区覆盖层主要为近代人工填筑土层、第四系全新统海积层、海陆交互相沉积层及残积层等。厚度及性能变化较大； 下伏基岩复杂，岩性多变，海沧侧及滩涂主要为燕山期侵入花岗岩。文章依托厦门地铁2号线海沧大道站长大深基坑，在施工过程中对基坑进行现场监测，通过记录监测点地表沉降、墙体水平位移、地下水位、海堤水平位移和海堤沉降，并对监测数据进行分析，研究在厦门复杂地层下长大深基坑在开挖过程中的受力变形规律，并得出一定结论，为今后类似复杂地层深基坑工程的设计和施工提供参考。

图1 海沧大道站位置示意图

表1 场地岩土体物理力学参数表

Table1 Physical and mechanical parameters of site rock and soil

岩土编号岩土名称质量密度ρ/g·cm-3天然含水量ω/%天然孔隙比e液限ωL/%塑限ωP/%α1-2/MPa-1Es/MPa-1渗透系数K/m·d-1①-2素填土1.8923.40.77939.526.30.3285.572.00④-1淤泥1.7052.51.46351.732.11.2022.120.01⑤-1-2粉质黏土1.9028.80.84841.226.30.2696.990.01⑤-1-3淤泥质黏土1.7447.51.32047.330.50.9502.490.01-1残积砂质黏性土1.7837.21.10044.130.00.3895.180.32-1全风化花岗岩1.9523.30.72536.925.10.2227.760.40-2散体状强风化花岗岩1.9224.70.75734.624.40.2427.370.56

1 工程背景

1.1 工程概况

厦门地铁2号线一期工程海沧大道站位于海沧大道与滨湖东路丁字路口，车站沿着海沧大道敷设(图1)。车站为地下二层岛式站台车站，为双柱三跨闭合框架结构，基坑长272.9m，标准段宽度为20.7m，深度约为17.0m，顶板覆土约3.6m。车站主体采用明挖顺筑法施工，基坑采用地下连续墙+内支撑体系。车站小里程端接盾构区间(盾构始发)，车站大里程端接跨海盾构区间(盾构始发)。

图2 海沧大道站地层剖面图

1.2 工程地质与水文地质条件

1.2.1 工程地质条件

海沧大道站局部顶板覆土约3.5m，底板主要位于粉质黏土层，部分位于淤泥层、淤泥质黏土层和残积砂质黏性土层。连续墙底部主要位于中等风化花岗岩层上。

场区覆盖层主要为近代人工填筑土层、第四系全新统海积层、海陆交互相沉积层及残积层等。厚度及性能变化较大； 下伏基岩复杂，岩性多变，海沧侧及滩涂主要为燕山期侵入花岗岩。工程地质剖面(图2)。场地岩土物理力学参数(表1)。

1.2.2 水文地质条件

(1)地表水及地下水的类型及赋存场区地表水为海水，原始地下水位2.0～4.2m。按赋存介质，地下水可分为3类：赋存于第四系填土层中的松散岩类孔隙水； 赋存于残积层及全、强风化带中的风化残积孔隙裂隙水； 赋存于碎裂状强风化带及以下的基岩裂隙水。

(2)地下水补给、径流、排泄及动态特征，场区松散岩类孔隙水、风化残积孔隙裂隙水及基岩裂隙水均直接或间接接受大气降水或海水补给，但补给程度有一定差异。风化残积孔隙裂隙水除接受大气降水或海水垂直入渗补给外，尚有基岩裂隙水的侧向补给或托顶上渗补给。

1.3 工程周边环境

车站周边区域现有用地状况主要为居住用地及绿地公园。已经形成有规模的小区，分别为中骏海岸一号、海景奥斯卡、金海华景。中骏海岸一号地上30层， 1层地下室，裙楼距离车站主体基坑35.8m、地下室距离车站主体基坑40m，海景奥斯卡地上32层， 1层地下室，裙楼距离车站主体基坑41.5m、地下室距离车站主体基坑19.6m。海堤距离车站附属结构基坑最近距离约5m。

