软土地区某地铁车站深基坑变形分析

沈华骏，蒋正，祝斌

(杭州市勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310000)

1 引 言

随着城市建设的发展，城市大型的地铁深基坑的开挖施工也逐步增多[1]，由于城市内建构筑物较为密集，大型地铁深基坑的开挖施工必然会对周边带来不确定的安全隐患，为有效控制施工过程中的安全风险，严格控制基坑施工过程中的变形量是有效控制基坑施工过程中安全风险的重要指标[2，3]。软土地区由于地质条件较差，深基坑开挖施工过程中围护结构变形相对较大，存在安全风险也相对较高。

许多学者在基坑变形特性的研究积累了许多成果，Terzaghi[4]、Milligan[5]、Peck[6]等通过试验研究提出对不同土层分析墙后地表沉降和沉降范围的经验关系曲以及相应的经验估算方法等。吴锋波[7]等研究了北京市轨道交通80个明挖基坑地表沉降的变形规律，得出最大地表沉降的平均值为砂卵石地区0.11%H，黏性土地区0.20%H；武朝军[8]等对典型车站基坑实测数据分析得出围护结构最大侧移平均值约为0.16%H，墙后最大地表沉降平均值为0.13%H的结论；王旭军[9]等以上海中心大厦为例经分析得出基坑围护墙平均最大位移与开挖深的比值为0.262%H等。

宁波软土性质较为复杂与上海软土有着一定的区别，因此针对宁波地区的软土深基坑的研究不能完全照搬上海研究成果。郑荣跃[10]等针对宁波地区软土深基坑变形控制进行了实践性研究，并初步制定宁波当地基坑变形控制指标；朱瑶宏[11]等对宁波13个地铁深基坑变形特性进入了深入的研究，得出宁波地区地下连续墙的最大侧移介于0.18%H和0.80%H之间，平均值为0.39%H；地表沉降最大值δvm=1.2%H，最小值δvm=0.15%H，平均值δvm=0.69%H的结论。

城市地铁深基坑的施工过程复杂多样，每一个基坑都有自己独特的特点，为更深入地研究分析宁波软土地区地铁车站基坑大变形的问题，有效地掌握软土深基坑开挖期间变形的规律，探寻软土深基坑施工过程中的基坑围护结构变形的影响因素，降低软土深基坑施工过程中的风险，本文结合具体的工程实例，重点对基坑围护结构变形及周边地表沉降情况进行分析，为后续相似软土深基坑施工提供借鉴与参考。

2 工程实例

2.1 工程概况

该工程基坑为宁波地区地铁车站建设开挖的软土深基坑，车站主体结构为地下两层箱型混凝土结构，为地下两层车站，基坑采用明挖顺筑法施工，地下连续墙厚度均为 800 mm。地下墙与内衬墙采用复合式结构型式，全包防水。基坑标准段宽约 19.7 m，深约 16.551 m，盾构井段宽约 30 m，深约 18.201 m，基坑长约 140 m。

车站主体标准段基坑采用地下连续墙+内支撑的围护结构，车站基坑深度 16.55 m～18.25 m，地墙为 800 mm，墙趾埋深 40.75 m，墙趾标高-37.091 m，插入比1∶1.46；标准段及轨排井处均设5道支撑沿基坑深度方向设置1道砼支撑、4道Φ800(t=16)钢支撑加一道Φ800(t=16)钢倒撑。支撑形式如表1所示。

表1 基坑内支撑设置表

2.2 地质条件

基坑开挖及地墙所处的范围内均属第四系滨海平原沉积层，为典型的海基软土地层。基坑施工过程中开挖地层为：①a杂填土、①2黏土、①3b淤泥质黏土、②2b淤泥质黏土；基坑坑底土层：②2b淤泥质黏土；围护结构墙趾土层：④2黏土，⑤2粉质黏土，如图1所示。该区域潜水水位埋深一般在地面下 0.5 m～3.0 m；承压含水层位于⑤3c中砂地层中，稳定性满足施工要求。

