济南土岩组合地层地铁车站深基坑变形特性研究*

孙连勇，段淑倩，李明宇，门燕青，周明祥，卢 途

(1.济南轨道交通集团有限公司，山东 济南 250101； 2.郑州大学土木工程学院，河南 郑州 450001；3.中铁十六局集团地铁工程有限公司，北京 100020； 4.山东大学土建与水利学院，山东 济南 250061)

0 引言

地铁车站深基坑工程平面尺寸和开挖深度往往较大，所处区域环境复杂，且紧邻周边建筑物或构筑物、地下管线及周边道路，开挖过程中，基坑岩土体、围护结构本身以及周围建筑物的变形和安全都会受到严重威胁，从而导致一系列工程结构存在破坏和失稳问题(如基坑土体大变形、周围地表及地下管线沉降、周围建筑物倾斜开裂等)[1-2]。

在建济南地铁车站深基坑工程部分标段处于地质条件复杂特殊的“上土下岩”软硬复合地层[3]，会出现吊脚桩、刚性与柔性围护结构非协调受力及变形等问题，仅采用数值模拟手段很难进行精准预测和把握基坑的变形问题。因此，为确保重大深基坑工程施工及周边建筑安全，实现基坑及周边环境的实时监测反馈，通过对土岩组合深基坑开挖全过程中岩土体变形监测数据进行实时分析，探究时空演化特征，以达到指导信息化施工和支护设计的目的。

目前在土岩组合地层深基坑开挖变形与安全稳定性分析方面，专家学者们多采用有限元法和监测数据分析展开研究[4-19]，主要涉及吊脚桩支护方案选择和支护效果优劣，土岩组合地层深基坑施工中的难点和处理对策，采用不同支护结构形式时围护结构和岩土体的变形特点与规律基坑位移发生位置与土层厚度的关系与外荷载与既有建筑物埋深对坑外土体变形的影响，支护桩的变形模式与坑外土体沉降关系等方面。以上研究成果可为济南地铁车站土岩组合基坑岩土体及围护结构变形特点分析提供一定借鉴，但由于基坑工程区域性特点，该地区以黏土、黄土-灰岩为主的二元复合地层结构中，深基坑变形无大量相对成熟的特征和经验可循，作为研究和设计基础的围护结构实测变形在基坑施工期的时空演化规律仍不清晰，限制了济南地区土岩组合基坑设计理论、变形控制标准以及各类风险应对措施的研究与进展。

因此，以济南CBD地铁车站深基坑工程为依托，选取中心节点绸带公园站和北节点工业南路站基坑变形实测数据，探究土岩组合地层中深基坑围护结构变形时空演化规律，揭示基坑变形对分层开挖施工工序、地质条件和不同围护体系的时空响应特征，并与有限元数值模拟结果进行对比，对土岩组合地层的地面沉降模式进行规律性总结，给出典型济南深基坑围护方案的开挖影响分区。

1 工程概况

1.1 项目概况与地质条件

绸带公园站位于济南CBD中心节点处，是环线与M1线换乘车站，环线车站总长278m，标准段内基坑净宽为24.7m，开挖深度约17.6m，覆土厚约2.9m；M1线车站总长321m，标准段内基坑净宽为24.7m，开挖深度为25.3m，车站范围无地下构筑物及管线(见图1)。工业南路站位于中轴线北端，工业南路南侧为环线车站，标准段基坑深度为17.5～22.4m。地势南高北低，高差较大，覆土厚度为2.6～5.9m，工程场地施工期间抗浮设防水位标高按52.000m考虑，二者皆为典型的深大基坑工程。

由图1可知，本工程场地位于济南典型土岩组合地层之中。两基坑土层层序相对清晰，主体基坑内主要有杂填土、黄土、粉质黏土、碎石土、全风化/强风化/中风化灰岩和闪长岩，典型的岩土层物理力学参数如表1所示。

表1 基坑场区主要岩土层物理力学参数[3]

图1 工程环境和典型工程地质剖面

1.2 基坑支护情况

绸带公园站支护结构依地质条件进行分段处理，环线采用上部明挖放坡法，下部西侧采用φ800@1 500钻孔灌注桩(嵌岩桩)加锚索形式，东侧与地下空间一体化施工采用全放坡开挖。M1线上部采用明挖放坡，下部采用φ800@1 200或φ900@1 200钻孔灌注桩加锚索形式，西端局部采用全放坡。本文选取的典型绸带公园环线～轴土岩组合基坑深度为17.4m，主体围护结构右侧为三级放坡，喷锚支护。左侧嵌岩桩施工工序如下：①上部放坡并进行喷锚支护，随后施工直径800mm、桩距1 500mm的嵌岩桩(桩底部嵌入中风化泥灰岩)、冠梁和第1道预应力锚索(对应图2的第1层开挖)；②向下开挖至第2道锚索以下50cm后，施工第2道预应力锚索(对应图2的第2层开挖)；③待锚索完成张拉后，开挖剩余土石方，直至基底以上30cm，后人工配合小型挖掘机清底(对应图2第3层开挖)，直至开挖完成。

