西安地区湿陷性黄土地铁车站深基坑开挖引起的地表及基坑支护桩变形特性

梅　源，胡长明，王雪艳,2，袁一力，赵　楠

(1.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安　710055；2.西安工程大学 环境与化学工程学院，陕西 西安　710048)

黄土多具有特殊的结构和较强的湿陷性，在天然状态下可以保持较低的压缩性和较高的强度，而遇水浸湿后，结构迅速破坏，发生瞬间变形，强度也随之大幅下降，具有极大的危害性。西安是西北黄土地区第1个修建地铁的城市，地铁沿线土体多为典型的湿陷性黄土，工程特性非常突出，灾害性基坑事故屡见报道。黄土特殊的工程性质既为工程人员优化设计提供了广阔的空间，也为基坑施工带来了巨大的风险。

由于基坑变形的影响因素比较复杂，现有理论不能同时考虑诸因素对变形的影响，而现场监测的变形数据集中体现了施工过程中诸影响因素的综合作用，因此，分析监测数据成为认识黄土地区地铁车站深基坑变形规律的有效途径。但由于部分监测数据极难采集，监测工作很难完全达到相关规范的要求，投入和产出相差悬殊，因此，如何从有限的数据中分析基坑的稳定性需要深入研究。

国内外针对深基坑变形规律的分析，已经积累了一些重要的研究成果。PECK[1]研究得出了软土深基坑开挖引起的地表最大沉降量与开挖面距离的关系曲线，该曲线已广泛应用于坑外地表沉降的估算。CLOUGH[2]，LONG[3]和MOORMANN[4]研究分析了世界范围内不同土质条件下基坑开挖过程中地表沉降规律； OU[5]、WONG[6]、LEUNG[7]、徐中华[8]、王卫东[9]和MASUDA[10]分别分析了台北、新加坡、香港、上海及日本等地区的基坑变形特性及影响因素；李淑[11-12]统计分析了北京地铁车站深基坑开挖引起的地表及墙体变形规律。

西安地区的地铁车站已陆续开工和投入使用，针对其基坑开挖变形规律的系统研究和总结尚显不足。本文收集了西安10个地铁车站深基坑工程的监测资料，对基坑开挖引起的地表竖向变形及支护桩侧向变形规律进行了统计分析，研究成果可为黄土地区地铁建设提供参考，同时对完善黄土地区深基坑设计理论、规避或降低基坑施工风险具有重要意义。

1　西安地铁地质条件及统计基坑概况

1.1　地质条件

西安地铁沿线多穿越渭河或浐河阶地、黄土梁洼和黄土塬区，地质条件复杂，沿线主要土层物理力学参数平均值见表1。

1.2　统计基坑概况

为避免基坑变形影响因素过于复杂，本次统计的基坑形状均为矩形，长度和宽度分别集中分布在200和20 m左右，开挖深度主要分布于15～27 m之间。

统计的10个车站深基坑均采用灌注桩与钢支撑联合支撑系统，基本信息见表2。本文涉及的变量、符号及意义如图1所示。

表1　西安地铁沿线主要土层物理力学参数平均值

表2　统计的车站深基坑基本信息

图1　基坑变量及其意义

2　基坑变形规律分析

2.1　变形范围

本次研究共获得81个地表竖向变形和710个支护桩侧向变形的有效测值。其中，地表竖向变形在-30～3 mm范围(地表竖向变形向上为正)，支护桩侧向变形在-4～18 mm范围(支护桩侧向变形向基坑内为正)。地表竖向变形及支护桩侧向变形均较小，这与黄土特殊的结构性和较高的强度有直接关系。

2.2　支护桩插入比对基坑最大变形的影响

基坑支护桩插入比(支护桩嵌固深度与基坑开挖深度的比值)是影响基坑变形的重要因素。一般而言，适当增加支护结构插入深度，可以提高抗隆起稳定系数，减小基坑变形。

本文统计的西安地铁车站深基坑支护桩的插入比最小值为0.25，最大值为0.47，平均值为0.37。研究表明：不同区域、土层条件下，基坑的插入比相差较大，中国台北地区基坑支护桩平均插入比为0.65[5]；香港地区基坑支护桩最大插入比为1.6，最小插入比为0.28，平均值为0.96[7]；上海地区基坑支护桩最大插入比为2.01，平均值为1.11[8]；北京地区基坑支护桩插入比最小值为0.17，最大值为0.38，平均值为0.3[11]。西安地区黄土地层条件相对较好，插入比较小，与北京地区相近，但远小于上海软土地区基坑。