1.4 施工进度简介

基坑的主要施工步序可归纳为6个阶段(表2)。

表2 基坑施工步序

Table2 Construction stage of foundation

阶段细化工况时间安排1围护结构施工2015/5/21～2015/6/152表层土体清除与第1道混凝土支撑浇筑2015/6/16～2015/6/253第2层土体开挖及第2道钢支撑架设2015/7/15～2015/8/24第3层土体开挖及第3道钢支撑架设2015/8/3～2015/8/155第4层土体开挖及第4道钢支撑架设2015/8/16～2015/8/286第5层土体开挖及底板浇筑2015/8/28～2015/9/5

2 工程难点分析

海沧大道站工程难点主要包括以下4点：

(1)该工程环境复杂，地层软弱复杂，基坑东侧靠海，受潮汐和台风影响较大，地下水位波动大，对基坑影响大，在施工中基坑防水要求高、难度大。

(2)基坑西侧三十多层高居民小区距离近，对沉降和倾斜要求高，安全风险大。

(3)基坑最深处达17m，周边复杂环境情况，造成基坑本身稳定性要求高，控制基坑围护结构变形是工程重点。

(4)厦门市环保要求高，建设中要文明施工，保护环境，做到“零破坏”，对基坑稳定性和周边环境的影响要求极高。

图3 监测点平面布置图

3 基坑监测方案

海沧大道站作为厦门地铁2号线最先开工建设的标志性车站工程，也是盾构区间的始发井。在施工中，对基坑本身及周边环境进行实时监测，依据监测数据，进行信息化施工。本文选取基坑中部靠近大里程端较早开挖至底板的区段进行科研监测分析，监测项目包括：地表沉降DB01～DB08，共40个地表点； 墙体水平位移CX01～CX08，共8个测斜孔； 地下水位SW01～SW04，共4个孔； 海堤水平位移HDS01～04，共4个海堤水平位移监测点； 海堤沉降HDC01～04，共4个海堤沉降监测点。基坑监测点平面布设及基坑横断面监测点布设分别如图3、图4 所示。

图4 基坑横断面监测点布置图

4 监测结果及分析

4.1 墙体水平位移

地连墙墙体水平位移是基坑开挖过程中最直接反应基坑变形趋势和变形量的监测项目，海沧大道站地处复杂地层环境下，更应关注在不同的开挖深度处地下连续墙水平位移变化规律。

从图5 地下连续墙水平位移曲线可以看出，在基坑从开挖到底板浇筑期间，墙体水平位移随工况进行有增大的趋势，但各工况下墙体水平变形量均较小，水平位移最大值为24.5mm，未超30mm报警值，基坑围护结构处于安全状态。

从图6 可以看出，地下连续墙水平位移最大值约为0.35%基坑开挖深度，小于国外学者Peck(1969)报道的1.0%和Clough et al.(2010)报道的0.6%，这可能与工程地质条件及地连墙打至基岩有一定关系。

4.2 地表沉降

地表沉降能够直观地反映出基坑在施工过程中对周边环境的影响范围和大小，通过在施工中监测地表沉降变化，来指导施工控制变形，是施工中的重要环节。文章通过对基坑周边8个监测断面进行现场监测，统计监测数据来分析基坑施工变形效应。

图5 地下连续墙水平位移曲线

图6 最大水平位移与开挖深度的关系

图7 DB02断面地表沉降时程曲线

图8 DB05断面地表沉降时程曲线

图9 基坑横断面上地表沉降槽

由地表沉降监测数据图7、图8 可以看出，基坑在施工过程中，地表沉降变形较小，最大沉降量为22.4mm，小于30mm的报警控制值，基坑周边环境处于安全状态。地表沉降时程曲线在基坑开挖前，受围护结构施工和场地工程车辆影响，基本呈现上下波动状态，基坑开挖过程中，地表呈现快速沉降的过程，开挖至基底时，地表沉降基本趋于稳定变形状态。

