深厚软土地区两个相邻车站的基坑变形比较分析

王天佐 李全文 薛 飞 陈 雷 邱淑豪

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000；2浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室，浙江 绍兴 312000；3.浙江省山体地质灾害防治协同创新中心，浙江 绍兴 312000)

0 引言

地铁车站深基坑施工工程是一项复杂的综合性岩土工程，一直以来受到人们的关注.其施工过程中对土体的扰动打破了土体的初始应力状态，除了影响基坑本身的安全，还会波及基坑周边环境，造成重大的损失.因此，在地铁车站基坑施工期间对基坑及沿线一定范围内的地表、道路、管网、重要建(构)筑物等进行监测，确保施工的顺利进行是十分必要的.

国内外已有学者对基坑工程的变形规律进行探讨研究.Clough等[1]总结了基坑围护结构的三种基本变形形式，并提出了三种不同土层形式的围护结构周边地表沉降分布模式；Ou等[2]总结了台北地区基坑最大深层水平位移的位置与变形量的规律；Ronghua等[3]分析了宁波市福庆路站基坑地下连续墙的位移、地基沉降和支撑轴力，并提出了控制措施.张建全[4]等对北京某深基坑工程的监测结果，分析了基坑开挖初期围护结构及地表会发生向上的位移，随着基坑深层土体的开挖，桩体和土体会发生较大的位移.王曙光等[5]对基坑周边环境变形的控制技术进行了探讨分析，并指出基坑工程施工过程中应加强对围护结构和周边环境的监测，可通过变形监测，实施信息化施工，必要时进行动态设计、动态施工.李建[6]结合深基坑的具体案例和监测数据，研究在基坑开挖期间和地下工程施工期间的基坑变形规律，从土力学的角度提出并分析基坑变形产生的机理，以及基坑变形产生的影响因素及应对方法.廖少明等[7]以苏州广播电视总台现代传媒广场大尺度深基坑为背景，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.夏伟等[8]提出一种基于监测点精度要求反推控制网等级的观测方案，并以苏州广济医院基坑为例进行监测和预报分析,得到最佳拟合的三次曲线模型.杨仲杰等[9]以郑新城际线机场站基坑监测成果为依据，分析了基坑在整个工程阶段的变形规律、受力特点,通过将系统采集的实际监测值与比拟值进行对比获得短期预测，对深大基坑自动化系统监测的准确性进行了预判.孙锋刚等[10]通过工程实例，分析了高水位基坑工程开挖对周边土体地表沉降变形的规律，针对施工对周边环境的影响,提出了控制地表沉降的措施.袁建滨[11]对广州市猎德变电站基坑的深层水平位移及锚索应力的检测结果进行了分析，为同类型的基坑设计施工积累了经验.

本文通过对绍兴市柯桥区杭绍城际铁路的两座相邻车站的监测结果进行分析，得出深基坑开挖过程引起基坑变形的一些基本规律，以期对相似工程提供参考.

1 工程概况

笛杨路站距柯华路站约700 m，笛杨路站1号坑(见图2)和柯华路站基坑(见图3)位于相邻地铁车站，所处地层均为深厚软土，开挖深度为18.2～18.6 m，围护形式为地连墙+内支撑.

1.1 笛杨路站1号坑概况

车站主体结构为地下二层岛式现浇钢筋混凝土框架结构，有效站台长度120.0 m，岛式站台宽度为12.0 m，围护结构外包长度约为540.3 m，净宽度为19.3 m.

车站主体结构为地下二层，部分单柱双跨、部分双柱三跨现浇钢筋混凝土框架结构.主体基坑沿群贤路总长540.3 m(外包)，标准段宽20.7 m，小里程端盾构井宽度25.5 m.

图1 杭州至绍兴城际铁路工程线路走向图

根据规划地面标高，主体结构顶板覆土为3.0～3.5 m，结构底板基本处于3-1层淤泥质黏土、3-2层淤泥质粉质黏土.

