膨胀土深基坑工程对临近地铁变形影响研究

魏金胜, 郑立宁

(1. 重庆两江新区蔡家组团管委会，重庆 401147; 2. 中国建筑西南勘察设计研究院有限公司, 四川成都 610052； 3. 中建地下空间有限公司, 四川成都 610073)

城市建筑用地紧张化与地铁建设的趋势化是制约我国城市规模急需扩大的一大矛盾。城市基坑开挖深度可达20～30 m，基坑场地紧凑，甚至紧贴用地红线，经常会在已建地铁周围进行深基坑开挖工程[1]。而膨胀土作为广泛分布且工程危害严重的特殊土，临地铁侧膨胀岩土深基坑工程则更为常见。如武汉地铁二号线光谷广场站深基坑工程，基坑邻近地铁仅6 m[2]；又如本文所述基坑，开挖深度约23 m，距离地铁最近2 m。邻近地铁的基坑工程施工必然会对已有地铁工程造成一定的影响，需在工程建设期重点关注此类问题[3]。

目前，学者对一般性深基坑开挖时对既有地铁设施的影响开展了较多的研究，采用的方法为现场试验、室内试验和数值计算等手段，分别分析了上海软土地区不同施工因素对在运营车站变形的影响[4]、苏州软土地区深基坑施工影响下地铁车站的变形与受力情况[5]、广州地区软土基坑开挖对地铁隧道的影响[6]；但是，针对膨胀土地区的基坑边坡的研究，目前关注点仍只为工程地质特性及其评价[7]、失稳机理[8]、考虑膨胀压力分布的基坑设计计算方法[9]等。针对临地铁侧膨胀土深基坑边坡变形控制方面，GB 50112-2013《膨胀土地区建筑技术规程》[10]、DB 45T396-2007《广西膨胀土地区勘察设计施工技术规程》[11]、DBJ 53T83-2017《云南膨胀土地区建筑技术规程》[12]中均未见到明确体现或相关要求，亦未明确临地铁侧膨胀土深基坑边坡变形规律。

本文针对临地铁侧膨胀土深基坑边坡工程，以“绿地中心·蜀峰468超高层项目”深基坑工程为例，在施工期间对基坑及周边地铁设施进行动态监测。考虑膨胀土深基坑分层开挖对支护结构及其邻近地铁设施的变形影响进行分析，同时开展数值模型计算分析膨胀土深基坑工程对临近地铁变形影响范围，研究旨为类似工程的设计和施工提供参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

工程位于成都市驿都大道地铁2号线洪河站A1和A2出口南侧。基坑边界近乎与地铁线路走向平行，与A1出口相距仅2.0 m，与A2出口相距15.5 m，与通风口相距10.52 m，与地铁隧道相距约34 m(图1)，该侧基坑长约120 m，开挖深度为23.0～26.0 m。

D：桩身位移监测点；DB：地表沉降监测点；S：地铁隧道监测点图1 基坑与地铁位置关系

基坑支护方案采用排桩+三层内支撑的复杂支护体系。第一层(开挖深度0 m)内支撑采用两种截面设计，分别为900 mm×700 mm与700 mm×700 mm，第二层(开挖深度8 m)与第三层(开挖深度16 m)内支撑采用两种截面设计，分别为1 400 mm×800 mm与800 mm×800 mm，整个内支撑结构互相连接成为一个整体；基坑周围分布钻孔灌注支护桩共200根，桩长为30～34 m，桩径1.2 m，桩间距1.5 m(图2)。膨胀土深基坑工程对临近地铁变形影响研究2

图2 基坑支护示意(单位：mm)

1.2 场地工程地质条件

场地岩土体自上而下为第四系全新统人工填土(Q4ml)、第四系中、下更新统冰水沉积层(Q2-1fgl)和白垩系上统灌口组(K2g)泥岩构成。场地岩性物理力学参数见表1。需要说明的是，成都地区降雨集中6～10月，膨胀土的湿度系数取0.89，大气影响深度为3 m，大气影响急剧深度为1.35 m。

