杭州地铁车站开挖基坑变形与地表沉降分析

冯孝杰 吴志荣 庞 晋

（杭州市地铁集团有限责任公司，浙江 杭州 330100）

1 工程概况

车站主体结构为地下两层双柱三跨矩形框架结构，基坑采用明挖顺作法施工。车站外包长度191.2 m，基坑标准段宽度19.9 m，端头井宽23.8 m，标准段深16.2 m，端头井深约17.8～18.2 m。

基坑围护平面及地表监测点布置如图1所示。

图1 ZQT1～20点地墙水平位移分布

测点分别位于距离基坑内边缘2、7、12、20、30、45 m的位置。围护结构采用厚0.8 m、深29 m的地下连续墙加内支撑的方式，第一道内支撑为0.8 m×0.8 m的钢筋混凝土支撑，第二至第六道采用Ф609 mm×16 mm钢管支撑。

代表性位置关键施工阶段如图2所示。

图2 ZQT1、3、5、7、9、11点地墙水平位移分布

2 地连墙水平位移分析

2.1 地连墙水平位移空间分布

墙（桩）体水平位移是基坑监测的重要内容，是围护结构变形特性的直接反映，也是考察围护结构安全性能的重要指标。

地墙顶部（0.5 m深处）水平位移量在3 mm以内，第一道支撑采用钢筋混凝土支撑能有效控制基坑上部的位移变形。

2.2 地连墙水平位移时间发展

本工程关键施工节点时的墙体水平位移曲线，如图3、图4所示。

图3 西端头ZQT3点地连墙水平位移

图4 中段ZQT11点地连墙水平位移

ZQT3是位于最先开挖的西端头井南侧地墙测斜代表点，ZQT11是最后开挖的中段地墙测斜代表点。

由图3中曲线可知，第一道钢筋混凝土支撑有效限制墙顶的水平位移。随着基坑开挖的进行，地墙最大水平位移的深度位置逐渐下移，在开挖到第四道钢支撑下方之前，最大水平位移位置处在开挖面以下；开挖至第四道和第五道钢支撑之间（挖深10.5～13.5 m）时，最大水平位移位置下移趋势减缓，逐渐转变为处在开挖面上；底板浇筑完成后，围护结构侧向变形发展趋于稳定，最大水平位移位置处在13.5 m深处，即3/4H（H为基坑开挖面深度）处。

（1）围护结构侧向变形的初始值和最终稳定值（浇筑底板后）比端头处大，是因为中段最后开挖，在其两侧的施工段土方开挖影响了本段范围的土体应力状态，造成土体产生位移场并传递给围护墙体[1]。墙顶附近几乎没有初始侧向变形，体现了相邻施工段的第一道钢筋混凝土支撑的支撑效果优于下方的钢支撑，也说明本工程中第一道钢筋混凝土的及时架设和施作质量实现了限制墙顶侧向变形的设计目的。

（2）中段比端头井的开挖深度小，但墙体水平位移的增长速率和最终增长值比端头井处高，基坑的平面形状呈矩形，长宽比较大（约9.5∶1），端部有短边地墙约束，中部缺少约束。

影响墙体水平位移及其最大值所在位置的主要因素有地连墙插入比、地连墙厚度、坑内被动区深层土体加固措施、坑底附近及以下的土层性质等。相关研究结果表明，随着墙底以上软土厚度的增加，最大侧移的深度位置略有下降的趋势，但趋势不显著，因此坑底以上土层模量的降低对墙体最大侧移的深度位置加深的影响不大。

本案例中地墙最大水平位移的深度位置位于3/4H以下，超过相关文献总结的2/3H。这种变形特性与以黏质粉土为主，与夹有黏土、淤泥质粉质黏土等土层的软土地质条件有关，特别是受坑底以下黏质粉土和黏土层的影响。墙体最大侧移量约为0.35%H。

3 坑外地表沉降分析

周边地表沉降分布形态与围护墙（桩）体的变形特征密切相关，本工程案例地表沉降形态为凹槽形，对应的墙（桩）体变形形态为内凸形。已有工程实践和研究表明，凹槽形地表沉降最大位置一般距离桩墙0.4～0.7H处。地墙ZQT3测斜点旁的地表沉降测点DBC3-1～6曲线如图5所示，ZQT11测斜点旁的地表沉降测点DBC11-1～6曲线如图6所示。

图5 西端头DBC3-1～6点地表沉降曲线

图6 中段DBC11-1～6点地表沉降曲线

在基坑端头附近，最大地表沉降量为-57.6 mm，即0.32%H，位于距坑内边缘7～8 m处，即0.38～0.44H范围。在基坑中段，最大地表沉降量为-93.8 mm，即0.58%H，位于距坑内边缘10～12 m处，即0.62～0.74H。

坑外地表沉降与围护墙（桩）体变形在量值和形态分布方面都具有相关性，地表沉降又能反映出土体深层位移场的分布。地表沉降和围护墙体水平位移无量纲化处理后的结论如表1所示。

表1 地表沉降和围护墙体水平位移无量纲化分析

4 结语

（1）随着基坑开挖进行，地墙最大水平位移的深度位置逐渐下移，但下移趋势逐渐减缓，挖深至10.5～13.5 m时，最大水平位移位置转变为处在开挖面上。

（2）地墙最大水平位移的深度位置位于3/4～4/5H以下，场地主要分布以黏质粉土为主的软土是造成这种结果的主要原因，为了控制围护墙（桩）最大变形量值及位置，除了考虑墙（桩）截面尺寸和插入比是影响因素外，还应注意控制坑底土体加固的质量和效果。

（3）长宽较大的矩形基坑，由于端头加固固结土体的原因，导致开挖更深处的基坑端部墙体变形和地表沉降小于开挖较浅处的基坑中部。

（4）在以黏质粉土为主的软土地区，最大地表沉降位置距离基坑内壁约0.4～0.7H，无量纲化最大地表沉降与最大墙（桩）体水平位移比值约为1.66～1.71。