郑州市轨道交通基坑工程变形特性的分析与研究

袁聚亮，葛梦溪

(郑州市轨道交通有限公司，河南 郑州 450000)



郑州市轨道交通基坑工程变形特性的分析与研究

袁聚亮，葛梦溪

(郑州市轨道交通有限公司，河南 郑州 450000)

通过对郑州市轨道交通1号线和2号线一期20个车站基坑的变形监测资料进行统计分析，以基坑深度为依据，分别研究了不同风险等级基坑的地表沉降、桩(墙)顶水平位移和桩(墙)体水平位移情况；明确了各监测项目的实测值分布形态，并给出了实测数据的数理统计结果；分析了桩(墙)体水平位移最大值出现的位置，明确了基坑深度对最大值位置的影响，并着重对该地区基坑工程的变形规律进行了分析研究。研究成果可指导后续郑州地区基坑工程变形控制工作的开展，也可为类似地区基坑工程建设提供借鉴。

城市轨道交通；基坑工程；变形监测；变形规律

近年来，我国城市轨道交通工程建设发展迅速，郑州市作为我国中部地区重要的中心城市和综合交通枢纽，积极开展轨道交通建设工作。郑州市轨道交通覆盖郑州中心城区、航空港区、东部新城、南部新城、西部新城，以及新郑、新密等地区，共规划地铁线路21条，规划里程945.2 km。截至2017年1月12日，郑州市轨道交通1号线、2号线和城郊线3条线路正式投入运营，运营里程95.41 km。这些线路工程建设中积累了丰富基坑变形监测资料，为研究郑州地区的城市轨道交通地下工程变形特性提供了重要的基础资料。

城市轨道交通基坑工程具有开挖面积、深度较大，围(支)护结构形式多，地质条件、环境条件复杂等特点，主要用于车站建设[1]。对基坑工程的变形特性的研究可为后续基坑工程设计、施工提供基础资料，有利于工程的变形控制，保护工程自身及周边环境的安全。

国内外相关研究积累了一定的成果，Moormann等[1]研究了不同基坑支护形式、不同开挖地层条件下地表沉降与基坑深度的关系。Leung等[2]基于9个基坑的实测数据得出地下连续墙最大侧移和地表沉降与基坑深度的关系。王卫东等[3]研究了上海软土地区深基坑的地表沉降特点。李淑等[4]研究了北京地铁车站深基坑的地表变形特点。吴锋波等[5～6]对北京市轨道交通80个明挖顺作法基坑工程实测结果进行统计分析，研究确定了北京砂卵石和黏性土地区深基坑开挖引起的周边地表和桩体变形规律。

郑州市轨道交通基坑工程变形实测数据丰富，对这些实测数据的深入挖掘和分析，可总结出该地区基坑工程的变形特性，有利于指导郑州地区的基坑工程变形控制和周边环境的保护，研究意义重大。

1 工程案例收集及分类依据

郑州市位于丘陵岗地与冲积泛滥平原相交接地带，为华北平原一部分，地形比较平坦。郑州市出露地层以第四系为主，自下更新统至全新统均有沉积，地层总厚度50～200 m，自西南向东北由薄变厚，与下伏上第三系地层呈角度不整合接触。

郑州市区内下更新统(Q1)以灰绿色、黄褐色粉质黏土和砂为主，厚度52～105 m。中更新统(Q2)以黄棕色黏土、粉质黏土、粉细砂、中细砂、粗中砂为主，自西向东、自西南向东北，其粒度由粗变细，砂层减少，泥质增加，韵律性增强，地层厚度增大，厚20～50 m。上更新统(Q3)由西向东岩性由细变粗，砂层增多增厚，西部厚度变化较大，厚28～61 m。全新统(Q4)以黄灰色为主，自西向东由细变粗，古河道部位砂层较厚，夹淤泥质粉质黏土，厚度较稳定。城区典型地质剖面如图1所示。

图1 郑州市典型地质剖面

根据《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB 50911—2013)基坑工程自身风险等级的划分标准，按基坑深度H<10 m、10 m≤H<20 m和H≥20 m共3个等级分别进行研究。基坑地表变形研究主要统计基坑周边2排变形量较大的沉降监测点实测结果。