标准段基坑深度约为16～18 m，采用0.8 m厚地下连续墙+5道内支撑+1道倒撑，明挖顺作法施工，地下连续墙标准段深约40 m.

1.2 柯华路站基坑概况

车站主体结构为地下二层岛式现浇钢筋混凝土框架结构，车站有效站台长度120.0 m，岛式站台宽度为11.0 m，净长度约为201.0 m(右线)，净宽度为18.3 m.群贤路现状道路宽度为36.0 m，柯华路现状道路宽度为36.0 m.

车站主体结构为地下二层、单柱双跨现浇钢筋混凝土框架结构.主体基坑沿群贤路总长202.6 m(外包)，标准段宽19.7 m，小里程端盾构井段宽度24.5 m，为始发井，大里程端盾构井段宽度24.9 m，为接收井.

根据规划地面标高，主体结构顶板覆土约3.1 m，结构底板基本处于3-1层淤泥质黏土、3-2层淤泥质粉质黏土.

主体结构标准段基坑开挖深度约16.8 m，采用0.8 m厚地下连续墙+内支撑，明挖顺作法施工.地下连续墙标准段深约40.0 m.

两个基坑位于相邻位置(见表1)，其地质条件勘察结果如下，可分为10个工程地质层，23个工程地质亚层，详见表2.两基坑拟建场地均位于萧绍虞甬平原区西部，地形平坦开阔，河岸稳定，场区特殊性岩土为软土和填土， 软土地基强度低、 稳定性差， 易产生诸如不均匀沉降和变形过大等问题.目前，场区内及其附近不存在对工程安全有影响的滑坡、泥石流、崩塌、地下溶洞、地面塌陷和地裂缝等不良地质影响.所以对两个基坑变形进行对比分析是十分有价值的.

图2 笛杨路站1号坑监测点布置图

图3 柯华路站基坑监测点布置图

表1 不同基坑情况对比

表2 地基土部分物理力学性质指标表

依据相关规范，并根据工程安全等级、工程监测等级、工程影响分区、设计及施工的要求确定杭州至绍兴城际铁路工程笛扬路站、柯华路站具体的监测项目如下：

围护体系：围护墙顶垂直位移及水平位移、围护墙体深层水平位移(测斜)；支撑轴力；立柱沉降监测；坑外潜水水位；土体测斜；坑内水位观测.

周边环境：坑周地表沉降；周边地下管线垂直位移；周围建(构)筑物沉降；周围建构筑物倾斜.

基坑开挖时伴随着土方的大量卸载，水土压力重新分布，原有的平衡体系被打破，围护桩作为维持新平衡体系的重要存在，承受水土压力而产生变形，在桩顶位置产生水平位移和沉降.为反映施工期间支护体系变形情况，围护桩顶水平位移及沉降监测是必不可少的监测内容.

地表沉降是地下结构监测施工最基本的监测项目，它最直接地反映基坑周边土体变化情况.

基坑系统是否稳定首先表现为支撑轴力的变化.基坑若发生变形，其根源在于力的变化.支护体系外侧的侧向土压力由围护桩体及支撑体系所承担，当实际支撑轴力与支撑在平衡状态下应能承担的轴力(设计值)不一致时，将可能引起支护体系失稳.

地下结构的施工会引起周围地表的下沉，从而导致地面建筑物的沉降，这种沉降一般都是不均匀的，因此将造成地面建筑物的倾斜，甚至开裂破坏，应进行严格控制.

2 监测结果分析

笛杨路站1号基坑从土方开挖到底板浇筑完成一共用时188 d；柯华路站基坑从土方开挖到底板浇筑完成一共用时190 d，笛扬路1号基坑与柯华路基坑暴露时间相近(见表3).

