地铁车站深基坑临近建筑物变形机理及优化

经根东，谈金忠，王振祥

(江苏南京地质工程勘察院，江苏 南京 210041)

0 前 言

江苏省常州市正在建设地铁1、2号线一期工程，针对地铁车站深基坑临近建筑物的变形机理开展的研究较少，深基坑地连墙体的累计水平变形量和建筑物的累计沉降量出现异常后，施工单位无法有效控制异常变形量的收敛。因此，笔者对深基坑临近建筑物的变形机理进行了系统分析，便于指导其他工点深基坑施工的咨询工作；也可供其他城市设计和施工临近建筑物的地铁车站深基坑借鉴。

1 深基坑临近建筑物施工的研究背景

常州市地铁深基坑工程是典型的三维动态工程，受土体的地区成因、各向异性及深基坑临近建筑物等因素的影响，很难寻找到理想的物理和数学模型来模拟深基坑土体强度和变形全过程变化性能[1]；而且，工程勘察报告采用土体室内土工试验参数进行的常规正分析难以客观反映深基坑土体强度和变形[2]。因此，笔者引用一种反分析的深基坑明挖法施工优化控制的方法，即利用现场监测点的变形特征，来反分析土体变形机理，作为深基坑研究、设计及施工中进行正分析深基坑变形预测的依据[2]，这是一种“现场量测定量、时空理论分析、优化方法控制、模糊理论预测”的地铁车站深基坑明挖法施工控制的优化方法。

2 深基坑临近建筑物变形机理及优化

2.1 工程概况

2.1.1 主体结构设计概况

常州市地铁2号线一期工程某车站为2号线与规划3号线的换乘车站，采用“T”形型换乘，位于勤业路与长江中路路口。2号线车站沿勤业路东西向布置。为13 m岛式站台地下2层车站，车站总长为282.5 m，标准段宽度为21.7 m[3]。

2.1.2 围护结构设计概况

该车站基坑长284.1 m，宽23.3 m。标准段基坑开挖深度16.5 m，端头井开挖深度17.6 m；换乘段基坑开挖深度23.8 m。主体基坑采用明挖、盖挖法施工，采用 800 mm厚度地下连续墙+止水帷幕+水平内支撑支护体系；端头井及盖板段采用1道混凝土支撑+4道钢支撑，标准段基坑采用1道混凝土支撑+2道钢支撑[3]。

2.1.3 深基坑环境风险

五星程控交换局楼房位于车站北侧，为混凝土3层结构，楼房距离车站基坑约6.0 m，见图1。

图1 监测点数据异常平面图

2.1.4 深基坑土层工程地质特征

该车站西段基坑开挖土层自上而下为：①填土(层厚1.90～2.39 m，层底埋深1.90～2.39 m)；③2黏土(可塑，层厚4.03～4.5 m，层底埋深6.40～6.42 m)；⑤1黏质粉土夹粉砂(稍～中密，层厚4.60～5.09 m，层底埋深11.00～11.51 m)、⑤2粉砂(中密，局部密实，层厚2.00～3.08 m，层底埋深13.00～14.59 m)；坑底位于⑤3a黏质粉土夹粉质黏土层(稍～中密，层厚3.26～6.00 m，层底埋深17.85～19.00 m)；坑底以下依次为：⑤3粉砂夹黏质粉土、⑥2粉质黏土、⑧1黏质粉土夹粉质黏土层；地下连续墙墙趾位于⑨1粉质黏土层[3]。

2.1.5 深基坑水文地质特征

该车站第Ⅰ1承压水主要埋藏于⑤1、⑤2、⑤3a、⑤3粉土、粉砂层中，⑧1粉土层为第Ⅰ2承压含水层，第Ⅰ1和第Ⅰ2承压含水层连通，含水量丰富。测得第Ⅰ承压水埋深为地面下3.20～5.45 m，平均水位埋深4.40 m；水位标高约0.75～1.76 m，年变化幅度约1～2 m。因此，在一定承压水动力作用下地连墙接缝处⑤1、⑤2、⑤3a、⑤3、⑧1粉土、粉砂层易发生漏水、漏砂[3]。

2.2 深基坑临近建筑物施工的变形机理

2.2.1 坑底土体隆起特征及机理

图2 累计变形量时空效应横剖面示意图

当基坑第4段养护底板混凝土时，LZ2监测点的隆起变形开始收敛，累计隆起量达13.66 mm。

当第3～5段养护顶板混凝土后，LZ2监测点的工后累计隆起量逐渐收敛，还缓慢增大，累计隆起量最终收敛为18.78 mm。其变形机理为：基坑北临混凝土3层五星程控交换局，楼房对基坑北侧地连墙的附加应力较大，使楼房地基土沉降及周围土体向基坑北侧位移，并使地连墙工后累计水平变形量呈从深部到浅部逐渐收敛、缓慢增大，因此，坑底土体和LZ2监测点也随着逐渐收敛、缓慢增大。符合黏性土时间效应规律，在附加应力作用下，③2黏土易发生长期剪切蠕变、位移[4]。

2.2.2 地连墙变形特征及机理

当基坑第4段养护底板混凝土时，QC5监测点的隆起变形开始收敛，累计隆起量达13.43 mm；QC31监测点的隆起变形也开始收敛，累计隆起量达5.74 mm，QC5与QC31监测点的差异隆起量为7.69 mm。