本文主要收集了郑州市轨道交通1号线和2号线一期工程的20个基坑工程案例。这两条线路分别为东西、南北走向，基本覆盖了郑州市的主要城区，其变形实测资料基本可以反映该地区基坑工程的变形特点。分析和采用的变形实测资料为第三方监测结果，较为真实、可靠。所收集郑州市轨道交通1号线和2号线一期的20个基坑工程长度一般为140.0～470.0 m，宽度一般为15.0～25.0 m，基坑开挖深度主要在30.0 m范围之内。基坑工程的具体空间尺寸如图2所示。

20个基坑工程主要采用明挖顺作法施工，其中有3个基坑工程的局部采用盖挖法施工。基坑支护形式主要为钻孔灌注桩+钢管内支撑和地下连续墙+钢管内支撑，1个基坑采用放坡+钻孔灌注桩+钢管内支撑形式。

图2 基坑工程空间尺寸

2 地表变形特性分析

2.1 一级基坑地表变形特性分析

郑州市轨道交通1号线和2号线一期工程某一级基坑标准段开挖深度23.77 m，支护结构采用Φ1000@1400 mm的钻孔灌注桩+3道钢管内支撑，其地表监测点的沉降控制值要求为24.9 mm。实测的地表沉降最大值为-17.8 mm，平均值为-3.1 mm。地表沉降变形整体较小，可按原控制值进行控制。

另外，有3个一级基坑的开挖深度为21.49～31.30 m，支护结构为厚度1000～1200 mm的地下连续墙+内支撑，其地表监测点的沉降控制值为10～30 mm。3个基坑共布设了45个地表沉降监测点，实测结果显示，除1个监测点出现-12.2 mm的沉降，超过了控制值10 mm外，其他监测点均小于控制值。3个基坑45个地表沉降监测点的实测值分布情况如图3所示。

图3 一级基坑地表沉降分布频率

由图3可知，这些地表沉降监测点的实测值主要分布在-20～0 mm范围内，监测点隆起值在0～5 mm范围内的数量超过总数量的40%。地表沉降最大值为-19.6 mm，平均值为-6.9 mm，统计标准差为4.1 mm。

2.2 二级基坑地表变形特性分析

郑州市轨道交通1号线和2号线一期工程某二级基坑开挖深度为17.5 m，支护结构为800 mm厚地下连续墙+3道钢支撑，其地表沉降控制值为10 mm，实测沉降最大值为-17.0 mm，平均值为-4.8 mm。有2个监测点超过控制值，其他监测点沉降数值较小，均在沉降控制值范围内。

某二级基坑开挖深度11.0 m，标准段及北端主要采用放坡开挖，南端部分采用钻孔桩+钢管撑。其地表沉降控制值为27 mm，实测地表变形为-3.2～3.0 mm，变形量较小。

另外，有14个二级基坑的开挖深度范围为15.96～18.49 m，支护结构为钻孔灌注桩+钢支撑体系，围护桩采用直径1000 mm的钻孔灌注桩，桩间距1200～1500 mm，3～4道钢支撑，地表沉降控制值为17～30 mm。14个基坑198个地表沉降监测点的实测结果如图4、图5所示。

图4 二级基坑地表沉降分布频率

由图4可知，其地表变形数值的整体分布形态符合正态分布(图中拟合曲线为正态分布曲线)，沉降数值在-5.0～0 mm区段的分布最多，个别监测点出现了较大的沉降值。地表沉降最大值为-46.3 mm，平均值为-5.2 mm，标准差为6.4 mm。地表隆起的最大值为7.7 mm，平均值为2.1 mm。

由图5(a)可知，除2个基坑的地表沉降最大值较大，超过控制值外，其他基坑的地表变形值较小，一般在控制值范围内。出现较大数值的个别地表沉降监测点周边有建材堆载、车辆碾压等情况，施工中应予以注意。由图5(b)可知，各个基坑的最大地表沉降值与基坑深度的比值一般为-0.25～0%H(H为基坑开挖深度)，平均值为-0.25%H。最大地表隆起值与基坑深度的比值较小，最大值为0.04%H。

