不同支护形式在地铁车站基坑中分段应用的变形特征分析

王力玮 申洋 穆保岗

(1.中铁上海工程局集团华海工程有限公司 201101；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉430063；3.东南大学土木工程学院 南京211189)

引言

现有地铁车站基坑通常为狭长型，大多情况下为顺作开挖后施工地下主体结构。在有些情况下，当地质条件差异较大、地面交通状况限制条件严苛时，会分段采用地连墙、钻孔灌注桩及其它多种支护形式。对于基坑开挖造成地表沉降，Peck[1]曾结合多个基坑工程的实测数据，为基坑开挖问题做出开创性研究。Wang等[2]研究了上海地区采用不同围护结构基坑的变形性状。张德富等[3]通过实测数据研究了苏州地铁1 号线车站基坑的变形性状，给出了三种典型围护结构-地连墙、咬合桩和SMW 围护桩的侧移、墙后地表沉降变化范围及平均值。廖少明等[4]收集了苏州地区11 个采用钻孔灌注桩围护、顺作法施工的方形基坑及23 个采用地连墙围护的长条形地铁车站基坑的实测数据，对比分析了苏州地区采用不同挡土结构、不同形状的大尺度深基坑的变形性状。但现有研究中关于狭长型基坑分段应用多种支护结构的变形的总结分析尚不多见。

本文依托实际工程项目，选取了集800mm厚地连墙明挖段、800mm 厚地连墙逆作段、φ1000mm@1200 灌注桩明挖段三段于一体的黏性土中狭长型基坑。对依托工程的实际开挖情况及监测方案进行介绍，选取典型位置，分析了该基坑中不同区段支护结构的变形差异。

1 工程概况

依托工程为江苏无锡惠山古镇站地铁车站基坑，属于无锡地铁4 号线一期工程。基坑纵向长度约470m，平均宽度约20m，属于典型的狭长型基坑。基坑标准段深度约16m，盾构井段深度18.2m。

该地铁车站场地上覆软弱土层，下伏中风化石英砂岩。由于基坑纵向长度大，各层土埋深在纵向上差异明显，尤其在基坑南端头位置下伏岩层浅埋，纵向地质剖面见图1。在纵向基坑分为明显的两段，其中一段岩层埋藏深度较深，围护结构采用800mm 厚地连墙；另一段岩层埋藏深度较浅，采用钻孔桩+ 旋喷桩止水帷幕的围护结构。

表1 土体物理力学指标Tab.1 Physical and mechanical index of soil

此外，在古华山路和龙光路交叉路口位置，为快速恢复交通，采用了逆作法，即先施工主体结构顶板，顶板浇筑完成后回填并快速恢复道路。地层分层情况见表1。

如图2所示，狭长型基坑纵向上分为 3 段：800mm 厚地连墙明挖段、800mm厚地连墙逆作段、φ1000mm @1200 灌注桩明挖段。三段设计剖面分别如图3、图4所示。

逆作基坑先施做地连墙，后浇筑逆作顶板并作为水平支撑，继而开挖至预定深度，开挖完成后迭合施做主体结构侧墙。

图1 纵向地质剖面示意Fig.1 Schematic diagram of longitudinal geological section

图2 基坑平面(单位：m)Fig.2 Foundation pit plane(unit：m)

图3 地连墙(灌注桩)明挖段支护结构剖面Fig.3 Section of diaphragm wall (cast-in-place pile)open excavation section

图4 逆作段支护结构剖面Fig.4 Section of support structure in reverse working section

2 监测数据分析

2.1 监测方案

为掌握施工中基坑自身变形及对周边环境的影响，对依托工程进行了诸多因素监控：地连墙顶水平位移、地连墙深层水平位移、地表沉降、支撑轴力、周边建筑位移及裂缝。本文仅分析地连墙水平位移、地表沉降两项直接测量数据，来分析基坑围护结构的变形特性。

由于基坑长度较大，相应的监测点繁多，根据围护结构分段，选取部分典型截面如图5所示，监测断面位置如图2所示。其中，断面1(对应实际工程的43 轴)采用地连墙+内支撑支护。断面2(对应实际工程的48 轴)采用地连墙逆作法支护。断面3(对应实际工程的52 轴)采用钻孔灌注桩+内支撑支护。