图2 绸带公园站基坑～轴放坡+嵌岩桩支护剖面

工业南路站主体围护结构采用明挖法施工，本文选取的①～③轴基坑断面左侧为三级放坡，前两级放坡都位于土层中，按1∶0.5放坡，最后一级位于岩层中，按1∶0.3放坡，放坡采用喷锚支护，如图3a所示。右侧为典型的吊脚桩支护结构，基坑深度为23.48m，分4层开挖。桩体采用φ800mm灌注桩，间距为1 200mm，前两排锚索间距4.5m，最后1排锚索位于土岩结合面附近；基岩以下深度范围内(第4层)采用放坡喷锚支护，下部锚杆呈梅花形布置，锚杆水平间距为1.2m(见图3b)。

工业南路站③～⑦轴基坑深度23.48m，左侧为三级放坡，右侧土层厚约16m，分5层开挖，采用的围护结构形式与绸带公园站～轴基坑断面左侧支护相似，亦为放坡+嵌岩桩支护，桩体采用φ800mm灌注桩，桩距1 200mm，锚索间距为4.5m，最后1排锚索位于土岩结合面附近(见图3c)。

图3 工业南路站典型深基坑支护剖面

1.3 基坑监测方案

本文重点分析探讨基坑周边地表沉降和围护桩体深层水平位移的时空演化规律，代表性的监测项目与监测控制标准如表2所示。

表2 绸带公园站和工业南路站基坑监测项目和控制标准

绸带公园站基坑右侧放坡+嵌岩桩代表性监测地表沉降点为DBC1+323-(1～9)，其中DBC1+323-(1,3,5,7,9)分别距基坑边缘1，4，9，14，24m。围护桩体深层水平位移代表测点为CX-15-21。工业南路站①～③轴左侧监测地表沉降点DBC1+950-(1,3,5,7,9)分别距基坑左侧边缘1，4，9，14，24m。工业南路站①～③轴右侧吊脚桩DBC1+950-(2,4,6,8,10)，③～⑦轴右侧嵌岩桩DBC1+970-(2,4,6,8,10)分别距基坑右侧边缘1，4，9，14，24m。围护桩体深层水平位移监测代表点为CX-1-3，CX-3-7。2个典型地铁车站各监测点位置如图4所示。

图4 基坑平面监测点布置及坑周监测示意

2 基坑实测变形时空演化分析

2.1 土岩组合基坑围护桩变形分析

监测围护桩体结构变形有助于把握围护桩体自身的强度、稳定性，及其对周围土体变形的影响，围护桩深层位移控制是深基坑施工安全的基础和保障。30个监测点的围护桩桩体最大水平位移与基坑开挖深度关系如图5所示，不同开挖深度下，土岩组合基坑围护桩体典型深层水平位移时空响应如图6所示。

CNKI中，以关键词白花前胡(模糊)和作者栏输入第一作者名称，检索发表于2008年1月1日—2017年12月31日的文献。发表文献量≧3篇的有3位(表7)。

图5 桩体最大水平位移与基坑开挖深度的关系

1)桩体最大水平位移主要发生在土岩结合面以上，这是由于土岩结合面上部为易变形土层，基岩部分为强风化～中风化灰岩，具有相对较好的抗变形能力(见图6)。当桩脚土体尚未开挖时，桩脚处水平位移基本为0，而后随着开挖深度增大而增加，水平位移最大点的位置也不断下移，但最大值基本都位于土岩结合面以上的土体范围内。开挖完成后，向基坑内最大变形值分别为9，6，6mm(见图6)。总体而言，桩体位移一般小于0.070%H，桩体最大水平位移平均值为0.042%H，小于控制标准的0.14%H(见图5和表2)，说明开挖支护设计相对合理，桩体水平位移可控。

图6 不同开挖深度下土岩组合基坑围护桩体侧向位移(“+”为向坑内，“-”为向坑外)

