不同载荷边界条件下的地铁站深基坑变形特性研究

袁庆利

摘要：为更好地实现不同载荷边界条件下的基坑变形预测和控制，以天津市某地鐵站深基坑为研究对象，研究超载、卸载条件下基坑变形特征。通过对现场监测数据的分析，推导基坑北侧和南侧的变形规律，并将分析结果与无超载、卸载条件的普通基坑进行水平位移、地表沉降、土体蠕变等方面的对比，最后，根据超载与卸载产生主动土压力对水平位移的影响，制定了基坑变形控制措施。结果表明：1）载荷边界条件对基坑支护结构和地层的变形影响明显;2）北侧基坑围护结构的水平位移和地表沉降均远大于南侧，北侧变形常超过变形报警值，南侧则相反;3）北侧土层水平蠕变最大速率和竖向蠕变最大速率均大于基坑南侧，普通基坑水平蠕变的最大速率介于两者之间，表明控制边界载荷有利于控制土层变形速率;4）基坑北侧的主动土压力明显高于基坑南侧，由于卸荷作用，基坑南侧地连墙底部产生被动土压力，使基坑侧壁向迎土侧移动;5）合理安排开挖进度，加强支承刚度，减少地表超载，是控制荷载边界条件和基坑变形的有力措施。研究可为城区复杂荷载边界作用下的基坑监测、施工的优化提供依据。

关键词：地基基础工程;荷载边界条件;深基坑;变形特性;天津地铁

中图分类号：TU476文献标识码：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx03008

Abstract：In order to predict and control the deformation of subway foundation pit under different load boundary conditions， the deformation characteristics of foundation pit were studied in a case of Tianjin metro under overloading and unloading conditions. Based on the analysis of field monitoring data， the deformation laws of the foundation pit were deduced in the north and south sides， then the results were compared with the ordinary foundation pit without overloading and unloading conditions in the aspects of horizontal displacement， settlement and soil creep.  Finally， according to the influence of the active earth pressure generated by overload and unload on the horizontal displacement， the deformation control measures were formulated. The results show that： 1） the deformation of supporting structure and stratum of foundation pit is obviously influenced by the load boundary conditions ; 2） the horizontal displacement and settlement of the retaining structure in the north side are much larger than those in the south side， and the deformation often exceeds the alarm value in the north side， while that in the south side is on the contrary; 3） the maximum rates of soil horizontal creep and vertical creep in the north side are higher than those of the south side， between which is the maximum rate of soil horizontal creep of ordinary foundation pit， indicating that the control of boundary load is good for controlling the soil deformation rate; 4） the active earth pressure on the north side is significantly higher than that on the south side. The passive earth pressure is generated at the bottom of the diaphragm wall on the south side due to the unloading effect， which makes the diaphragm wall move towards the soil side; 5） reasonable arrangement of excavation schedule， strengthening of support stiffness and reduction of surface overload are effective measures to control load boundary conditions and foundation pit deformation. The research result provides some reference for foundation pit monitoring and construction optimization under complex load boundary in urban area.

Keywords：ground foundation engineering; load boundary conditions; deep foundation pit; deformation characteristics; Tianjin Metro

地铁深基坑的建设会受到周边环境的影响，特别是在城区密集建筑物以及市政设施的影响下，地铁的深基坑开挖具有高风险和高难度的特点，对基坑建设本身和周边建（构）筑物、周边交通、居民行人等都具有潜在的安全隐患[1-2]。因此，基坑现场监控测量是保证地铁深基坑安全开挖的重要前提[3-4]。国内外学者对深基坑展开了大量的监测和研究工作，总结出了一些研究成果[5-6]。在基坑边缘超载方面，SHI等[7]对基坑边的建筑物进行监测，发现建筑物的最大沉降值出现在转角处，建筑物有向基坑方向移动的趋势;MANGUSHEV等[8]研究了临近基坑的建筑物沉降，发现基坑开挖过程中，产生建筑物地基附加沉降的主要原因是由于触变性饱和土的结构扰动，使得土体向流塑状态转变;WANG等[9]对基坑开挖的全过程进行了研究，指出降水对土体变形的影响明显大于附近34 m处基坑开挖造成的影响;在基坑周边卸载方面，丁智等[10]研究了相邻基坑开挖的监测数据，发现双基坑开挖的土体位移与单基坑开挖相比有较大差异;李镜培等[11]调查了临近深基坑的土体开挖卸载，发现基坑周边的大面积开挖可以改变围护桩桩顶上方的土压力;丁智等[12]研究了相邻基坑侧壁的变形，发现相邻坑壁的变形曲线与单个基坑的变形曲线相同。