表3 不同基坑施工时间节点

2.1 围护墙顶竖向位移

图4中，笛杨路站1号坑在基坑开挖初期(2018年3月26日)围护墙顶开始上抬.随着开挖深度的增加，围护墙顶上抬越来越大，在底板浇筑之后(2018年9月30日)，围护墙顶应逐渐回落，但是由于变形的滞后性，变现为上抬速率逐渐降低；在中板浇筑(2018年12月10日)时达到最大；随着基坑顶板的浇筑完成(2019年1月19日)，围护墙顶逐渐回落并趋于稳定.围护墙体竖向位移上抬主要是由于基坑开挖引起的坑底土体回弹，使围护墙体受土层变形摩擦引起的.

图5中，柯华路站围护结构竖向位移随时间变化曲线与笛杨路站1号坑变化趋势一致.基坑开挖初期(2018年4月23日)，围护墙顶上抬较为平缓；随着基坑开挖深度的加深，围护墙顶上抬速率越来越大；底板浇筑完成之后(2018年10月30日)，围护墙体上抬速率趋于平缓，在顶板浇筑完成(2019年2月3日)之后趋于稳定.

笛杨路站1号坑和柯华路站基坑的围护墙顶竖向位移均是上抬的，与归浩杰[12]测得的围护墙顶竖向位移的变化规律是一致的.对比分析图4和图5，结合现场实际施工工况可知，随着底板施工完成，基础刚度不断增加，地下结构回筑，围护墙顶变形趋于稳定.其中笛杨路1号基坑围护结构最终最大上抬量监测点为QS2的33.03 mm，柯华路站基坑最终最大上抬量监测点为QS4的20.57 mm.结合工况分析可以发现，笛杨路站1号基坑围护墙顶最大上抬量约为柯华路站基坑的1.5倍，是由于笛杨路1号基坑在开挖期间，土方开挖钢支撑未及时架设、附近钢筋棚堆载以及基坑经常渗漏水等原因造成的.

图4 笛杨路站1号坑围护墙顶垂直位移时间曲线

图5 柯华路站基坑围护墙顶垂直位移时间曲线

2.2 围护墙顶水平位移

从图6可以看出，基坑开挖初期(2018年3月26日)，笛杨路站1号坑的围护墙顶水平位移向内偏移明显，后面随着第一道砼支撑开始受力，围护墙顶水平位移较为平稳；随着基坑开挖深度的增加，围护墙顶继续向坑内方向偏移，并在最后一层土方开挖完成(2018年8月22日)后达到最大值，紧随着第五道支撑的安装及地板开始浇筑一直到底板浇筑完成(2018年9月30日)之后，围护墙顶水平位移开始向坑外方向偏移，并在底板浇筑完成之后趋于稳定.

从图7可以看出，柯华路站和笛杨路站1号坑的围护墙顶水平位移变化趋势一致.基坑开挖初期(2018年4月23日)，围护墙顶往基坑内方向偏移；在土方开挖完成时(2018年10月6日)达到最大值；在底板浇筑完成之后(2018年10月30日)，围护墙顶水平变形逐渐收敛.

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结合图6和图7，可以看到基坑均是在基坑底板浇筑完成之后开始保持稳定的，这说明底板的浇筑对围护结构的变形起到了很好的抑制作用.

图6 笛杨路站1号坑围护墙体水平位移时间曲线

图7 柯华路站基坑围护墙体水平位移时间曲线

2.3 坑外地表沉降

图8中，笛杨路站1号坑在土方开挖初期(2018年3月26日)，地表沉降较为平缓，随着基坑开挖的进行，地表沉降监测点表现有明显的沉降趋势；在基坑开挖完成时(2018年8月22日)，笛杨路站1号坑的坑外地表最大沉降在110 mm左右，这是因为笛杨路站1号坑在开挖过程中出现了较为严重的渗漏水现象，导致其坑外地表沉降较大；在底板浇筑完成后(2018年9月30日)，地表沉降逐渐趋于稳定.

图9中，柯华路站基坑在土方开挖初期(2018年4月23日)地表沉降速率较低；随着基坑开挖深度的增加，地表沉降变化速率增大；在基坑开挖完成时(2018年10月6日)，柯华路站基坑的坑外地表最大沉降量在30 mm以内，个别地方达到了50 mm(DB15-2)，这是因为在DB15-2旁边有个钢筋加工场，钢筋堆放较多加上施工机械的荷载，导致其地表沉降大于其他地方；在底板浇筑完成后(2018年10月30日)，地表沉降速率明显减小，并逐渐趋于稳定.