当第3～5段养护顶板混凝土后，QC5和QC31监测点的工后累计隆起量均逐渐收敛，QC5监测点最终收敛为8.29 mm；QC31监测点最终收敛为2.89 mm，QC5与QC31监测点的差异隆起量为5.40 mm。其变形机理为：五星程控交换局楼房对基坑北侧地连墙的附加应力较大，使楼房地基土沉降及周围土体向基坑北侧位移，并使基坑北侧地连墙快速隆起，基坑两侧墙顶差异隆起量不断增大，直至逐渐收敛时减小。符合砂性土空间效应规律，坑底砂性土体累计隆起量一般较高，而南侧墙体制约了南侧土体受主动和被动土压力的作用，累计隆起量一般较低[4]。

2)墙体和墙顶水平变形特征及机理。该车站从基坑第4仓开挖土方至第4段养护底板混凝土时，基坑北侧地连墙墙体CX5监测点的累计水平变形量较大，在埋深13.5 m处最大达39.38 mm，而且最大值的埋深逐渐加深；基坑南侧地连墙墙体CX31监测点的累计水平变形量较小，在埋深13.5 m处最大达20.01 mm，CX5与CX31监测点的差异水平变形量为19.37 mm，见表1～2。

表1 CX5水平变形变化

表2 CX31水平变形变化

至第3～5段养护顶板混凝土后，工后累计水平变形量从深部到浅部逐渐收敛，还缓慢增大。CX5监测点的工后累计水平变形量在埋深12.5 m处最终收敛为43.42 mm；CX31监测点的工后累计水平变形量在埋深12.0 m处最终收敛为21.61 mm，CX5与CX31监测点的差异水平变形量为21.81 mm。其变形机理为：五星程控交换局楼房对基坑北侧地连墙的附加应力较大，使楼房地基土沉降及周围土体向基坑北侧位移，并随着拆除3道内支撑，使基坑北侧地连墙墙体的累计水平变形量快速增大，基坑两侧墙体差异水平变形量也不断增大，直至逐渐收敛时还缓慢增大。

该车站基坑地连墙墙顶水平变形量均较小，一般为2.3～-5.8 mm。

2.2.3 墙后地表竖向变形特征及机理

该车站从基坑第4仓开挖土方至第4段养护底板混凝土时，基坑北侧地连墙墙后的五星程控交换局楼房地表累计沉降量快速增大，并开始收敛，JC4-1和JC4-6监测点累计最大沉降量均达-19.00 mm；基坑南侧5个监测点累计变形量均很小，见图2。

至第3～5段养护顶板混凝土后，楼房地表工后累计沉降量逐渐收敛，JC4-1和JC4-6监测点最终收敛为-12.96 mm、-12.79 mm。基坑南侧5个监测点工后累计变形量一直很小。其变形机理为：五星程控交换局楼房对基坑北侧地连墙的附加应力较大，使楼房地基土沉降及周围土体向基坑北侧位移。基坑两侧地表差异竖向变形量不断增大，直至逐渐收敛时减小[5]。

2.3 深基坑临近建筑物施工的优化控制措施

3 结 论

1)针对常州市地铁车站临近建筑物的深基坑地连墙体监测数据出现异常后却无法有效控制异常变形量的收敛，笔者引用一种“现场量测定量、时空理论分析、优化方法控制、模糊理论预测”的反分析优化方法。

2)坑底土体隆起特征：该车站基坑开挖土方时，坑底土体开始隆起，并且隆起变形速率逐渐增大；至养护底板混凝土时，坑底土体隆起开始收敛；当养护顶板混凝土后，坑底土体工后累计隆起量逐渐收敛，还缓慢增大。

3)墙顶隆起特征：当基坑开挖土方时，基坑北侧地连墙墙顶的隆起变形速率较快；至养护底板混凝土时，墙顶隆起开始收敛；当养护顶板混凝土后，墙顶工后累计隆起量逐渐收敛。基坑两侧墙顶差异隆起量不断增大，直至逐渐收敛时减小。

坑底土体隆起及墙顶隆起主要为塑性隆起，少量为弹性隆起，累计隆起量呈北侧和中间较高、南侧较低；区别于常见中间较高两侧较低的隆起特征。

4)墙体和墙顶水平变形特征：从基坑开挖土方至养护底板混凝土时，基坑北侧地连墙墙体的累计水平变形量较大，而且最大值的埋深逐渐加深；至养护顶板混凝土后，墙体的工后累计水平变形量从深部到浅部逐渐收敛，还缓慢增大；而墙顶水平变形量均较小。基坑两侧墙体差异水平变形量也不断增大，直至逐渐收敛时还缓慢增大。

5)墙后地表竖向变形特征：从基坑开挖土方至养护底板混凝土时，基坑北侧地连墙墙后的五星程控交换局楼房地表累计沉降量快速增大，并开始收敛；至养护顶板混凝土后，楼房地表工后累计沉降量逐渐收敛。基坑两侧地表差异竖向变形量不断增大，直至逐渐收敛时减小。

6)变形机理：基坑北临混凝土3层五星程控交换局楼房，楼房对基坑北侧地连墙的附加应力较大，使楼房地基土沉降及周围土体向基坑北侧位移，并使坑底土体快速隆起，还使基坑北侧地连墙墙顶快速隆起及墙体水平变形量不断增大，并符合时空效应规律。