图1 标准段围护结构设计及地质剖面图

2.3 测点布设及开挖

基坑整体结构呈长条状，东西两侧各布置6个测斜监测点，南北端头各布置一个测斜监测点，对应测斜监测点位分别布设6个～7个断面沉降监测点，监测点平面布置情况如图2所示，由于界面限制其中地表沉降监测点未完全体现出来，地表沉降监测点与测斜监测点相对应。基坑开挖施工方向由南向北单向逐层放坡开挖，基坑内土方划分为五层土方依次分步分层放坡开挖。

图2 监测点布置平面图

3 围护结构变形实测分析

基坑呈长条状分布，开挖方式采取放坡开挖，本次统计数据均为相同工况下监测点变形值，本基坑周边共设14个墙体测斜监测点，其中CX3、CX9和CX13三个监测点在施工过程中被破坏无法监测，调整补打土体测斜监测孔，所测数据也为土体位移监测数据。部分围护结构侧移监测点CX2、CX3、CX4、CX10、CX11、CX12在各工况下的最大侧移如图3所示。

图3 围护墙在各工况下的位移

3.1 围护结构变形整体性状分析

统计图表2中监测数据均为基坑开挖期间的监测数据，基坑开挖期间也是基坑安全隐患较为突出集中的时间节点，合理有效地分析基坑开挖期间的监测数据对确保基坑安全稳定具有突出的现实意义。图3为围护墙体在各工况下的位移变化图，图4为各工况下墙体最大位移曲线图；由图可以看出随着基坑开挖深度的不断增加基坑围护结构变形量也在增加，并且最大位移深度随着开挖深度的增加也在不断下移。监测点CX1～CX6位于基坑西侧，监测点CX8～CX9位于基坑东侧；由统计图表可以看出基坑两侧围护结构变形值存在着明显的差异其中CX3(土体孔)达到 247 mm，CX4达到 218 mm，明显大于东侧CX10：176 mm、CX11：168 mm。结合施工现场情况及数据变化，初步确定原因为在基坑开挖施工过程中重载车辆大多数停靠西侧运载基坑内渣土及基坑西侧堆载，导致基坑在开挖过程中基坑西侧外加荷载长期高于东侧。

表2 基坑标准段设计控制值统计表

图4 各工况下墙体最大位移曲线图

由图3、图4也可以看出基坑在开挖过程中各测斜监测点累计最大变形值各不相同，其中CX7与CX14分别位于基坑的北端头与南端头，围护结构位移相对较小。其余测斜监测点除东西侧差异外，相同一侧测斜监测点越靠近基坑中部位置围护结构累计位移值明显大于两侧，基坑围护结构变形长边效应较为明显。

3.2 围护结构差异变形分析

基坑围护结构差异变形是辨别基坑安全状况不可忽视的因素，表3中为不同工况下围护结构变形较大区域中统计的4组监测断面的差异沉降数据。由表中数据可以清晰地看出基坑在第一层至第三层土方开挖过程中基坑东西两侧围护结构差异变形值相对较小，但有逐渐增大的趋势。当基坑开挖至第四层土方时基坑东西两侧差异沉降值明显增大，第五层土方开挖过程中差异沉降值最大就已达 48.06 mm，至底板完成时累计值更是达到 82.49 mm，严重影响基坑安全。

近年来学界劲吹“田野风”，进入村落成为时尚。特别是一些有老建筑遗存的古村，人们更是纷至沓来。热衷于进村者，并非都出于对村落价值的珍视与对村落发展的关怀，但对村落的影响却是强大而持久的。在这一现象的背后，是国家战略聚焦乡村，社会资本涌入乡村，乡村成为当代社会的“宝地”。

表3 围护结构差异变形统计表

结合实际施工现场情况分析得知：①基坑在开挖过程中由于受场地限制等因素，基坑西侧堆放较多建筑材料，导致基坑单边荷载长时间超出设计值。②由于基坑东侧场地较小车辆行走不便，西侧重载车辆明显多于东侧，大型吊机等机械设备在基坑施工过程中频繁长时间停靠。

