宁波轨道交通车站基坑变形特征统计分析

宋顺龙

(中交铁道设计研究总院有限公司， 北京 100097)

宁波轨道交通车站基坑变形特征统计分析

宋顺龙

(中交铁道设计研究总院有限公司， 北京 100097)

重点对宁波轨道交通1号线一期工程13座地下2层车站基坑的墙体最大水平位移及墙后最大地表沉降进行研究，分析基坑墙体水平位移、墙后地表沉降的变化规律以及墙后地表沉降与墙体水平位移的关系。结果表明：受宁波软土流变特性影响，基坑墙体水平位移及墙后地表沉降均较大，其中墙体水平位移平均达0.46%H，墙后地表最大沉降平均值达0.7%H；墙后地表沉降呈现为“凹槽形”，地表最大沉降位于(0.5～1.0)H范围内；墙后最大地表沉降与墙体最大水平位移比值的平均值为1.71。根据数据分析，提出坑底加固、基坑开挖重视“时空效应”、尽快施作垫层封闭基坑等建议。

轨道交通； 基坑； 墙体水平位移； 墙后地表沉降； 时空效应； 统计分析

1 研究背景

在基坑工程中，围护结构水平位移、地表沉降等是基坑安全控制中的重要参数，针对基坑变形控制，国内已开展了大量的研究。李淑等[1]对北京地铁车站实测数据进行统计分析，表明基坑开挖引 起 的 地 表 沉降最终表现为“凹槽形”，且最大沉降发生在拆除坑底以上1～2道支撑时，距基坑侧壁10～15 m。张运良等[2]利用数值手段对各基坑支护方式下基坑开挖的变形情况进行比较分析，总结了各支护方式下的基坑变形规律。徐中华等[3]将基坑环境保护等级分为三级，根据上海地区大量基坑工程的统计资料，确定了各环境保护等级基坑的变形设计控制指标。徐凌等[4]对北京地铁明挖车站实例进行研究，分析了北京地区基坑变形规律。成琨等[5]以宁波市轨道交通1号线一期工程东环南路站基坑工程为例，根据现场的监测数据分析，找出该基坑的变形规律。张若霖[6]通过对上海软土超深基坑监测数据的统计分析，探讨了超深基坑地下连续墙后地表沉降特性。吴锋波等[7]通过全国各地城市轨道交通基坑工程实测案例分析，研究了基坑围护桩( 墙) 及周边地表的变形特点和监控要求。金淮等[8]通过对国内14个轨道交通建设城市第三方监测资料的统计分析，研究了工程变形的规律及特点。

宁波地区浅部地层以厚层状高压缩性的软土为主，软土地区基坑除具备时空效应、长边效应、变形集中等共性外，还具备变形大，影响远，触变性强等特有性质[9-10]。笔者对宁波轨道交通1号线一期工程18个基坑变形实测数据进行了统计，为便于找出宁波地铁基坑自有变形特性，主要对13座地下2层站深度为16 m左右的基坑进行了分析，并重点针对墙体最大水平位移、墙后地表沉降绝对值进行研究，并得出了其一般变形规律，为宁波轨道交通后续的建设提供实践案例和技术经验，对于类似工程具也有一定的借鉴意义。

2 基本概况

宁波轨道交通1号线一期工程始建于2009年6月，于2014年5月正式开通运营，它的运营标志着宁波城市交通进入轨道交通时代。1号线一期工程正线线路全长21.101 km，其中高架段长5.823 km，U型槽过渡段0.227 km，地下线15.051 km。共设20座车站，其中高架车站5座，地下车站15座，平均站间距为1.14 km。