笛杨路1号基坑最大沉降点DB4-3的沉降量为-155.55 mm，而柯华路站基坑的最大沉降点DB15-3的沉降量为-72.59 mm.笛杨路站1号基坑地表最大沉降量约为柯华路站基坑地表最大沉降量的2倍.虽然这两个基坑都出现过渗漏水等现象，但是笛杨路站1号基坑是在开挖过程出现的大面积渗漏水，柯华路站则是基坑开挖完成之后渗漏水，且及时采取了相应的补救措施.说明基坑开挖期间基坑降水止水措施是十分必要的.

图8 笛杨路站1号坑地表沉降时间曲线

图9 柯华路站基坑地表沉降时间曲线

2.4 围护墙体、坑外土体深层水平位移

图10、图11反映出在基坑开挖初期，笛杨路站1号坑围护墙体、坑外土体均发生向基坑方向的水平位移.且随着开挖深度的增加，水平位移量越来越大，在第三道砼支撑安装完成后(2018年5月29日)，水平位移变化量明显减小；在第五道支撑安装(2018年6月19日)到土方开挖完成(2018年8月25日)这段时间，水平位移变化量比较大；底板浇筑完成(2018年9月30日)之后，水平位移变化量明显减小.

图12、图13中，柯华路站基坑在基坑开挖初期(2018年4月23日)变形量较小，随着基坑开挖深度的逐步加深，坑内外土压力失衡，围护墙顶水平位移表现为向坑内方向偏移，累计量增大，后期随着底板浇筑(2018年10月30日)，变形趋于稳定状态.

从图10至图13中，对比分析并结合现场实测数据可以看到，基坑开挖初始，墙顶向坑内位移比较明显，最大深层水平位移位置在开挖面附近，随着开挖面不断下降，其位置也会随之下降.由于实测监测过程会在第一道支撑安装完成之后进行监测，导致深层水平位移曲线图随着基坑开挖深度的加深， 会有由“前倾”形逐渐变为“反弓”形[13].土体深层水平位移可在一定程度上反映墙体深层水平位移，且各测点的位移增量主要发生在开挖深度较大且施工持续时间较长，各种荷载逐渐增大的时间段.底板浇筑完成后，深层水平位移的增量明显减小，说明底板的浇筑对围护墙体有明显的约束作用.

图10 笛杨路1号坑围护墙体深层水平位移变化(QT28)

图11 笛杨路1号坑土体深层水平位移变化曲线(TX8)

图12 柯华路站基坑围护墙体深层水平位移变化(QT11)

图13 柯华路站基坑深层水平位移变化曲线(TX8)

2.5 周边建筑物沉降

地下结构的施工会引起周围地表的下沉，从而导致地面建筑物的沉降，这种沉降一般都是不均匀的，因此将造成地面建筑物的倾斜，甚至开裂破坏，应进行严格控制.

基坑开挖初期，由于基坑内外高差存在产生土压力差，使得围护结构变形，土体产生位移，导致临近建筑基础与基坑相近一边产生较大变形而远离基坑一边产生较小变形，造成了建筑不均匀变形，产生初步的开裂和损坏.在深基坑开挖进行到使周围土体产生塑性形变状态后，产生地层表面土体不均匀沉降.地层表面不均匀沉降进而使建筑基础产生不均匀沉降，当建筑基础不均匀沉降超过承受能力时，建筑构件产生结构性裂缝导致破坏.因此，周边建筑物的沉降监测是十分必要的.