图5 二级基坑地表沉降实测结果

3 桩(墙)变形特性分析

3.1 桩(墙)顶水平位移分析

3.1.1 一级基坑桩(墙)顶水平位移分析

某一级基坑标准段开挖深度为23.77 m的基坑桩顶水平位移控制值为24.2 mm，实测值出现向基坑内外两个方向的位移，向基坑外水平位移最大值为8.7 mm，向基坑内水平位移最大值为5.9 mm，数值均较小，均在沉降控制值范围内。

其他3个一级基坑地下连续墙顶部的水平位移控制值为25～30 mm，实测值也存在向基坑内外两个方向的位移，向基坑外水平位移最大值为7.9 mm，平均值为4.1 mm；向基坑内水平位移最大值为14.0 mm，平均值为5.6 mm，标准差为4.7 mm。

3.1.2 二级基坑桩(墙)顶水平位移分析

开挖深度17.5 m的二级基坑地下连续墙顶部的水平位移控制值为26 mm，实测值向基坑外部最大值为7.0 mm，向基坑内部最大值为11.3 mm，变形较小。开挖深度11.0 m的二级基坑桩顶只向基坑内部出现水平位移，最大值为4.5 mm，远远小于控制值50 mm。

其他13个二级基坑的围护桩顶部大多出现2个方向的水平位移，其控制值为10～40 mm。基坑桩顶水平位移实测结果如图6所示。

图6 二级基坑桩顶水平位移实测结果

图6(a)中负值表示向基坑外部的位移，87个监测点中38个监测点出现向基坑外部的位移。所有监测点的实测值主要分布在-5.0～5.0 mm范围内，整体分布形态近似为正态分布。统计结果表明，向基坑内部的桩顶水平位移最大值为17.4 mm，平均值为6.3 mm，标准差为4.7 mm。向基坑外部的桩顶水平位移最大值为13.8 mm，平均值为4.7 mm，标准差为3.3 mm。

由图6(b)可知，各个基坑的桩顶大多出现向基坑内外两个方向的位移。桩顶向基坑外部的变形值较小，向基坑内部的水平位移最大值均比控制值小，基坑桩顶的变形控制效果较好。

3.2 桩(墙)体水平位移分析

3.2.1 一级基坑桩(墙)体水平位移分析

某一级基坑标准段开挖深度为23.77 m的基坑桩体水平位移控制值为24.2 mm，实测5个监测孔的最大水平位移-0.35～7.92 mm(负号为向基坑外位移)，最大水平位移所处深度为1.0～20.5 m，没有较为集中的分布区段。

其他3个一级基坑地下连续墙体的最大水平位移控制值为25～30 mm，实测10个监测孔的最大水平位移-13.16～20.07 mm。墙体向基坑外水平位移最大值为13.16 mm，平均值为6.41 mm，标准差为4.95 mm；向基坑内水平位移最大值为20.07 mm，平均值为13.23 mm标准差为4.32 mm。最大位移所处深度为1.0～19.5 m，主要分布于0.05～0.65H范围内，平均值为0.31H。

3.2.2 二级基坑桩(墙)体水平位移分析

开挖深度17.5 m的二级基坑地下连续墙体的水平位移控制值为26 mm，主要为向基坑内部的位移，各个监测孔的实测最大值为5.18～11.49 mm，最大水平位移所处的深度为1.0～13.0 m。

开挖深度11.0 m的二级基坑桩体主要向基坑内部出现水平位移，其控制值为22.50 mm，各个监测孔的实测最大值为0.55～4.83 mm，最大水平位移所处的深度为6.0～13.5 m。

其他13个二级基坑的围护桩出现向基坑内外两个方向的水平位移。在支撑作用下基坑侧壁土体可通过桩间裂缝挤出，致使桩体出现向基坑外侧的变形[7-8]，其桩体变形控制值为13～40 mm。60个桩体水平位移监测孔的实测最大值分布情况如图7所示。

图7 二级基坑桩体水平位移实测结果

由图7可知，除1个监测孔的最大位移为28.09 mm，大于其控制值25 mm外，其他监测孔的最大值相对较小，主要分布在-15.0～20.0 mm区段。桩体水平位移最大值的分布形态近似为正态分布。统计结果表明，桩体向基坑内部水平位移的最大值为28.09 mm，平均最大值为8.20 mm，标准差为6.23 mm；桩体向基坑外部水平位移的最大值为11.51 mm，平均最大值为6.84 mm，标准差为3.30 mm。

