地铁深基坑工程变形规律研究分析

于鹏涛 梅利芳

摘要：指出了随着我国城市化进程的加快，越来越多的城市选择修建地铁来满足城市人口交通的需要，但地铁深基坑工程开挖深度较深，周围环境复杂，开挖施工时会产生变形，导致基坑失稳直接影響基坑本身及周围建筑的安全。介绍了地铁深基坑工程开挖过程中主要产生的变形现象即围护结构变形、基坑底部隆起和周围地表沉降，研究分析了这3种变形的规律及变形机理，探讨了影响其变形的主要因素，为相似的深基坑工程施工提供理论指导，避免安全事故的产生。

关键词：深基坑;监测;变形规律

中图分类号：U231.3

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2020）14-0208-02

1 研究意义

由于地铁深基坑工程施工大多数都在城市中心，施工环境十分的复杂，施工现场周围建筑物多，地下管线、管道交错复杂，土体性质不一，给施工带来很大困难。而且在基坑进行开挖的过程中，基坑围护结构及其周围土体会产生位移和变形，过大的变形和位移，会导致基坑失稳，影响周围建筑物，造成经济损失影响工程的正常进行。所以通过研究深基坑工程产生变形的原因，分析其变形规律，通过采取有效措施，避免产生过大的变形位移，确保基坑工程安全的进行[1]。

2 深基坑工程变形规律

在深基坑工程开挖的过程中，由于基坑内的土体会被挖走，开挖面的土压力消失，基坑底部的土体应力得到释放，会产生向上的隆起。而基坑外部的土体保持不变，因为围护结构的两侧压力差的存在，基坑外侧会产生向内侧的主动土压力，造成围护结构的变形及周围地表沉降。除此之外围护结构自身的重力、地面材料堆放、施工荷载、周围建筑物基础埋深等都会影响围护结构以及使周围土体产生位移变形。基坑主要的变形现象：围护结构变形、基坑底部隆起和周围地表沉降，它们伴随基坑开挖施工的整个过程[2]。这3种变形是相互关联、相互影响的，掌握基坑的变形机理，可以采取有效的防治措施，避免基坑产生过大的变形，危害工程的安全施工。

2.1 围护结构变形

围护结构的变形主要包括水平变形和垂直变形[3]。在基坑开挖的过程中，基坑范围内的土体被挖走，使得土体卸荷，基坑周围土体原有的应力平衡状态被打破，在不平衡的荷载作用下围护结构产生变形位移，并进一步引起地层位移。基坑开挖层面以上围护结构外侧土体会受到主动土压力，开挖面层以下的围护结构内侧土体受到全部或部分被动土压力，从而围护结构两侧土体产生压力差，基坑外部的土体在压力差的作用下会向着基坑内部移动，导致围护结构在水平方向上产生位移变形。因为支撑结构的架设总是在基坑开挖以后才进行的，在未架设支撑的时间段围护结构已经产生了变形。在基坑开挖面以上，围护结构的位移导致外侧主动土压力区的土体水平应力逐渐减小、剪力则逐渐增大、出现塑性区。在基坑开挖面以下，围护结构嵌入深度范围内的被动土压力区土体朝基坑内侧水平移动，导致这部分土体剪应力增大、水平应力增加，基坑底部土体受到挤压产生向上的隆起位移，围护结构产生垂直位移，坑底部分范围内出现塑性区。