笔者以天津市某地铁车站深基坑为研究对象，以现场监测结果为基础，分析深基坑在南侧卸载边界和北侧超载边界共同作用下的变形特征，研究其变形规律，并将研究结果与无超载和卸载的普通基坑进行比较，总结两者的异同点，实现不同荷载边界条件的基坑变形控制。

1工程概况

截至2021年1月，天津市地铁运营线路达到6条，运营里程达到231 km，开通地铁车站158座[13]。天津市某地铁车站主体结构总长度为368 m，端头井基坑宽度为25.5 m，标准断面基坑宽度为21.2 m，标准断面基坑开挖深度为18.0 m，车站围护结构为地连墙，支撑结构为1道钢筋混凝土支撑，3道单刚支撑和1道双拼钢支撑，地下连续墙（简称地连墙）厚度为0.8 m，插入比为0.79～1.07 m，钢筋混凝土支撑尺寸为800 mm×1 200 mm，钢支撑尺寸为直径d=609 mm，厚度t=16 mm。基坑标准断面支护结构设计及地质情况如图1所示。场区地层主要为①1杂填土，②4黏质粉土，②4m细砂，②5卵石和③2粉质黏土夹粉土，地质参数如表1所示。场区无地表径流，初见潜水水位为0.5～1.5 m，静水位为0.40～1.90 m，承压水主要分布于深部的砾石中，埋深大于36 m，地质调查表明，少量承压水埋深约4.30 m，年变化幅度为1.0～3.0 m，对工程质量的影响较小。

在地鐵车站基坑北侧有新建的高层民用住宅建筑多栋，其中第5栋、第6栋、第7栋建筑离基坑较近，约为35 m，建筑高度一般为90 m，地铁车站开挖之前居民楼已修筑封顶;南侧靠近某楼盘地下室基坑，地下室基坑设计深度为13.0～20.0 m，且基坑已开挖10.0 m，但第2道支撑尚未施作。地铁深基坑与多层民用住宅以及邻近地下室深基坑的相互关系如图2所示。由于地铁深基坑与邻近地下室深基坑（卸载边界）同时开挖，北侧又存在新建高层建筑物（超载边界），因此对该段地铁基坑的监测分析至关重要。

2基坑监测点布置

基坑工程监测的项目如下：1）地连墙水平位移;2）土体水平位移;3）周围建筑物沉降;4）地表沉降;5）立柱沉降。如图3所示，由于地铁车站深基坑22轴-25轴段相比基坑标准段的其他位置更靠近南侧的地下室基坑和北侧的高层住宅建筑，因此选取基坑22轴-25轴段的监测数据进行分析。各监测项目的测点编号及报警值如表2所示，基坑开挖工况如表3所示。

在表2中，监测点JZCJ5-1，JZCJ5-2，JZCJ5-3，JZCJ5-4距离基坑北侧地连墙依次为54.4，44.2，34.7和43.9 m。监测点W1，W2，W3距离基坑北侧地连墙依次为2.0，6.0，11.0 m。南侧监测点W4与地连墙之间的距离为2.0 m。地连墙水平位移分析时，主要采用北侧测点S2，S3和S4与南侧测点S7，S8和S9的数据进行分析。

3基坑变形规律

3.1南北两侧地连墙水平位移对比

图4和图5分别为不同开挖工况下基坑南北两侧地连墙的水平位移监测数据。图中正负号规定为朝向基坑内变形为正，反之为负。

从图4和图5中可以看出，随着基坑的不断开挖，南北两侧地连墙都朝着基坑内方向变形，开挖深度越大，墙体的水平位移越大;地连墙的水平位移曲线呈现出中间大两边小的“抛物线”型;基坑北侧不同测点的地连墙水平位移曲线变化趋势较为一致，而南侧的水平位移曲线变化一致性较差，即开挖至底时，北侧不同测点的地连墙最大水平位移对应开挖深度均为17.0 m，而南侧测点S9，S8，S7测得的最大水平位移对应基坑深度分别为18.0，15.5和16.50 m。表明基坑南北侧地连墙在不同周边荷载作用下的变形是不对称的，其最大水平位移发生在不同的深度。