由此可见基坑周边重载车辆及长期超荷载堆放工程材料对基坑变形控制的影响较大，由差异沉降的变化情况也可以看出基坑在第四、五层土方开挖施工过程中的安全隐患也较为突出，为确保周边构筑物、管线及基坑自身的安全应加强施工现场的管理，合理规划堆放建材，重载车辆未作业时应远离基坑周边停放，确保基坑安全。

3.3 围护结构侧移分析

如表4为该地铁基坑各工况下围护结构最大变形深度统计平均值及开挖深度，由表可知除第一层第二层土方开挖施工中最大变形值与开挖深度间存在较为明显差别，其余工况下围护结构最大变形深度平均值均处在距开挖面 2.5 m位置左右，这与郑荣跃[10]等得出宁波地铁深基坑Hδhm/H的范围为0.8～1.25相符合。

表4 围护结构最大变形所处深度统计表

经分析基坑围护结构最大侧移位置深度与开挖深度呈线性关系，随着开挖深度的增大，各工况下的围护结构侧移最大位置点逐渐增大，且大于开挖深度(H)，说明最大位移点始终位于开挖面以下位置，如图5所示。

图5 围护结构最大侧移发生位置深度与开挖深度的关系

该基坑工程开挖土层及坑底土层均为淤泥质黏土，土体强度低、变形大、灵敏性高，且具有较强的流变性，因而对基坑围护结构变形的影响较大，是基坑开挖过程中围护结构最大变形位于开挖面以下的主要影响因素。

图6为围护结构最大侧移与开挖深度之间的关系，图中δmax为围护结构最大侧移值，H为开挖深度，由图6可以看出当基坑围护结构变形较小的情况下，围护结构最大变形值与开挖深度呈线性关系，随着开挖深度的增加基坑围护结构变形最大值明显增大，由线性关系转化为多项式与幂函数关系，尤其基坑第四层与第五层土方开挖施工的过程中，部分监测点围护结构变形最值明显增大，说明该阶段基坑危险等级较高须格外关注并采取相应控制措施。

图6 围护结构最大侧移与开挖深度的关系

由统计可知基坑在底板完成后，围护结构变形最大值(δmax)处于0.35%H～1.44%H之间，基坑不同部位之间围护结构变形最值相差较大，且变形较大位置主要位于靠近基坑中部的西侧位置，具有明显的空间效应。可以看出大部分基坑围护结构变形监测点数据明显超出基坑围护结构设计预警值，基坑整体安全性存在较大隐患。

4 地表变形实测分析

4.1 地表沉降空间分布规律

很多学者对基坑开挖引起的地表沉降曲线的形态做了大量的研究，如侯学渊[12]教授提出的三角形沉降曲线和抛物线形沉降曲线，宁波地区工程施工大多在海积软土层且分布较广，周边地表沉降曲线为抛物线型。如图7所示为该基坑开挖完成后周边地表沉降变形图，该图表中统计了基坑周边12个监测断面地表沉降监测点的监测数据，各监测断面沉降变形趋势符合抛物线型，整体呈勺型形态，最大沉降点位于距基坑 10 m～20 m区间，周边地表沉降影响范围大概在3H～4H基坑开挖范围。

图7 地表沉降变形图

地表监测点D07与D14分别位于基坑北南端头位置处，可以看出靠近基坑端头位置地表监测点沉降量较比中部位置小，并且有端头向中部位置沉降量逐渐增加，如图8所示。基坑周边地表沉降受围护结构变形影响，基坑周边地表沉降变化受长边效应影响较为明显，总体呈凹槽形。

图8 地表沉降时程变形图

4.2 地表变形与开挖深度的关系

地表沉降最大值为δmv，开挖深度为H，两者之间的关系如图9(a)所示，由图9(a)可以看出当基坑开挖深度不断增加基坑周边地表受施工影响也在逐步下沉并且呈线性关系，该基坑周边地表沉降范围主要处于直线δmv=0.3328H+9.1705与δmv=10.009H-33.515之间区域。

