常州地区地铁车站深基坑变形特性分析

刘全海，赵尘衍

(1.常州市测绘院，江苏 常州 213003； 2.常州市地理信息智能技术中心，江苏 常州 213003)

1 引 言

当前我国城市轨道交通工程建设高速发展，常州市也迎来了地铁建设的重要时期。常州市位于长江三角洲冲积平原软土地区，土体具有高含水量、高压缩性及低渗透性等特点，工程地质和水文地质条件较差，给深基坑设计、变形控制带来了较大困难[1，2]。

随着基坑工程开挖的不断进行，不可避免地会引起周边地表沉降及基坑自身围护结构的变形，从而可能会对周边环境造成不利影响。因此对轨道交通深基坑变形特性进行深入研究，从而有效控制变形具有重要的意义[3]。

本文以常州轨道交通1号线26个车站主体深基坑为工程背景，结合全建设过程的监测数据，全面研究常州地区的地铁深基坑变形性状，主要包括地表沉降以及基坑围护结构变形等方面，为今后本地区及具有类似地质条件地区的深基坑设计以及施工过程中的变形控制提供借鉴[4]。

2 工程实例

常州轨道交通1号线为南北走向，如图1所示，沿线发育有地面沉降、地裂缝、软土等不良地质作用和特殊性岩土。地下水发育，局部基坑底部位于承压含水层中，降水难度大。周边环境复杂，下穿公路、铁路、河流等重大风险源。

本文收集了常州轨道交通1号线26个车站深基坑实例。目前常州轨道交通1号线车站主体基坑主要采用地下连续墙+内支撑形式的围护结构，基坑开挖深度范围在 16 m～23.4 m，采用明挖顺筑法的开挖方式。

图1 常州轨道交通1号线走向示意图

车站基坑开挖深度范围内依次有①填土、②-3淤泥质粉质黏土、②-4粉质黏土、②-5粉质黏土、③-2黏土、③-3粉质黏土、⑤-1粉砂夹粉土、⑤-2粉砂、⑤-2a粉砂夹粉土、⑤-3粉砂夹粉土，土层分布较为均匀。部分车站③-2硬塑黏土层缺失，部分车站存在⑥-1、⑦-1软塑-流塑淤泥质土，都会对基坑沉降产生较大影响。

常州地区普遍存在两层承压水，第Ⅰ层承压水主要埋藏于⑤1、⑤2及⑧2层粉土、砂土中。⑤1、⑤2承压含水层对基坑施工沉降影响较大。

3 地表沉降特性

3.1 地表沉降最大值分布情况

统计全线所有地表沉降监测点的沉降量，沉降最大值为 78.7 mm，最小值为 0.5 mm，平均值为 5 mm。地表沉降最大值分布情况如图2所示。

图2 地表沉降最大值分布情况

由图2可见，绝大多数地表沉降监测点的沉降最大值位于5 mm内。

统计全线26个车站主体基坑附近的地表沉降最大值，如图3所示。

图3 各车站主体结构基坑附近地表沉降最大值分布情况

从图3中可以看出，部分车站所处位置由于存在⑥-1、⑦-1软塑-流塑淤泥质土，或是围护结构存在涌水、涌砂情况，缺少③-2黏土层，表层土质较差，易导致地表产生较大沉降。

常州地区普遍存在厚度约为6 m的③-1、③-2可塑-硬塑黏土层，在地质条件不太复杂且注意控制施工质量的情况下，基坑开挖引起的地表沉降量可以控制在 20 mm以内。

3.2 地表沉降最大值与开挖深度的关系

对26个地铁车站基坑外地表沉降监测成果进行统计分析，得到坑外地表沉降最大值与开挖深度之间的关系，如图4所示。

图4 地表沉降最大值与开挖深度之间的关系

从图4中可以看出，最大地表沉降值随基坑开挖深度的增大而增大，其最大值介于0.05%H～0.34%H之间，平均值约为0.15%H。从图4中可知，数据离散性较大，说明地表沉降最大值不仅与开挖深度有关，且与施工过程中的质量控制有关，在基坑设计及施工时均应引起重视。