1号线一期工程范围内车站基坑底主要位于25～40 m厚的海相淤泥质软土和粉质黏土、淤泥质粉质黏土地层，且局部区段为填河区，存在厚填土层与下卧淤泥层，属典型软土地区，具有“三高一低”(含水量高、孔隙比高、灵敏度高、强度低)的特点，地下水位埋深一般在0.6～1.9 m，场地地下水类型主要为第四系空隙潜水，受大气降水补给。13座地下2层车站基坑主体围护结构均采用0.8 m厚地下连续墙，插入比在1∶0.8～1∶1.2，除望春桥站基坑较浅采用4道内支撑外，其余车站均采用5道内支撑，其中首道撑均采用混凝土支撑，其余为Φ609 mm(t=16 mm)钢支撑。为控制变形，基坑底均采用了3 m厚的搅拌桩抽条加固，基坑内均设置了疏干井对坑内土层进行降水。基坑变形控制保护等级标准为二级的车站，墙后最大地表沉降量应≤0.2%H(H为基坑开挖深度)，墙体最大水平位移为0.3%H；基坑变形控制保护等级标准为一级的车站，墙后地表最大沉降量应≤0.1%H，墙体最大水平位移为0.14%H。典型车站围护结构横剖图见图1，土层力学参数见表1。

图1 地下2层站标准段围护结构横剖面Fig.1 Cross section of the standard section of the two-storey underground station

层号含水率ω/%孔隙比e容重/(g/cm3)强度指标C/kPaΦ(°)压缩模量/MPa地基土基本承载力σ0/kPa①1.82①248.31.441.771312.51.8865①3421.331.788.514.52.450②2-255.61.531.661110.41.9750③228.50.951.861919.23.6480④1321.151.78179.82.665⑤1260.861.923916.55.83180⑤2290.821.943616.05.79170

3 基坑变形特性分析

3.1 墙体水平位移

3.1.1 墙体水平位移理论计算和实测对比

影响墙体水平位移的因素除所处地层、围护结构厚度、插入比、支撑道数、坑底加固等围护结构自身设计因素外，尚有超载、坑内降水效果、支撑预加轴力、超挖等施工因素。对1号线一期工程13座地下2层站的墙体最大水平位移理论计算值及实测变形值进行了统计(见表2)，其中Hmax、S算、S测分别为墙体最大水平位移深度、墙体最大水平位移理论计算值及实测值。

表2 墙体最大水平位移理论值与计算值对比

3.1.2 墙体最大水平位移统计分析

笔者对18个基坑的192个测斜孔的最大水平变形进行了统计(见图2)。可以看出，对地下2层车站开挖深度基本相同的基坑，墙体的最大水平位移相差较大，最大值为东环南路站的0.93%H，最小值为0.18%H，最大水平位移平均值为0.46%H。

图2 最大水平位移与开挖深度关系Fig.2 Relationship between maximum horizontal displacement and excavation depth

东环南路站变形大的原因主要为：该车站区域范围内⑤1⑤2层粉质黏土缺失，淤泥质黏土较厚；支撑架设不及时；预加轴力未按设计要求及时施加、补加等。

3.1.3 墙体水平位移分析

1) 宁波地铁车站基坑实测水平位移普遍比理论计算位移偏大，约为考虑基坑加固后理论计算变形值的1.3～5.9倍，大部分车站基坑变形亦超过基坑监测控制保护等级的变形要求(变形控制保护等级标准为二级的地下2层站，墙体最大水平位移允许值为50 mm左右)。

2) 宁波地下2层车站基坑设计参数基本一致，但基坑变形离散性较大，且以樱花公园站为界，樱花公园站(含樱花公园站)以西车站墙体最大水平位移为27.1～71.5 mm、以东车站墙体最大水平位移达67.4～142.6 mm，樱花公园站以东车站基坑淤泥质软土土层普遍较厚，故基坑墙体水平位移明显较大，说明软土土质是影响基坑变形的主要因素，宁波地区①3、②2-1、②2-1等淤泥质黏土层具有强度低、变形大、灵敏度高、侧压力系数大和流变的特点，该3层软土厚度对基坑变形影响较大。