图9 地表最大沉降值与开挖深度的关系

由图9(b)统计数据可以看出基坑周边地表沉降值具有明显的离散型，同一开挖深度地表不同断面的最大沉降值存在着明显差异，说明基坑形状及不同部位施工状况等对基坑周边地表沉降变形影响较大，最大δmv=1.27%H，最小δmv=0.28%H，平均值δmv=0.78%H。对比郑荣跃[10]等研究了14个宁波地铁车站工程案例291个沉降观测点所得结论相符，可见软土地区地铁深基坑施工周边地表沉降较大，对地铁周边重要建构筑物等设施的保护较为不利。

4.3 最大地表变形与围护结构最大侧移关系

无量纲化最大地表沉降δmv与围护结构最大侧移δmax的关系如图10所示，图中统计数据为基坑底板完成后的地表沉降与围护结构侧移的监测数据所得，由图10可以看出在相同工况条件下基坑围护结构侧移与周边地表沉降呈正相关，当围护结构发生变化增大时对应监测断面最大地表沉降也将增大，统计结果可得δmax=0.70δmv～1.67δmv，平均值约为1.01δmv；说明基坑在底板完成后各断面周边地表最大沉降值与对应围护结构最大侧移相差不大，且呈正相关。

图10 最大地表沉降与围护结构最大侧移的关系

5 结 论

(1)软土基坑围护结构变形随着基坑开挖深度的增加而增大，低层土方开挖施工时基坑围护结构变形速率增大，该基坑在进行施工过程中基坑围护结构变形远超出基坑设计控制值，应引起格外重视。

(2)基坑施工过程中受周边场地限制，基坑不同部位之间的工况存在着较大的差异，该基坑东西两侧部分监测点变形差异较大，至底板完成时累计差异沉降值已是达到 82.49 mm，对基坑安全存在较大威胁；当基坑出现明显差异情况下应及时采取有效措施，控制该部位基坑进一步变形，降低安全风险。

(3)基坑前两层土方开挖施工中，围护结构最大变形深度位于开挖面以下 5.9 m、3.9 m左右，当开挖三、四、五层土方时围护结构最大变形深度稳定于 2.5 m位置左右。围护结构最大侧移位置深度与开挖深度呈线性关系(Hhm=0.7411H+6.4143)。

(4)该基坑围护结构最大侧移值与开挖深度部分呈一次函数关系，当基坑地层土方开挖过程中部分监测点变化加大，由一次函数关系转为多项式函数关系或幂函数关系。统计数据可知该基坑围护结构变形最大值(δmax)处于0.35%H～1.44%H之间，远大于围护墙体最大水平位≤0.30%H控制标准。

(5)该软土基坑周边地表沉降符合抛物线型沉降曲线最大沉降点位于距基坑 10 m～20 m区间，周边地表沉降影响范围大概在3H～4H基坑开挖范围。沿基坑长边向位于基坑中部位置沉降大于位移基坑端头周边沉降，长条形基坑长边效应较明显，总体呈凹槽形。

(6)基坑地表沉降最大值δmv与开挖深度H呈直线关系，随着开挖深度的增加周边地表也将随之发生沉降变形；基坑不同位置地表沉降存在着明显差异，地表沉降与基坑开挖深度之间关系为，最大δmv=1.27%H，最小δmv=0.28%H，平均值δmv=0.78%H，远大于地面最大沉降量≤0.20%H的标准；最大地表沉降与围护结构最大侧移呈正相关性，δmax=0.70δmv～1.67δmv，平均值约为1.01δmv，对应监测点两者相差不大。

大型地铁软土深基坑施工过程中往往受到诸多条件限制，工程环境较为复杂多变；加大基坑实测数据收集分析，探究软土深基坑变形规律，对优化软土基坑设计具有重要的作用。