3.3 地表变形模式

Peck在对钢板桩围护为主的基坑进行分析时发现，对砂土和硬黏土的沉降影响范围一般在2倍开挖深度内，并根据土层和支撑条件将墙后地表沉降数据分成3类，分别给出了Ⅰ区(砂土、硬黏土、软黏土)、Ⅱ区(软黏土和极软弱的黏土)、Ⅲ区(有较厚深度的软黏土和极软弱黏土)的沉降范围。图5所示为基坑开挖造成的围护墙后地表沉降分布情况。以距坑壁距离与基坑开挖深度比值为横轴，以无量纲化地表沉降值为纵轴。各实测值均为地表沉降最终值。图中同时绘制出了Peck的分区沉降范围。

图5 围护墙后地表沉降分布情况

从图5中可以看出，常州地区地表沉降点均落在Peck所分的Ⅰ区、Ⅱ区范围内，这与常州地区粉质黏土、砂土地质条件相吻合。

Hsieh等利用在现场采集的基坑工程实测数据，分析了基坑外地表土体的变形特性并提出了沉降曲线公式。

式中：δv，max—地表最大沉降量(mm)；

H—基坑开挖深度；

x—坑外地表沉降点至支护结构边缘的距离。

Hsieh指出，在基坑支护结构后0.5H处产生的沉降最大，在支护结构边缘处地表沉降值为最大沉降值的一半。土体沉降的主要影响范围在支护结构后0H～2H范围内，次要影响区域为2H～4H[5]。

将地连墙墙后地表沉降值与最大地表沉降值比值作为纵轴，以监测点距坑壁距离与基坑开挖深度比值作为横轴，作出图6，图中同时给出了Hsieh提出的沉降分布曲线。

图6 地表沉降形态图

从图6中可以看出地连墙墙后最大地表沉降量基本均被包络于Hsieh提出的凹槽型区域内，与Hsieh提出的结论一致。从图6中还可以看出墙后地表沉降最大值大致位于0.89H处。常州地区地表沉降主要影响区在2H范围内，次要影响区为2H～4H范围。

4 地下连续墙墙体变形特性

4.1 地下连续墙墙体最大侧移与开挖深度的关系

统计常州轨道交通1号线26个车站主体基坑围护墙墙体最大侧移与开挖深度之间的关系，作出图7。

图7 地连墙墙体最大侧移与开挖深度的关系

由图7中可以看出，基坑地连墙墙体最大侧移随开挖深度的增加而增大，最大侧移与开挖深度之比位于0.07%～0.27%之间。由图7中还可知，平均地连墙墙体最大侧移为0.19%H，与具有相似地质条件的苏州地区统计结果较为接近。

4.2 地下连续墙墙体最大侧移深度位置分析

常州地区基坑地连墙墙体最大侧移深度位置与开挖深度之间的关系如图8所示。

图8 地连墙墙体最大侧移深度位置与开挖深度之间的关系

常州地区墙体最大侧移发生位置为(H-9 m)-H深度范围内，平均最大侧移位于H-4.5 m深度处。Moormann[6]的研究结果表明，大部分深基坑墙体侧移发生在地表以下0.5H～1.5H之间；徐中华[7]对上海软土地区钻孔灌注桩基坑统计表明，最大侧移发生在开挖面附近，且基本介于H±5 m深度范围之内。可见，由于地质条件、施工水平等的差异，不同地区地连墙墙体最大侧移发生位置存在较大差异。

4.3 基坑长宽比对墙体最大侧移的影响

李淑[8]研究了北京地层条件下基坑长宽比与墙体最大侧移之间的关系，提出基坑墙体最大侧移随基坑长宽比的增大而增大。作出常州地区基坑墙体最大侧移与基坑长宽比的关系图，如图9所示。

图9 基坑墙体最大侧移与长宽比之间的关系

由图9中可以看出，常州地区基坑地连墙墙体的最大侧移与基坑开挖长宽比没有明显关系，主要原因在于常州地铁各车站基坑在施工过程中减少了基坑每步开挖土方的空间尺寸，减小了基坑开挖的时空效应，从而达到了较好的基坑墙体变形控制效果。