3) 大部分墙体水平位移发生在坑底至坑底以下4 m范围内，故对基坑底部被动区采取适当的加固措施对控制基坑变形有明显的意义。

4) 宁波基坑变形较大的施工影响因素主要有支撑架设不及时、预加轴力未按图纸要求及时施加及补加、挖土不顺畅、土方外运受阻造成基坑未能形成有效支护等，导致围护结构变形过大。

5) 宁波软土地区的“时空效应”明显，为减少墙体水平位移，基坑各阶段挖土施工必须遵循“开槽设撑、先撑后挖、分层开挖、严禁超挖”的原则，无支撑暴露时间应控制在8～16 h之间。挖土以机械为主，人工为辅，人工修土和垫层铺设必须在12 h内完成。

6) 垫层的施作能有效控制软土地区坑底围护结构的变形，垫层应采取早强快硬型混凝土快速浇筑完成。

3.2 墙后地表沉降

3.2.1 墙后地表最大沉降

为全面分析墙后土体最大沉降与开挖深度的关系，收集了18个基坑326个沉降观测点的最大沉降，开挖深度对墙后地表沉降的影响如图3所示，开挖深度H为横坐标，墙后地表最大沉降δvm为纵坐标，数据不包括中间工况。由图3可知，对地下2层车站16 m左右开挖深度基本相同的基坑，墙后地表最大沉降差别较大， 对数据进行统计分析，其最大值δvm=1.6%H，最小值δvm=0.12%H，平均值δvm=0.72%H。大部分车站基坑墙后地表最大沉降亦超过基坑监测控制保护等级的变形要求(一级基坑≤0.1%H，二级基坑≤0.2%H)。

图3 墙后最大地表沉降与开挖深度关系Fig.3 Relationship of maximum settlement and excavation depth

另外，以δvm/H为横坐标，概率为纵坐标，画出概率直方图4。由图可知，最大变形主要包含在δvm/H≤0.7%内，经统计，δvm/H≤0.7%的概率约为90%。

图4 墙后最大地表沉降与开挖深度概率直方图Fig.4 Probability histogram of maximum settlement and excavation depth

3.2.2 地表沉降分布特征

基坑墙后地表沉降具有明显的空间效应。图5横坐标为地表测点距离围护结构的水平距离d与基坑开挖深度H的比值，纵坐标为地表沉降值与基坑开挖深度H的比值。由图可知，围护结构外侧地表沉降影响范围约为4.0H。

图5 墙后地表沉降影响距离分布Fig.5 Distribution of surface subsidence influence distance on the outer side of retaining structure

为进一步分析地表沉降的分布模式，以某一测点的地表沉降值δ与同一组测点中的最大地表沉降值δm的比值作为纵坐标，地表测点距离围护结构的水平距离d与基坑开挖深度H的比值为横坐标重新作图(见图6)。由图可知，墙后地表沉降被包络在一个多边形的区域，地表最大沉降位于(0.5～1.0)H范围内，(1.0～2.0)H区域为地表沉降影响衰减区。

图6 墙后最大地表沉降分布Fig.6 Distribution of maximum surface subsidence on the outer side of retaining structure

3.2.3 地表沉降变形分析

以出入段线基坑为例，该沉降监测点选取的是该基坑中沉降变化最大的截面，该截面位于测斜CX2处， 开挖深度18 m。其他截面沉降规律与本截面相似， 故以本截面为代表进行分析。从图7中可以看到， 基坑两端的沉降都呈凹槽分布，中间位置最大，此后随距离的增大沉降量递减。最大沉降为-164 mm(0.91%H)，墙体最大地表沉降约为墙体最大水平位移的1.45倍。

图7 最大累计沉降变化曲线Fig.7 Maximum cumulative settlement curve

3.3 墙后地表沉降与墙体水平变形关系分析

影响墙后地表沉降与墙体水平位移的因数基本相同，如围护结构与支撑的刚度、坑底抗隆起稳定系数FS、基坑开挖深度等，因此二者有密切的关系。关于二者的关系已有学者做过了大量的研究，得出了很多成果。如Ou C Y等[11]统计了台北软土地区的基坑工程的最大地表沉降与墙体最大水平位移之间的关系为:δvm=(0.5 ～0.7)δhm；杨国伟、刘建航等[11]人通过模拟计算及实测，得出上海软土地区基坑工程的墙后最大地表沉降一般发生在距坑边(0.6～0.7)H处，其值约为墙体最大水平位移的0.6～0.7倍。