2.1.1 围护结构水平变形

随着基坑的开挖围护结构水平方向会产生3种不同变形模式：悬臂型、抛物线型以及前两种的组合型[4]。在基坑开挖的初期，只是开挖基坑上部较少的土体，开挖深度较小，还未设置支撑，此时不管是刚性围护结构还是柔性围护结构变形形式都是相同的，水平位移最大处在围护结构顶部，水平变形整体呈三角形分布，方向向基坑底部，为悬臂型位移。随着基坑开挖深度的不断增加，刚性围护结构上部或整个围护结构向基坑方向的水平位移也会增大，由于刚性围护结构自身刚度大不容易产生变形，所以此刻位移形式还是悬臂型位移。当开挖到一定深度柔性围护结构支撑架设完成时，围护结构顶部的位移变形逐渐趋于稳定或者朝基坑外的方向发生位移变形，在围护结构腹部没有支撑约束的地方会呈现向基坑内的凸起，位移类型为抛物线型。当围护结构内设置有多道内支撑时，随着内支撑数量的不断增加，围护结构水平位移变形为组合型。但是在实际基坑开挖施工中，第一道支撑离地面的距离比较近，检测时第一道支撑施工已经完成，实测位移偏小，导致监测数据显示仍为抛物线型。

2.1.2 围护结构垂直变形

在基坑的开挖过程中，由于上部土体被挖走，基坑底部土体自重应力得到释放，在两侧压力差的作用下，围护结构会受到垂直向上的力，产生垂直位移。围护结构在竖直方向上的位移变形，往往在实际工程中得不到重视，许多人错误地认为围护结构竖向位移对基坑整体稳定性没有影响。事实上围护结构不均匀的垂直变形会使得基坑支护结构体系产生裂纹，严重时还会使得内支撑结构发生偏心作用，威胁工程的安全施工。

围护结构的变形不仅会影响基坑外地表产生沉降变形，还会造成基坑外侧塑性区范围进一步扩大，从而加剧基坑外土体向坑内的水平移动和坑底土体隆起变形。所以，在相同地质条件和围护结构嵌入深度一样的情况下，围护结构的变形是影响地表沉降范围和沉降幅度的主要因素，减小围护结构的变形可以很好的控制基坑周围地表沉降的产生。

2.2 基坑底部隆起

所有基坑工程无一例外都会有基坑底部隆起现象的出现，研究发现主要原因有以下几点：①基坑的开挖使得开挖面竖向土体卸荷，土体的自重应力得到了释放，打破了基坑底部土体原有的应力平衡状态，引起基坑底部土体隆起;②在嵌固深度范围内的围护结构受到外侧土压力朝基坑内发生横向位移，导致坑底的土体受到被动土压力而呈现隆起;③当基坑开挖面以下有地下水存在时，基坑底部土体会吸水软化体积膨胀在水的浮力作用下被抬高出现隆起变形。基坑底部隆起的类型根据基坑的规模大小、开挖深度、基坑形式可以分为两类：弹性隆起和塑性隆起[5]。

在基坑开挖前期，基坑开挖面较小深度较浅，坑底土体被卸荷后上部土压力消失，呈现垂直向上的隆起，坑底隆起形状像面包发酵一样，开挖面中间部分隆起位移最大，两边小，此时为弹性隆起。当围护结构底部土体是压实系数较高的原状土或刚度较大的灌浆加固土体时，围护结构会随土体隆起而被抬高。这种隆起不会造成基坑围护结构外侧土体产生变形，开挖结束，隆起变形也就停止，对于基坑的稳定性是安全的。但随着开挖深度的不断加深，开挖面的不断扩大，基坑围护结构内外两侧所受到土压力差也随之增大，围护结构外侧土体产生朝基坑内的位移，基坑底部呈现中间小两边大的塑性隆起，基坑周围部分影响区域内产生塑性区，造成地表沉降[6]。

2.3 基坑周围地表沉降

基坑工程在进行开挖的过程中，不可避免地会造成基坑周围一定范围内的地表发生沉降變形，地表沉降的幅度影响基坑周围环境的安全[7]。通过大量的工程实践研究发现，基坑周围地表沉降的形式跟基坑的开挖方式和围护结构的类型有着密切的关系，根据其变形形式可以分为两类：三角形沉降和凹槽形沉降[8]。