表1 岩土体物理力学参数

2 监测方案设计

地铁A1出入口位置距离基坑仅2.0 m，故在此侧布设监测断面A-A，针对基坑开挖时支护结构的变形规律、基坑开挖时地铁及其附属结构的变形规律开展相关监测工作，主要为：(1)地铁及其附属设施的变形控制监测，包括：地表沉降监测，地铁隧道变形监测；(2)基坑支护结构监测，为桩身位移监测。监测点位布设位置见图1，监测频率见表2。

3 监测结果分析

试验桩施工完成后，在监测年4月开始基坑施工第一层内支撑，到监测年12月底第三层内支撑基本施工完毕。监测结束时间为次年的11月份，A-A断面共计监测77次。

3.1 桩身水平位移

剖面A-A监测桩桩身变形曲线如图3所示，监测桩桩身位移随时间变化曲线如图4所示。

图3 桩身水平位移-深度曲线

图4 桩身位移-开挖时间曲线

由图3、图4可见，开挖对桩身的变形影响较为显著，第一次开挖8 m时最大变形达到5.86 mm，之后桩身变形由于降雨以及施工影响，处于总体缓慢增加的过程。当第二层土开挖时，桩顶总位移为11.03 mm，开挖120 d后达到16.24 mm，之后变形趋于稳定。当第三层土开挖结束后桩顶位移达到24.72 mm，最大位移出现在15 m处，达到25.44 mm。显而易见的是，第三层开挖的过程中，桩身24 m处由于土体开挖，出现明显的变形增大趋势。

值得注意的是，第三层开挖后，第二层内支撑所在位置(桩身15 m)处变形也显著增大，到开挖结束后的变形调整阶段，其变形逐渐与桩顶位移接近。分析认为：由于有第一层与第二层内支撑的存在。对于桩身位移具有一定约束作用，使该处桩身位移不再具有至桩顶位移越来越大的规律，而是第二层内支撑以下呈现该规律，而第二层内支撑与第一层内支撑之间位移则逐渐接近。

3.2 基坑周围地表位移

现场监测的地表位移数据如表3所示。

从表3可见，第一层开挖后大部分地表位移并不大，隆起位移占多数，地铁A1出口位置，最大沉降位移为2.4 mm。除个别位置外，大部分位置位移并不明显。第二层开挖后，大部分位移在第一层开挖的基础上有一定增大，地铁A1出口位置，最大沉降位移为7.1 mm，位于基坑右下侧转角外。第三层开挖后，地铁A1出口位置，最大沉降位移为8.3 mm。

值得注意的是，在第二层与第三层开挖后，均有部分位移在隆起与沉降之间变化，也有位移随着基坑开挖深度加深而减小，说明基坑实际地表位移并不是随着开挖深度的加大而加大，实际地表位移的影响因素较多，受环境影响较大，如施工、荷载等，所以变化也较为复杂。但从总体变化规律可以看出，随着基坑开挖深度的加深，地表位移逐渐转变为以沉降位移为主，且大部分随着开挖越深，沉降位移越大。

表3 基坑周围地表沉降值(每次开挖沉降量) mm

3.3 地铁隧道位移

现场测试轨道位移见图5。可见地铁轨道的沉降变形随着基坑开挖深度的加大而增大，为0.28～1.42 mm。基坑第三层开挖完后，地铁轨道最大沉降位移为 1.42 mm，小于地铁结构变形的控制标准 20 mm，可见基坑开挖变形对地铁结构的影响较小，基坑开挖并未引起地铁轨道结构发生较大位移，基坑支护结构对地铁轨道的变形控制作用明显。

图5 地铁隧道位移-开挖阶段曲线

4 基坑开挖对周边环境影响范围探讨

通过数值计算的方法开展分析膨胀土深基坑分层开挖对周边环境的影响范围。

4.1 数值模型的建立

4.1.1 建立模型

根据工程条件，所建模型长×宽×高分别为225 m×187.4 m×50 m，其中基坑规模为105.8 m×123 m。模型自上而下有三层地层，其中0～12 m为黏土层，12～34 m为强风化泥岩层，34～50 m为中风化泥岩层。模型支护结构依据设计方案进行模型。模型边界向外扩展50 m，满足一般数值模型中模型边界距离计算基坑边坡边缘3倍以上桩径的要求。模型大部分结构采用实体单元，钻孔灌注支护桩采用实体单元建立，所见基坑模型的平面图参见图1，地铁隧道模型参见图6。