对比图8、图9和图14、图15，可以看出建筑物沉降趋势和地表沉降的变化趋势是一致的，说明建筑物沉降是由地表沉降引起的建筑物基础的不均匀沉降造成的，且笛杨路1号坑周边建筑物最大沉降量是-89.09 mm(JGC4)，柯华路站基坑周边建筑物最大沉降量-59.86 mm(JGC2)，均发生在靠近基坑一侧.即基坑开挖过程中，会使得临近基坑一侧的建筑物产生较大变形，远离基坑一侧的建筑物产生的变形较小.在基坑施工过程中应对基坑周边建筑进行相应的保护，可根据不同的影响分区对基坑开挖对周边环境的影响区域划分，如图16所示，影响分区的位置分别为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区，分别对应影响区为主影响区、次影响区、无影响区.各影响区的环境特征和对应的保护措施总结如表4所示.

图14 笛杨路1号坑周边建筑物沉降时间曲线

图15 柯华路基坑周边建筑物沉降时间曲线

2.6 支撑轴力

图17中，笛杨路站1号坑第一道砼支撑在基坑开挖初期(2018年3月26日)轴力增长迅速，后面随着砼支撑施加的预应力逐渐释放和第二道钢支撑的安装(2018年4月2日)，第一道砼支撑的轴力迅速减小；随着第三道砼支撑的安装(2018年5月29日)，其他支撑受到的力明显减小，第三道钢支撑轴力迅速 增长， 且维持在较大值；随着第五道钢支撑安装(2018年6月19日)到拆除(2018年8月25日)，第三道砼支撑的轴力有一个减小后有回升的过程， 并保持稳定； 后面随着地下结构的施工， 第三道支撑被拆除，第一道砼支撑的轴力有小幅上升的趋势，后保持稳定.

图16 基坑开挖对周边环境的影响区域划分

表4 基坑开挖环境影响分区特征与保护措施

图18中，柯华路站基坑的第三道支撑砼轴力最大，是因为由于第三道支撑位置位于基坑中部，且施工安装完成第三道支撑之后，紧接着开挖第四层土，基坑暴露时间过长，导致第三道支撑轴力过大.在五大道钢支撑安装(2018年8月28日)的时候，钢支撑轴力增长迅速，其他支撑的轴力随之减小.

笛杨路站1号坑和柯华路站基坑第一道砼支撑变化不一样，是由于笛杨路站的第一道砼支撑施工完成之后还未等到砼支撑应力完全施加就开始进行土方开挖，导致第一道砼支撑轴力在基坑开挖期间增长很快；柯华路站是在第一道砼支撑完全释放应力之后开始进行土方开挖的，故在土方开挖初期第一道砼支撑受力较稳定，这也反映出砼支撑对基坑结构起到很好的稳定作用.

图17 笛杨路站1号坑轴力时间曲线

3 结论

通过对笛杨路1号坑和柯华路站基坑的持续监测，对可能发生的危及环境安全的隐患或事故可提供及时、准确预报，有效避免事故的发生，并得出以下结论：

(1)基坑开挖会使得围护墙顶上抬，在底板浇筑完成后，逐渐趋于稳定；围护墙体最大深层水平位移的位置发生在基坑开挖面附近，位移曲线图由“前倾”形逐渐变为“反弓”形，且土体深层水平位移可在一定程度上反映墙体深层水平位移；底板的浇筑对围护结构的变形起到了很好的抑制作用.

(2)坑外地表沉降在土方开挖初期沉降速率较低；随着基坑开挖深度的增加，地表沉降变化速率增大；周边建筑物沉降规律和坑外地表沉降类似，且距离基坑越近建筑物沉降量越大.

(3)做好基坑周边堆载及做好基坑渗漏水的防护措施，可以有效控制由基坑开挖引起的变形.

(4)基坑开挖初期，第一道砼轴力增长迅速，随着基坑开挖的深度增加，钢支撑的安装，砼支撑的轴力会迅速减小，随着底板浇筑的完成，所有支撑的轴力逐渐趋于稳定.其中第三道支撑受力最大在钢支撑安装的时候，钢支撑轴力增长迅速，且一直处于最大受力状态，需要减少基坑无支撑的暴露时间，暴露时间越短对基坑支护越有利.