2.3.1 三角形沉降

当基坑的地质条件为软弱地层，而且围护结构嵌固在土体中深度不大或者基坑开挖为悬臂开挖的情况下，围护结构底部出现较大的水平位移，随着基坑继续开挖变形会逐渐减小，围护结构周围地表沉降量最大，离围护结构越远的地表沉降量越小，此时地表沉降曲线类型为三角形分布。

2.3.2 凹槽形沉降

当基坑的地质条件为刚度较大硬地层，且围护结构嵌固在土中的深度较大或者围护结构内设置多道支持时，围护结构变形与两端固定的梁变形类同，围护结构中部变形比其顶部和底部变形大。地表沉降在距离围护结构某一位置，距离坑边0.4～0.7H处沉降量最大，地表沉降曲线类型为凹槽形分布，地表沉降量表现为先增大随后逐渐减小最后趋于平缓的趋势。

3 影响深基坑变形的因素

3.1 自然地质条件

基坑工程所在地域的地质条件一直以来都是影响基坑变形的主要原因之一，不同的地质条件下，基坑的变形情况也会不同。现场水文地质条件、开挖土层地质条件、周围环境因素等一系列已知条件，直接影响方案的实际设计和工程具体施工情况。在计算分析基坑的变形时，土体的粘聚力、内摩擦角和变形模量等物理参数的选取会直接影响到计算结果的准确性，所以基坑变形计算参数的选取要根据准确的地质勘察报告并结合实际工程经验，只有这样基坑开挖过程的稳定与安全才能被充分的保障[9]。

3.2 设计因素

基坑围护结构在设计上需要满足基坑强度、变形、稳定性等方面的要求，适当地增大围护结构的刚度，对支撑施加预应力，可以减少围护结构的水平位移，降低基坑周围地表沉降。当围护结构的刚度和强度满足基坑设计要求时，在一定范围内增大围护结构的入土深度也可以很好地限制基坑的变形和坑底土体的隆起。

3.3 施工因素

施工因素对基坑变形的影响主要来自时空效应，基坑的开挖面积、深度以及形状与基坑的空间作用有着密切的关系。土体的应力和应变关系曲线会随着时间的推移而产生变化，即土体的蠕变性。在基坑工程开挖的过程中，减小无支撑暴漏时间可以使围护结构起到很好的挡土作用，限制围护结构的变形。在实际施工的过程中，为了有效地限制基坑的变形和保证基坑的稳定，要做到基坑分层、分段开挖且随挖随撑。

4 结语

通过对地铁深基坑工程开挖过程中产生的围护结构变形、基坑底部隆起、基坑周围地表沉降这3种变形规律及变形机理的研究分析，可以在施工过程中准确地预测基坑变形的趋势，提前通过设计和施工两方面有效合理地控制基坑的变形，确保工程安全顺利进行。

参考文献：

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[2]朱虹牧，徐金明，王 俊，等.基坑开挖对围护结构变形的影响[J].桂林理工大学学报，2017，37（3）：508～513.

[3]卢俊义，杨 敏.上海地区深基坑工程连续墙和墙后地表土体的变形特点[J].岩土工程学报，2008，30（1）：369～375.

[4]许明辉，付小坚，陈华明.某软土地区深基坑支护变形分析[J].岩土工程界，2007（3）：27～28.

[5]李 平，杨 挺，王 义，等.基坑工程隆起变形研究综述[J].河海大学学报，2010，38（2）：196～201.

[6]郑 刚，焦 莹，李 竹. 软土地区深基坑工程存在的变形与稳定问题及其控制——软土地区基坑坑底隆起变形问题[J]. 施工技术，2011，40（10）：10～15.

[7]尹盛斌，丁红岩.软土基坑开挖引起的坑外地表沉降预测数值分析[J].岩土力学，2012，33（4）：1210～1216.

[8]乔亚飞，丁文其，王 军，等.无锡地区地铁车站深基坑变形特性[J].岩土工程学报，2012，34（S1）：761～766.

[9]李圃林.土体弹性模量在基坑工程有限元计算中的应用研究[J].绿色科技，2014（10）：237～239.