由图9地表沉降槽曲线可以看出，基坑在开挖过程中，地表沉降量最大的点基本全是距离基坑7m位置处的2号测点，最大沉降量约为22.4mm。距离最近的1号点(距基坑边约2m)因土体与基坑围护结构相互作用影响，沉降量相对2号点较小。自2号点向远离基坑边方向，地表沉降呈现逐渐减小的趋势。地表沉降槽呈现“√”状。

图10 地表沉降比与基坑边距离之间的关系

从图10可以看出，文章研究基坑地表沉降影响范围较小，约为1.76倍基坑深度范围，地表沉降最大值出现在距基坑边0.5倍基坑深度位置处。通过与国外学者研究对比，Clough et al.(2010)研究基坑施工影响范围为2倍基坑深度，地表沉降最大值出现在距基坑边0.7倍基坑深度位置处。Hashash et al.(2008)研究基坑施工影响范围为3倍基坑深度范围外，地表沉降最大值出现在距基坑边0.7倍基坑深度位置处。相比较而言，本文研究基坑影响范围较小。

图11 地下水位变化时程曲线

4.3 地下水位变化分析

因厦门属亚热带海洋季风气候，降雨频繁，降雨量大，降雨对基坑地下水位影响较大。海沧大道站基坑位于滨海环境下，海堤距离基坑附属结构最近处约为5m，潮汐变化和台风对基坑周边地下水位影响也较大。因此，需要对基坑地下水位进行重点关注。

由图11可以看出，基坑在开挖过程中，地下水位上下波动强烈，水位整体呈现上升趋势。综合考虑基坑在开挖前后施工、气候、潮汐等因素可知，水位波动强烈并呈现上升趋势主要是因在7～9月份，在此期间台风较频繁登陆福建厦门地区，造成频繁降雨，降雨造成基坑水位时常呈现快速上升趋势。从监测数据，水位累积变化最大值为2.18m，远远超过1m水位报警值，该条件下由于及时降水等措施，基坑工程施工并未出现风险事故。并且在非降水时间段，地下水位变化均较小，可以看出基坑在施工过程中防水作业效果良好，对地下水位影响较小。

4.4 海堤水平位移及海堤沉降

海堤是安全要求极高的工程，由于基坑一侧紧邻海堤，为保障海堤结构及岸上基坑和其他建筑物的安全，本文还对基坑施工中海堤结构的水平位移和沉降进行监测，具体变化情况如图12、图13 所示。

图12 海堤水平位移时程曲线

图13 海堤沉降时程曲线

海堤水平位移与海堤沉降的变化规律较为复杂，并未呈现与工况直接相关的变化，海堤的变形除了与基坑开挖相关以后，还与海域潮汐的影响联系紧密，这一点尤其在海堤沉降变化中体现明显，HDC01～04的监测数据的变形规律呈现高度一致性，因此可以推测各点沉隆的主要因素均为潮汐作用，但这方面的详细作用机理还有待于深入研究。

5 结论与讨论

文章研究厦门滨海复杂地层环境下地铁2号线海沧大道站基坑，结合现场施工概况，在总结地层环境的同时，通过现场实测数据，分析了施工引起的基坑变形规律，对以后类似地层环境下的此类基坑工程施工提供参考。

(1)地下连续墙水平位移最大值约为0.35%基坑开挖深度，地表沉降影响范围较小，约为1.76倍基坑深度范围，地表沉降最大值出现在距基坑边0.5倍基坑深度位置处，较其他软土地区，变形较小，基坑稳定性较好。

(2)滨海基坑施工中地下水位上下波动，总体呈现上升趋势，在做好基坑防水措施的同时应做好地下水位监测预警与控制措施。

(3)海堤水平位移与海堤沉降的变化规律较为复杂，海堤变形除了与基坑开挖相关以后，还与海域潮汐的影响联系紧密。

(4)本文着重介绍了滨海复杂地层环境下长大基坑的变形分析，较常规软土地层基坑，变形规律更明显，具有研究价值。 通过本文现场实测研究了该地层环境下基坑的稳定性和对周边环境的扰动影响规律，可对今后滨海地区长大基坑施工起到借鉴和参考价值，笔者下一步将通过理论和数值计算，进行细化研究和分析。