2)对于放坡+嵌岩桩桩体，无论是绸带公园环线CX-15-21嵌岩桩，还是工业南路站CX-3-7嵌岩桩，由于桩脚嵌固在基坑开挖面以下的岩层中，开挖过程中都会导致桩底出现背离基坑方向的微小水平位移。随着第2，3层开挖，CX-15-21嵌岩桩桩体变形从土岩结合面向上基本呈逐渐增大趋势，位移最大值发生在距离围护桩顶部0～3m的自稳性较差的粉质黏土范围内，变形呈现轻微“鼓肚”形。预应力锚索的设置，一定程度上削弱了桩体向坑内水平位移的发展，如在12m深度处设置预应力锚索(见图2)，桩体位移有明显的恢复趋势(见图6a)。但由于土体软弱，抗变形能力较差，当一次性开挖深度较大时，土体卸荷强烈，导致桩身上部仍有向坑内的变形。

3)工业南路站③～⑦轴基坑右侧分5层开挖，一次性开挖深度均小于绸带公园环线～轴基坑。在第2，3层开挖过程中，由于开挖深度仅4m左右，且预应力锚索及时施工(见图3c)，整个桩体水平位移虽有变化，但基本得到控制(见图6b)。而后在第4层下挖过程中，由于嵌岩桩桩身中部(12m左右)位于碎石土层中(见图3c)，且土压力逐步增大，即使施加预应力锚索，桩身向坑内的水平位移仍会增大，呈明显的“鼓肚”形变形模式。由于桩顶土压力较小，且桩上部2排长预应力锚索锚固作用较强，在桩体上部0～6m范围内出现向基坑外的变形趋势。当基坑开挖至第5层后，桩体中部水平位移不再明显增大，说明桩身中部变形基本稳定。

4)工业南路站CX-1-3吊脚桩桩体变形与放坡+嵌岩桩变形趋势有差异(见图6c)。首先，由于吊脚桩支护未受到上部放坡的影响，桩顶附近土压力更小，且设置较强预应力锚索，开挖过程中，桩体上部出现轻微向基坑外的位移，而桩底位于13～16m以下、基坑开挖面以上的岩肩部分，桩底水平位移基本为0。随着逐层开挖的推进，桩体最大水平位移基本位于距离地表10m左右的黏土地层中。

2.2 土岩组合基坑施工对周边地表沉降的影响

本文选择70个周边地表沉降测点，探讨土岩组合地层基坑中，不同围护结构形式的地表沉降随基坑施工的时空演化差异。地面最大沉降与基坑开挖深度关系如图7所示，不同围护结构(放坡+嵌岩桩、吊脚桩、放坡)地表沉降变化曲线如图8所示，不同开挖深度距离基坑边缘不同位置的地表沉降情况如图9所示，可得出如下规律。

图7 坑外最大地表沉降与基坑开挖深度的关系

1)总体上，地表最大沉降随开挖深度的增大而增加，沉降量一般小于0.052%H，地表最大沉降平均值为0.028%H，小于控制标准的0.1%H(见图7)，表明坑外地表沉降皆在可控范围内。

2)从图8可以看出，整个施工过程中，放坡+嵌岩桩、吊脚桩和多级放坡，距离基坑边缘1，4，9，14，24m监测点的地表沉降曲线几乎表现出相同的变化趋势(见图8，9)。开始开挖时，由于放坡开挖或钻孔灌注桩施工扰动较大，且土钉/预应力锚索尚未施作，距离基坑边缘较近的地表位置会有轻微沉降，而每层开挖后，由于及时施作支护结构，最终距离基坑边缘1～24m范围内的地表沉降都得到显著控制，均在允许范围内。

图8 土岩组合基坑不同支护形式周边地表沉降变化曲线

3)地表沉降受地质条件和开挖深度影响较大：由图8，9可知，地表沉降主要发生于土层开挖过程中，当开挖至土岩结合面以下时，基坑开挖对地表沉降影响变小。在杂填土、粉质黏土中开挖导致地表沉降量大于在碎石土中开挖的地表沉降量，这是由于碎石土层弹性模量远大于杂填土和粉质黏土层。即使采用相同的围护结构，在相同的土层中开挖，一次性开挖深度越大，对地表沉降影响越大。

5)放坡+嵌岩桩围护地表沉降的时空演化规律如图9a，9b所示。空间上，靠近基坑边缘部分沉降较大，随着距离增大沉降减小，当距离基坑边缘约20m(1倍的基坑开挖深度)以外时，地表沉降受基坑开挖影响很小。时间上，基坑外侧累计地表沉降量的发生范围和量值随开挖时间与开挖深度的增加先逐渐增大，后当达到某一时刻时(特别是开挖至土岩结合面以下时)，沉降量变化逐渐减缓。