其他13个基坑的桩体最大水平位移所处的深度与基坑深度的比值统计结果如图8所示。

图8 二级基坑桩体水平位移最大值所处深度

由图8(a)可知，59个监测孔的桩体最大水平位移所处深度与基坑深度的比值分为两个大的区段，比值分布主要集中在0.6H～0.8H之间，其次为0～0.1H和0.5H～0.6H，区段0.2H～0.3H无数值分布。统计结果表明，其比值最大值为0.99H，最小值为0.03H，平均值为0.57H，标准差为0.28H。

图8(b)统计了13个基坑桩体水平位移最大值所处深度与基坑深度比值的平均值。由图8(b)可知，随着基坑深度的增加，桩体水平位移的最大值出现位置有逐渐上移的趋势，但没有明显的规律。桩体水平位移最大值的出现位置与基坑深度、桩体长度、支撑数量、支撑轴力大小、监测孔所处基坑位置等多种因素相关，桩体变形的形态也各有特点，需针对具体问题进行分析，相关研究需深入开展。

4 结 论

综上所述，郑州市轨道交通1号线和2号线一期的车站基坑第三方监测结果表明其地表和支护桩(墙)的总体变形较小，工程控制效果明显。对基坑工程变形实测数据的总结得出以下结论：

(1) 基坑地表变形监测点实测值大多小于控制值，14个二级基坑的地表变形实测值整体分布形态符合正态分布，除个别监测点因建材堆载、车辆碾压等沉降值较大外，其他监测点沉降数值较小。

(2) 桩(墙)顶水平位移监测点的实测值存在向基坑内外两个方向的位移，桩(墙)顶向基坑外部的变形值较小，向基坑内部的水平位移最大值均比控制值小，变形控制效果较好。

(3) 桩(墙)体水平位移监测点的实测值也存在向基坑内外两个方向的位移，其监测孔最大值多小于监测控制值。二级基坑桩体水平位移最大值的分布形态近似为正态分布。

(4) 二级基坑桩体水平位移最大值的位置一般在基坑深度范围内0.6H～0.8H之间，随着基坑深度的增加桩体水平位移的最大值出现位置有逐渐上移的趋势，但其受多种因素影响并没有明显的规律性。

[1] MOORMANN C.Analysis of Wall and Ground Movements due to Deep Excavations in Soft Soil Based on a New Worldwide Database[J]. Soils and Foundations, 2004, 44(1): 87-98.

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[3] 城市轨道交通工程监测技术规范：GB 50911—2013[S]．北京：中国建筑工业出版社，2014．

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[6] 李淑，张顶立，房倩，等. 北京地铁车站深基坑地表变形特性研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2012(1)：189-198.

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Deformation Characteristics Analysis and Research of Foundation Pit Related to the Urban Rail Transit in Zhengzhou

YUAN Juliang，GE Mengxi

(Zhengzhou Rail Transit Co. Ltd.， Zhengzhou 450000， China)

Statistical analysis of the deformation monitoring data of 20 station pits, from Zhengzhou urban rail transit line 1 and first phase line 2 are given in this paper, The pit risk grade is divided by the depth, and the monitoring projects of ground settlement, top horizontal displacement of pile (wall) and body horizontal displacement of pile (wall) are studied. The measured values distribution of each monitoring project is defined, and the mathematical statistics results of the measured data are given. The maximum value position of body horizontal displacement of pile (wall) is taken, and the influence of foundation pit depth is studied. The deformation law of foundation pit engineering is especially analyzed in this area. The research achievement may give important guidance to the deformation control of foundation pit engineering in Zhengzhou, and it can also be used for reference engineering in similar area.

urban rail transit; foundation pit engineering; deformation monitoring; deformation law

袁聚亮，葛梦溪.郑州市轨道交通基坑工程变形特性的分析与研究[J].测绘通报，2017(7)：108-112.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0234.

2017-04-13

袁聚亮(1964—)，男，高级工程师，主要从事城市轨道交通的管理工作。E-mail：3235541606@qq.com

P258

A

0494-0911(2017)07-0108-05