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新书介绍

长江三峡库区地质灾害成因与评价研究

刘传正 刘艳辉 温铭生 李铁锋 连建发 秦胜伍 著

内 容 提 要

本书比较系统地反映了长江三峡库区地质灾害成因与评价研究3个空间尺度进展。一是大尺度范围，即整个三峡库区涉及的19个县(区)行政管辖范围内的地质灾害调查评价，重点是区域地质灾害评价预警的“发育度”、潜势度、“危险度”和“危害度”递进分析方法与应用。二是中尺度范围，即长江三峡江段复杂斜坡(滑坡)的成因研究，提出了古川江与古峡江在瞿塘峡段东西贯通形成统一的长江所伴随的潮源侵蚀、“水锯”下切和地下暗河或岩溶洞穴垮塌等3种异常地质作用，是长江三峡江段复杂斜坡(滑坡)形成的主因。这种复杂斜坡是一种“基岩”、古垮塌体、古崩滑体、现代崩滑体和第四纪沉积体等几种或全部的"复合堆积体"。三是小尺度范围，即三峡库区巴东县新城区所在的扇形大斜坡的地质特征、成因和开发利用问题。论证提出了巴东斜坡是一个“复杂斜坡系统”，是在单斜山背景下持续经受长江快速侵蚀下切导致侧向卸荷与滑移作用的产物，即“重力成因论”，并以巴东斜坡区为例初步建立了区域工程地质环境质量评价-地质环境功能区划-工程容量评价-地质灾害防治风险管理的四阶段关联的研究体系。

本书可供从事工程地质、环境地质、灾害地质等方面科研人员、工程技术人员和政府官员阅读，也可供高等院校师生参考。

JournalofEngineeringGeology工程地质学报 1004-9665/2016/24(5)- 0815- 08

SITE MONITORING ANALYSIS ON CONSTRUCTION DEFORMATION OF LONG LARGE DEEP FOUNDATION PIT IN COASTAL COMPLEX STRATUM

Amoy is a city with complex ground-environment. With the development of science and technology， urban rail transit project gradually becomes a sign of the level of development. In recent years， the construction of urban rail transport projects in the country has emerged in large and medium cities. Metro Line 2 in Amoy was built on January 31st， 2016. As we all know， excavation not only influences the foundation pit itself， but also is related to the surrounding buildings and structures， as well as the safety of various municipal facilities. The purpose of this paper is to study the stability of long and deep foundation pits in operation and the rule when soil is destabilized by excavating foundation pits. Especially this engineering project is in the complex ground-environment of Amoy coast. By measuring the monitoring data of the foundation pit in Haicang road station of Amoy Metro Line 2，this article conducts the research from three aspects： horizontal displacement of the underground continuous wall， surface subsidence and groundwater level changes. The article concludes that：(1)The maximum horizontal displacement of the underground continuous wall is 24.5mm， about 0.35% of the depth of foundation pit(H)，slightly lesser than the other soft soil area. (2)Surface subsidence trough shows “√” shape distribution. The maximum appears at a distances of 0.5 times of the foundation pit depth(H) from the pit side， the range of influence is about 1.76 times of the depth of foundation pit. The maximum surface subsidence of monitoring sections is 22.4mm. (3)During the construction of excavation， the groundwater level of coastal areas shows fluctuations as a change in performance， showing a rising trend in whole. The maximum cumulative variation is about 0.72cm. (4)Change of seawall horizontal displacement and sedimentation change is unstable， but always small. For the long and deep foundation pit under the environment of coastal complex formation， the research results have reference value and guiding significance．

Coastal complex stratum， Long and deep foundation pit， Deformation analysis， Site monitoring

10.13544/j.cnki.jeg.2016.05.010

2016-05-10;

2016-07-31.

中央高校基本科研业务费(201564017)，国家自然科学基金(41672272，41427803)资助.

徐娜(1995-)，女，本科生. Email：15964255990@163.com

简介： 刘涛(1979-)，男，博士，副教授，硕士生导师，主要从事工程地质和海洋工程地质领域的研究. Email：ltmilan@ouc.edu.cn

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