西安地铁车站深基坑支护桩插入比与地表最大竖向变形及支护桩最大侧向变形的关系如图2和图3所示。

图2　地表最大竖向变形与支护桩插入比的关系

图3　支护桩最大侧向变形与支护桩插入比的关系

由图2可知：地表最大竖向变形随支护桩插入比的增大而增大，这显然是不符合一般规律的。根据经验，插入比对基坑变形的影响是必然的，然而，插入比是反映支护桩的嵌固情况的主要指标，因此，其对支护桩变形的影响比较直接，而对地表变形的影响比较间接，同时，由于黄土的强度较高、压缩性较小，单一因素如果作用较弱，则无法在基坑地表变形上有所表现。 由此判断：支护桩插入比对黄土地区深基坑开挖引起的地表最大竖向位移的影响较弱，采用提高插入比的方法限制地表竖向变形是不经济的。

相反，插入比对支护桩最大侧向变形的直接作用在图3中得到了清晰表达，插入比越大，支护桩最大侧向变形越小，排除个别异常数据，支护桩最大侧向变形与插入比具有明确的线性关系，因此，如果实际工程中需要限制支护桩的最大侧向变形，可以考虑适当增大支护桩插入比。

2.3　支护系统刚度对基坑最大变形的影响

CLOUGH[1]将基坑支撑系统刚度定义为

(1)

式中：Ew为支护桩弹性模量；h为支撑竖向平均间距；γw为水的重度；D为支护桩直径；s为桩净距；n为支撑层层数。

徐中华及王建华认为[8]：采用式(1)分析支撑系统刚度对基坑变形的影响规律较为理想。同时，由于该公式不考虑土质情况，因此，其对黄土地区深基坑同样具有较好的适用性。采用式(1)分析得到的基坑支撑系统刚度与基坑开挖引起的地表最大竖向变形及支护桩最大侧向变形之间的关系如图4和图5所示。

图4　地表最大竖向变形与支撑系统刚度的关系

图5　支护桩最大侧向变形与支撑系统刚度的关系

根据式(1)计算得到的基坑支撑系统刚度分布在237～857范围，平均值为522。由图4可知：基坑开挖引起的地表最大竖向变形的平均值随基坑支撑系统刚度的增大缓慢减小，当K>600后，地表竖向变形几乎不再变化。这与LEUNG等[7]及王卫东等[9]统计的香港及上海地区基坑开挖引起的地表沉降的规律基本一致。统计结果表明：西安地铁车站深基坑支撑系统刚度已经达到了一个较高的水平。但由于支撑系统刚度对地表变形的作用是间接的，因此通过采用增大支撑系统刚度已难以对较小的地表变形产生显著的影响。

由图5可知，支撑系统刚度对支护桩侧向变形的影响在K<600时影响不明显，当K>600时，其作用较为明显。因此，在较高水平的支撑系统刚度下，支撑系统刚度少量增加不会对支护桩侧向变形产生很大影响，只有当支撑系统刚度的增量较大时，其对支护桩侧向变形的限制作用才能表现出来，不过此时的支撑系统显然是不经济的。

2.4　基坑开挖深度对基坑最大变形的影响

本文统计的基坑开挖深度范围在15～27 m之间，平均深度为19 m，基坑开挖深度与地表最大竖向变形及支护桩最大侧向变形的关系如图6和图7所示。

图6　地表最大竖向变形与基坑开挖深度的关系

图7　支护桩最大侧向变形与基坑开挖深度的关系

由图6可知：地表最大竖向变形受基坑开挖深度影响较大，排除个别异常测值后，两者线性关系明确，地表最大竖向变形随基坑开挖深度的增加而增大。由图7可知，基坑开挖深度对支护桩最大侧向变形的影响作用尚不明确，需要进一步研究。

2.5　基坑长宽比对基坑最大变形的影响

研究发现[2]：基坑开挖长度与宽度之比对基坑稳定性具有显著影响。本文统计的基坑长宽比与地表最大竖向变形及支护桩最大侧向变形的关系如图8和图9所示。

图8　地表最大竖向变形与基坑长宽比的关系

图9　支护桩最大侧向变形与基坑长宽比的关系

由图8可知：随着基坑长宽比的增加，地表最大竖向变形增大，增大趋势在基坑长宽比<10时较为明显，>10时相对较弱。图9表明基坑长宽比对基坑支护桩侧向变形的作用不明确，需要进一步研究。本文统计规律与文献[11]得到趋势基本一致，但由于天然状态下黄土强度较高，其趋势不显著。

3　基坑变形特征分析

3.1　基坑最大变形分布规律

统计的基坑中所有监测断面的地表最大竖向变形及其距基坑边缘的距离与基坑开挖深度比值的分布情况如图10所示。由图10可知：地表最大竖向变形在(2.0×10-4～1.14×10-4)Hw之间， 平均值为4.3×10-4Hw， 集中在(2.0×10-4～6.0×10-4)Hw范围； 地表最大竖向变形位置距基坑边缘的距离在(0.369～0.623)Hw之间， 平均值为0.521Hw， 集中在(0.45～0.60)Hw范围。