图8所示为宁波轨道交通1号线18个基坑工程的墙后地表最大沉降与墙体最大水平位移统计分布图，由图可知，宁波地铁基坑δvm介于0.3δhm和4.18δhm之间，平均值为1.71δhm，即墙后地表最大沉降是墙体最大水平位移的1.71倍。该数据与台北、上海等软土地区的统计数据有较大差别，这是由于相较于其他软土地区，宁波地区软土除具有软土普遍的天然含水量高、压缩性大、强度低等特点外，其软土高流变性、高 灵 敏度、抗剪强度指标低且变化范围大的这些特性，使得土体的竖向变形大于横向变形，从而导致地表沉降大于围护结构的水平位移。

图8 地表最大沉降与墙体最大水平位移关系Fig.8 The relationship between the maximum surface subsidence and the maximum horizontal displacement of the wall

4 结论与建议

通过对宁波轨道交通1号线18个基坑进行统计分析，并重点对13座地下2层站深度为16 m左右的基坑墙体最大水平位移及墙后地表沉降进行研究，得出如下结论与建议：

1) 受宁波厚淤泥质土影响，基坑墙体水平位移及墙后地表沉降均较大，其中墙体水平最大位移平均值达0.46%H，墙后地表最大沉降平均值达0.7%H。

2) 墙后地表沉降呈现为“凹槽形”，地表最大沉降位于(0.5～1.0)H范围内，(1.0～2.0)H区域为地表沉降影响衰减区。

3) 不同于其他软土地区墙后最大地表沉降一般小于墙体最大水平位移的特点，宁波地区因其特有的软土流变特性使得土体的墙后最大地表沉降大于其墙体最大水平位移，δvm平均是δhm的1.71倍。

4) 为控制变形，建议对淤泥质土层较厚的基坑底部被动区进行加固。

5) 宁波基坑开挖的“时空效应”明显，应做到快速施工、开槽设撑、先撑后挖。

6) 基坑开挖至坑底后应尽快完成“收底”，迅速施作垫层，同时在结构设计时尽量减少底板“下翻梁”的使用，从而使早强快硬型混凝土垫层快速封闭基坑。

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(编辑：郝京红)

Statistical Analysis on Deformation Characteristics of Foundation Pit in Ningbo Rail Transit Station

SONG Shunlong

(CCCC Railway Consultants Group Co., Ltd., Beijing 100097)

This paper focuses on the study of the maximum horizontal displacement and the maximum surface settlement of the foundation pit for 13 underground stations with two layers in Line 1 of Ningbo rail transit. The horizontal displacement of foundation pit wall and the variation of the ground surface settlement behind the wall and the relationship between them are analyzed. The results show that the influence of rheological characteristics of Ningbo soft soil, foundation pit wall displacement and ground settlement level are larger; the horizontal displacement of the diaphragm wall reached an average of 0.46% H, while the maximum vertical surface average value was 0.7%H; the surface settlement behind the wall shows a “groove” form, and the maximum surface settlement is located in the range of 0.5-1.0H; the average ratio of the maximum surface settlement behind the wall and the maximum horizontal displacement of the wall is 1.71. According to the data analysis, suggestions are put forward on the reinforcement of foundation pit excavation, emphasis on “space-time effect”, and implementation of closed pit cushion as soon as possible.Keywords: rail transit; foundation pit; horizontal displacement of wall; surface settlement; space-time effect; statistical analysis

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.04.014

2017-01-24

2017-03-30

宋顺龙，男，副总工程师，高级工程师，主要研究轨道交通结构工程设计及理论，544878238@qq.com

U231.4

A

1672-6073(2017)04-0071-05