6)吊脚桩围护的地表沉降时空演化规律与放坡+嵌岩桩围护的地表沉降规律不同(见图9c)，地面沉降曲线呈先增加后减小趋势，即勺子形，这与已有数值模拟结果基本相符，最大沉降点距离基坑边缘3～5m范围内；空间上，开挖初期，随着围护桩距离和开挖深度增加，土体受潜在滑裂面的影响逐步增大，地面沉降迅速增大，而后随着距离进一步增加，地面点逐步位于潜在滑裂面以外，沉降量自然减小；时间上，地表沉降规律与放坡+嵌岩桩围护基本相同，随深基坑开挖，地表沉降逐渐增加，但在围护结构体系施加完整后，沉降值增量和沉降速率逐渐减缓并得到控制，最终趋于稳定。

3 现场监测成果的理论指导意义

3.1 不同围护结构地表沉降模式

通过对济南土岩组合基坑地表沉降实时监测和模拟分析(见图8，9)可知，不同围护结构周边地表沉降模式略有不同，基本分为两种。

1)吊脚桩支护 勺子形沉降变形模式即最大沉降在距基坑边缘一定距离处，随着与基坑距离增加，地面沉降先增大后逐渐减小并趋于稳定(见图9c)。勺子形沉降模式的原因在于支护桩延伸至地面时，由于锚杆锚拉作用，使地表沉降最大值发生在距吊脚桩桩顶一定距离处(为0.2H～0.3H，其中H为开挖深度)，支护桩后紧靠桩体土体变形受支护桩的约束作用，其沉降反而较小。

2)多级放坡和放坡+嵌岩桩支护 渐缓型沉降模式即基坑边缘沉降变形最大，随着距基坑边缘距离的增加，地面沉降逐渐减小并趋于稳定(见图9a，9b，9d)。

图9 不同开挖深度下土岩组合基坑围护结构外侧不同距离处地表沉降

3.2 济南土岩组合基坑开挖影响分区

基于第3节研究成果，对济南地铁车站土岩组合地层典型基坑围护结构开挖的影响严重区、影响一般区和影响微弱区进行特定划分(见图10)。吊脚桩+预应力锚索围护的影响严重区最大(1.0H～1.1H)，放坡+嵌岩桩围护的影响严重区次之(0.5H～0.6H)，分级放坡+喷锚支护的影响严重区相对最小(0.35H～0.4H)。

图10 济南土岩组合基坑开挖影响分区(H为开挖深度)

因此，对于济南土岩组合基坑施工，采用3种围护结构，都在一定程度上控制了基坑变形。然而，多级放坡开挖所需施工空间大，回填土方很大，且容易受地下水和地表水的影响。吊脚桩支护对嵌岩深度和岩肩宽度要求很高，且开挖影响区范围相对最大，综合考虑，建议采用放坡+嵌岩桩支护结构。

综合划分济南土岩组合基坑影响区域后，可根据建筑物、构筑物或地下管线所处的不同分区，采取不同保护措施。

4 结语

本文以济南市土岩组合地层深基坑的监测变形数据为研究对象，对不同支护形式深基坑的变形时空演化规律进行总结与深入研究，并对比有限元数值分析结果，结论如下。

1)在济南土岩组合地层深基坑中，无论是吊脚桩围护方案还是放坡+嵌岩桩围护方案，均出现轻微的“鼓肚”形变形模式，桩体本身水平位移均随开挖深度增大而逐渐增加，水平位移最大点也不断下移，变形最大值位于土岩结合面以上的软弱土体范围内。由于下部岩层嵌固作用，围护桩桩底基本不产生水平位移或少量向基坑外的微小位移。

2)空间上，放坡+嵌岩桩地表沉降呈渐缓式演化规律，即靠近基坑边缘的部分沉降较大，然后随距离增大而减小，吊脚桩地表沉降呈“勺子形”演化规律，即呈先增加后减小的趋势；时间上，基坑外侧累计地表沉降量发生范围和量值随开挖时间与开挖深度的增加以及支护体系的施作，呈先增大后减缓趋势。

3)济南土岩组合基坑吊脚桩+预应力锚索围护的影响严重区最大(为1.0H～1.1H)，放坡+嵌岩桩围护次之(为0.5H～0.6H)，分级放坡+喷锚支护相对最小(为0.35H～0.4H)。考虑放坡施工填挖方量较大以及吊脚桩支护开挖影响范围较大等问题，认为在济南土岩组合深基坑中，当基岩深度较大时，采用放坡+嵌岩桩围护方案更加合理。当然，若考虑施工难度和围护桩嵌固深度问题，吊脚桩+锚索围护体系也可取得较好效果。