图5 监测断面布置示意Fig.5 Layout of monitoring section

2.2 围护结构水平位移

现有的大量数据表明，围护结构沿墙身的测斜数据准确性影响因素众多，实际获得的监测结果与计算变形趋势有一定出入。为保证数据真实性及完整性，此处保留了监测数据的原有格式，即时间-位移的对应关系，分析一定时间段内围护结构变形的趋势。

1.明挖区地连墙水平位移

图6a 所示为明挖段内支撑基坑地连墙侧向变形趋势，已完成表层土开挖及混凝土支撑浇筑，并于 2018年 10月 10日开挖第一层土，10月22日完成第一层8m 土方开挖并架设第二道支撑，11月1日完成16m 深度的土方开挖。

数据显示：10月10日地连墙顶部已有1mm的悬臂式变形。此时未浇筑混凝土支撑，首先开挖深度为2m 的表层土，墙体发生无支撑悬臂式变形，表现为地连墙上部绕前趾向坑内的转动。在浇筑完成混凝土支撑后，地连墙变形模式转换为支撑作用下的墙体柔性变形。10月10日到10月22日，随着基坑开挖，地连墙向坑内方向产生水平位移。数据显示，地连墙水平位移的增大在2m深度受到约束，且在0 到5m 深度区间内，2m 位置为变形曲线极值点，混凝土支撑位于2m 深度，可认为支撑与坑底对于地连墙的水平约束作用较大，使墙体发生中间大、上下小的柔性变形。

根据图6b，与之对应的另一侧地连墙变形，同样存在向坑内的位移，且2m 深度点有支撑的约束效应。对比图6a和6b曲线可知，2018年10月 22日至 11月 1日，断面 1 北侧地连墙 2m深度表现的是水平位移明显受到约束，而同时南侧地连墙2m 深度的水平位移表现的依然向坑内持续增加，该断面的趋势是整体向基坑北侧移动。

本文数据初步说明，使用对撑的狭长型基坑，即使两侧设计工况完全相同，受到不同地质条件、施工条件和周边环境的影响，实际的变形并不完全对称，基坑两侧变形的不对称性通过支撑传递并协调变形。

2.逆作区地连墙水平位移

图7a、b 所示为逆作断面南北两侧地连墙变形曲线。两者表现也不完全对称，北侧变化属于逐渐增加后稳定，而南侧则是末期观测数据稍有突变。数据显示，北侧地连墙向坑内最大值为9.32mm，最大值深度为14m；南侧地连墙向坑内最大值9.43mm。从北侧地连墙变形曲线可以看出：0m、2.5m、5m 及 8m深度位置存在水平约束。根据工程实际情况，可认为是刚性混凝土路面、1000mm×1000mm 混凝土冠梁、逆作顶板及钢支撑坑底约束了地连墙的水平位移。

图6 断面1 明挖区地连墙侧向变形Fig.6 Lateral deformation of diaphragm wall in open cut area of section 1

图7 断面2 逆作区地连墙侧向变形Fig.7 Lateral deformation of diaphragm wall in reverse working area of section 2

对比明挖地连墙及逆作地连墙开挖变形，以图6a 与图7a 为例，发现明挖基坑与逆作基坑地连墙变形的最大值较为相近，但逆作基坑最大值深度约为14m，明挖段基坑最大值深度 10m。由数据形态可知，图6a 明挖基坑地连墙水平变形曲线形态竖向更为均匀，呈中间大、上下小的趋势，而图7a 逆作基坑地连墙变形曲线呈现8m 以上缓慢发展、8m 以下迅速增加的变形特征。

显示在基坑底部约束刚度比较接近的情况下，逆作法段基坑上部刚度较大的水平支撑(顶板)限制了竖向围护结构上部的水平位移，使最大水平位移值点位置向下转移。

3.明挖区灌注桩水平位移

图8给出了钻孔灌注桩的围护结构变形监测数据。自2018年10月26日起始开挖至11月 17日开挖完成，北侧灌注桩的水平位移最大值为5.918mm，最大值深度为7.0m，南侧灌注桩的水平位移最大值为6.025mm，最大值深度为6m。断面3 灌注桩围护结构最大水平位移值小于断面1 的最大位移值。