4.4 插入比对墙体最大侧移的影响

插入比是衡量基坑围护结构经济性和影响坑底抗隆起稳定系数的一个重要指标。Hashash通过有限元分析得出，只有当基坑的开挖深度达到极限开挖深度(由于土体变形过大而导致数值计算不收敛时对应的开挖深度)时，围护结构的插入深度才会对墙体的侧移产生较小的影响，否则围护结构的插入深度对围护结构侧移的影响就可以忽略。

图10 地连墙墙体最大侧移与插入比之间的关系

由图10可以看出，常州地区实测的地下连续墙墙体最大侧移与插入比关系不明显，这与Hashash的理论分析一致。徐中华在研究上海地区围护结构插入比对最大侧移影响时得出了相似的结论。

5 基坑开挖变形时空规律分析

在基坑开挖与支撑架设的过程中，每个分步开挖的空间几何尺寸和围护结构开挖部分的无支撑暴露时间对基坑周围地层变形有明显的影响，反映了基坑变形的时空效应。深基坑本身是三维空间结构，大量实践表明，深基坑坑壁间范围内的位移值和土压力比其他地方都要大。深基坑两端壁处存在明显的空间效应，抑制了其邻近区域的土压力和位移的发展。

如图11、图12所示为典型的深基坑围护结构墙体深层水平位移及地表竖向位移的历时变化曲线。

图11 深基坑围护结构墙体深层水平位移历时变化曲线

图12 地表竖向位移历时变化曲线

随着基坑开挖的加深，围护结构墙体的深层水平位移逐渐增大，基坑围护结构变形主要呈现中间大、两头小的形式。支撑架设可有效控制墙体水平位移，在开挖面附近墙体水平位移相对较大。

随着基坑土方开挖，周边地表呈现先隆起再沉降的变形趋势，在回筑阶段地表沉降速率减小，沉降值逐渐趋于稳定。开挖阶段引起的地表沉降量占总沉降的75%，需要注意开挖阶段的围护结构变形控制以减少周边地表沉降。在结构回筑阶段地表沉降量占总沉降量的10%～15%，在底板浇筑完成后，地表沉降量逐步趋于稳定，因此在施工过程中应加快进行底板浇筑。

总体来看，在基坑工程中围护结构墙体变形会随着开挖暴露时间的延长而增大，墙体的内力及周围地层变形也会随之相应产生变化。在有支撑的基坑工程施工中，应有效解决内力、围护结构水平位移和地表沉降等问题。在基坑工程开挖和支撑施工时考虑时空效应，可以合理而有效地利用土体自身在开挖时控制位移的能力来达到控制坑边地层变化的效果，不仅能够保护环境还可大大降低工程造价。

6 结 论

本文以常州轨道交通1号线26个车站主体基坑为工程背景，通过大量监测数据分析了常州地区地铁深基坑施工周边地表沉降及基坑围护结构自身的变形性状。在地表沉降特性分析中重点分析了地表沉降最大值的分布情况、地表沉降最大值与开挖深度的关系以及地表沉降模式。在基坑围护结构自身变形性状分析中重点关注了地连墙墙体最大侧移与开挖深度、基坑长宽比、基坑插入比的关系以及墙体最大侧移深度位置。同时综合分析了基坑开挖过程中变形产生的时空规律。可得出如下结论：

(1)常州地区轨道交通工程车站深基坑周边地表最大沉降值介于0.05%H～0.34%H之间，沉降发生与常州地区粉质黏土、砂土地质条件相关。墙后地表沉降形态呈现凹槽形，地表沉降主要影响区在2H范围内，次要影响区为2H～4H范围。

(2)地下连续墙墙体最大侧移与开挖深度之比位于0.07%～0.27%之间，最大侧移发生在开挖面以上 9 m至开挖面深度范围内。常州地区基坑地连墙墙体最大侧移与基坑开挖长宽比、插入比没有明显关系。

(3)在基坑施工过程中，特别是在地质条件较差的情况下，应严格控制施工质量，并进一步制定基坑围护结构自身及周边地表的变形控制量，确保基坑自身及周边环境安全。