图6 地铁隧道计算模型

模型中不同地层的物理力学指标按照表1选取。

4.1.2 边界条件

模型施加的边界条件为：(1)约束模型底部边界上所有节点Z方向的变形；(2)约束模型Y方向两侧边界面上的所有节点Y方向的变形；(3)约束模型X方向两侧边界面上的所有节点X方向的变形。

4.1.3 计算过程

(1)采用天然状态岩土体参数生成天然应力；(2)采用强度折减岩土体参数，建立排桩、第一道内支撑后开挖至第二道支撑底部 8.0 m 计算工况；建立第二道内支撑后开挖至第三道支撑底部 15.5 m 计算工况；建立第三道内支撑后开挖至基坑底部 23.5 m 计算工况。

4.2 数值计算结果可靠性分析

对数值计算结果和现场实测结果的差异性进行分析(表4)，两者对考察点所得的最终数据较为接近，只是地表沉降监测数据有较大的差异。现场监测由于实体施工的影响会使周围地表微微隆起，影响总体沉降，但是总体上以沉降为主，对比两者可以见差异亦不显著，差异多小于20 %，可以认为数值模拟计算结果效果较好，数值模拟计算结果可以用于后续对于开挖影响范围的探讨。

4.3 开挖影响范围初探

提取基坑分层开挖过程中基坑周围地表水平X向、水平Y向发生位移10 mm时的等直线图，以明确膨胀土深基坑分层开挖对周边环境的影响情况。

4.3.1 水平X向位移

每次开挖后，位移均集中在与X轴近乎垂直的临空面附近(图7)，呈现临近开挖面较大，往远处较小的特征，较大位移位于临空面中部及中下部，呈发散放射状。

第一层开挖后地表位移很小，位移集中区在15 m以内；第二层开挖大部分区域位移集中在10 m以内，较大位移仍集中在靠近地铁侧；第三层开挖后部分区域位移集中在5～10 m范围内，局部位移较大的趋势仍然比较明显，仍集中在靠近地铁侧。

表4 数值计算结果和现场实测结果的差异对比 mm

图7 开挖过程中地表水平X向位移云图(10mm处)

三次开挖过程中地铁始终处于影响范围内，但是由于地铁本身的支护结构，对开挖的影响有一定抵御能力，发生变形并不明显，使其保持在合理的范围之内。

4.3.2 水平Y向位移

由于开挖产生临空面，受开挖面后土体的影响，Y方向主要位移出现在与Y轴垂直的临空面上，呈现抛物线状，中间大，向周围扩散越来越小，符合开挖变形规律(图8)。第二层开挖完成后变形10 mm区域集中邻近地铁5 m以内，且位于基坑下方，第三层开挖后变形区域集在基坑上方亦有出现。但是，由于基坑支护结构的控制，地铁位置没有明显变形与位移。

图8 开挖过程中地表水平Y向位移云图(10mm处)

5 结论

本文对紧邻地铁侧膨胀土深基坑分层开挖过程对已建地铁设施的影响开展了现场试验和数值模拟研究，研究结果显示：

(1)深基坑开挖采用的支护形式为排桩+三层内支撑的复杂支护体系。支护桩桩身位移最大值随开挖深度的增加而变大，三层开挖后最大值在20 mm左右，小于预警值，支护效果良好。

(2)距离基坑最近处(约2 m)的出入口A，其地表沉降最大值仅为8.3 mm，并未超过预警值；深基坑开挖对邻近地铁附属设施的影响相对较小。

(3)地铁轨道的沉降变形随着基坑开挖深度的加大而增大，在 0.28～1.42 mm 之间，远小于地铁结构变形的控制标准(20 mm)。基坑支护结构对地铁轨道的变形控制作用十分明显。

(4)膨胀土深基坑分层开挖对与其平行一侧的地铁及其附属设施(本例为水平X方向)影响较为明显。三次开挖过程中地铁始终处于影响范围内，呈现临近开挖面较大，往远处较小的特征，较大位移位于临空面中部及中下部，呈发散放射状。但是由于地铁本身的支护结构，对开挖的影响有一定抵御能力，发生变形并不明显，使其保持在合理的范围之内。