此外，地连墙最大位移值发生在 10.5m 深度处，灌注桩最大位移值发生在6m～7m深度处。变形曲线特征不同，地连墙变形值呈中间大两侧小的形状，而断面3 的灌注桩变形呈上部大、围护结构整体平移的趋势。这是由于断面3 的灌注桩等效抗弯刚度大于地连墙，灌注桩发生刚性变形的趋势更大。

根据图9数据，地连墙底位移始终在0～1.7mm 区间内移动，且坑底深度16m 以下，地连墙变形在开挖后4 天的10月 14日即趋于收敛；相比之下，10月 26日至 11月 25日，钻孔灌注桩底始终向坑内移动，其中，10月 30日至 11月 6日，桩顶位移约 2mm，桩底位移约1.8mm，灌注桩发生了整体偏移。整个开挖过程中，灌注桩围护结构坑底深度16m 以下与坑底以上的变形增量接近。

图8 断面3 明挖区灌注桩围护结构侧向变形Fig.8 Lateral deformation of cast-in-place pile in open excavation area of section 3

图9 明挖区地连墙段与灌注桩段围护结构变形Fig.9 Deformation of retaining structure of diaphragm wall section and cast-in-place pile section

可以认为，相比于地连墙，钻孔灌注桩具有围护结构底部向坑内平移的特点。

2.3 地表沉降变形分析

地表沉降量作为地铁施工监测中可以直接获得的监测数据，对评估地铁基坑施工产生基坑变形及周边所受影响有重要价值。

统计发现，地表沉降具有两种典型变形特征。如图10a 为800m 地连墙明挖基坑地表沉降变化曲线。数据显示，各个日期的地表沉降曲线均在距离侧墙5m 位置下沉最大，其中，该点在2018年10月12日累计沉降值为7.335mm，为所示时间段内沉降最大值。距离侧墙 2m、5m、10m、18m、26m 的平均累计沉降量为-2.904mm、-5.812mm、-4.565mm、-4.251mm、-0.888mm。

数据表明，随离基坑距离增加，地表沉降呈现先增后减的趋势，且现有的5 个监测点，距离侧墙5m 位置的监测点具有最大的沉降值。

图10b 为逆作断面沉降变形曲线，数据选取同地连墙变化的相应时间段。数据显示，2018年10月26日，沉降值呈中间大、靠近及远离基坑的位置沉降小的趋势。随开挖进行，距离基坑最近的2m 位置点沉降速度加快，并在整体沉降曲线趋势上呈现“S”型。所示数据中，距基坑2m、5m、10m、18m、26m 位置点对应的沉降平均值分别为-0.36mm、0.87mm、0.2mm、-1.67mm、-0.45mm。可以发现，沉降平均最大的点为距基坑18m 位置。

图10c 所示为灌注桩沉降变形曲线，变形趋势与地连墙段基坑外地表沉降规律相同。结合图10a～图10c 发现，对于明挖基坑如地连墙及灌注桩明挖基坑，沉降趋势符合随离基坑距离的增加先增大后减小的规律，但逆作基坑与该变形趋势存在差异。

考虑到逆作区围护结构位移在顶板以上受到限制，靠近基坑边缘的土体沉降受到约束，距离基坑一定距离位置沉降才开始逐渐增大。可以认为，逆作法中，由于水平位移特征的不同，导致了地表沉降的变形趋势区别于明挖基坑。

图10 地表沉降曲线Fig.10 Surface settlement curve of

3 结论

基于无锡地铁4 号线惠山古镇站依托工程，根据支护结构的不同选取了地连墙明挖断面、地连墙逆作断面、灌注桩明挖断面3 个断面类型进行数据分析。分析结果如下：

1.逆作基坑的变形特性

逆作段支护断面变形特征区别于明挖段支护结构。由于逆作法施工上部刚度较大的水平支撑对地连墙的水平位移存在强力约束作用，逆作基坑地连墙变形曲线呈现上部的水平位移缓慢发展，以下迅速增加的变形特征。

相比较明挖段，逆作法段周边地表沉降值最大点更加远离基坑开挖面，并在整体沉降曲线趋势上呈现“S”型。

2.钻孔灌注桩、地连墙变形对比

采用分段支护的地铁车站基坑，钻孔灌注桩的水平位移主要发生在围护结构上部，而地连墙水平位移则呈现中间大、两端小的趋势。上述特征主要与围护结构的线刚度和地质条件有关。