图10　地表最大竖向变形分布

统计基坑支护桩最大侧向变形及其距地表的距离与基坑开挖深度比值的分布情况如图11所示。由图11可知：支护桩最大侧向变形在(0.46×10-4～9.94×10-4)Hw之间， 平均值为3.66×10-4Hw， 集中在(1.5×10-4～4.5×10-4)Hw范围； 支护桩最大侧向变形距地表的距离在(0.041～0.864)Hw之间， 平均值为0.483Hw， 集中在(0.03～0.30)Hw及(0.55～0.75)Hw范围，这种分布规律可能与基坑支撑系统冠梁刚度及首道支撑位置密切相关，冠梁刚度越大、首道支撑越接近于桩顶，支护桩的顶端约束就越强，其最大变形位置就会下移，当冠梁刚度较小、首道支撑距桩顶较远时，支护桩的顶端约束则会较弱，支护桩的变形模式会趋于悬臂状态，此时其侧向变形最大值将更接近于桩顶。

图11　支护桩最大侧向变形分布

对比发现：土质不同，深基坑开挖引起的地表沉降最大值差异很大。LONG研究的软土地区、香港城区和北京地区，FERNIE[24]研究的英国较硬土层及HASHASH[25]研究的黏土层的基坑变形特性很接近，地表沉降平均值都集中分布在(8×10-4～15×10-4)Hw； 王卫东等[9]研究的上海软土层地表沉降介于(10×10-4～80×10-4)Hw之间， 平均值为38×10-4Hw； MOORMANN统计的软黏土地层中最大地表沉降基本介于(0.005～0.02)Hw， 平均值约为0.01Hw。可见，黄土地区地铁深基坑开挖引起的地表变形比其他地区小，但是需要强调的是，黄土天然状态下虽可以保持较低的压缩性和较高的强度，但遇水浸湿后，结构迅速破坏，发生瞬间变形，强度也随之大幅下降，因此，尽管黄土深基坑开挖过程中地表竖向变形不大，但一旦发生土层湿陷，后果往往是严重的，设计和施工过程中仍需严格控制地表变形。

支护桩的侧向变形也是基坑施工过程中关注的主要安全指标。OU[5]研究的台北软土地区深基坑最大侧移发生在地表附近；李淑[11]研究的北京地区采用钻孔灌注桩支护的基坑，最大侧移的深度位置基本位于(0.58Hw±5 m)范围；MOORMANN[4]认为大部分深基坑侧移发生在地表以下(0.5～1.5)Hw范围；徐中华[8]研究认为上海软土地区钻孔灌注桩基坑最大侧移发生在开挖面附近，且基本介于(Hw±5 m)范围之内。可见，由于地层、设计、施工等因素的差异，不同地区存在较大差异。

3.2　支护桩最大侧向变形与地表最大竖向变形的关系

基坑的诸多因素同时影响着地表竖向变形及支护桩侧向变形。由于两者关系较为密切，可以通过一方的变化预测另一方变化。图12给出了地表最大竖向变形与支护桩最大侧向变形的统计关系。

图12　地表最大竖向变形与支护桩最大侧向变形的关系

由图12可知：地表最大竖向变形Uivmax主要集中在支护桩最大侧向变形Uihmax的0.65～2倍范围。针对Uivmax与Uihmax的关系许多学者进行了研究，GOLDBERG[26]认为不管是砂土、硬黏土还是软黏土，多有Uivmax=(0.5～1.5)Uihmax；MANA等[27]认为黏土地层中Uivmax=(0.5～1.0)Uihmax；OU统计的台北盆地10个基坑数据表明，Uivmax多在(0.5～0.7)Uihmax的范围；MOORMANN统计的结果表明，软黏土中一般Uivmax=(0.5～2.0)Uihmax。由此可见，西安地铁车站深基坑开挖引起的地表沉降及支护桩侧向变形的关系与上述地区类似。

4　结　论

(1)西安地铁车站深基坑开挖引起的地表竖向变形在-30～3 mm，支护桩侧向变形在-4～18 mm，但两者均小于其他地区的统计值。

(2)地表最大竖向变形随基坑支撑系统刚度的增大而减小，但趋势较缓；随基坑开挖深度的增加而线性增大；随基坑长宽比的增加而增大，基坑长宽比<10时较为明显。地表最大竖向变形的平均值为4.3×10-4Hw，集中在(2×10-4～6×10-4)Hw范围。

(3)支护桩最大侧向变形随其插入比的增大而线性减小，随基坑支撑系统刚度的增大而减小，且此影响在K>600时较强。支护桩最大侧向变形的平均值为3.66×10-4Hw，集中在(1.5×10-4～4.5×10-4)Hw范围。

(4)西安地铁车站深基坑开挖引起的地表最大竖向变形主要集中在0.65～2倍的支护桩最大侧向变形范围。

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