现行国家标准《建筑基坑工程监测技术标准》（GB 50497-2019）规定[14]，一级基坑的地连墙水平位移相对基坑设计深度为Hm控制值的0.3%～0.4%，在复杂环境下的地铁基坑，水平位移控制值取低值，为0.3%Hm。基坑南北两侧地连墙的变形如图6所示，很明显，北侧地连墙的最大水平位移大于控制值，而南侧则相反。

对基坑地连墙的最大水平位移与开挖深度进行分析，结果如图7所示。

从图中可以看出，地连墙的最大水平位移随开挖深度变化，在前3个开挖阶段两者关系基本符合线性关系，但在最后开挖阶段最大水平位移数值明显增大。结合图4、图5和图7可知，当开挖深度为16.0 m和18.0 m时，基坑北侧地连墙10.0～20.0 m范围内的水平位移超过42 mm的报警值，而基坑南侧的地连墙水平位移则低于报警值。

研究表明，产生基坑南北两侧地连墙变形差异的主要原因有：1）地铁基坑南北侧分别在卸载和超载条件下，导致地连墙的主动土压力大小、计算合力作用深度存在差异，另外，北侧高层建筑的地表回填具有一定的时间效应，使得南北两侧的变形及最大水平位移对应的深度不同;2）南侧地下室基坑的支撑架设与地铁基坑支撑架设存在时间上的交错，并且两基坑的支撑间距不一致，从而导致S7，S8，S9测点位置处地连墙最大水平位移对应的深度不同;3）在工况4的开挖过程中，施工方没有合理安排施工进度，基坑暴露时间过长，加剧了基坑的时空效应，在图7中出现最大水平位移的明显转折。

3.2南北两侧地表沉降对比与预测分析

地表沉降监测数据随基坑开挖深度的变化如图8所示。

图8中地表沉降为负值，隆起为正值。从图中可以看出，基坑南北两侧地表沉降存在很大差异，对比W1和W4测点数据，2个测点均距离基坑地连墙为2.0 m，而北侧的沉降量比南侧大得多。W4测点在基坑开挖后期明显的隆起，而W1测点地表沉降超过报警值，W2测点和W3测点的地面沉降在所有开挖工况下均超过了预警值。在工况4条件下，W1-W3测点的地表沉降明显增大。由此表明，超载和卸载是造成南北两侧基坑地表沉降差异的最主要原因，同时，在施工开挖最后阶段，由于基坑暴露时间过长也是导致沉降增加的原因之一。

基坑北侧地表沉降预测值与实测值的比较如图9所示。

从图9中可以看出，基坑北侧的地表沉降随着距离的增加而增加，由于地表监测点的布置数量远远没有满足地表沉降收敛的要求，因此，有必要对地表沉降进一步分析和预测。有学者在研究大量的深基坑变形后，指出地表沉降的最大值发生在距离基坑边线约1倍基坑深度Hm处，并提出基坑土体的变形分析数学模型[15-18]，经实测数据验证，两者的数值吻合较好，地表沉降模型为

在实际工程中，由于监测点有限，无法获取土体变形的收敛范围，造成无法评估基坑开挖对周边土体沉降的影响范围，采取式（1）的预测模型计算土体的沉降变形是较为理想和实用的方法。笔者将式（1）的预测值与实测值比较如图9所示。分析可知，在工况1-工况3条件下，实测的地表沉降小于预测值。当基坑开挖深度达到18.0 m时，距离基坑边线11 m处的监测点W3，地表沉降不超过预测最大值的25%。由于基坑北侧的监测点较少，不能从实测数据判断最大地表沉降的位置，然而，从预测曲线的趋势可以推断，测点W3获取的最大地表沉降与预测沉降最大值并没有很好地对应，因此在地铁基坑监测时，有必要将地表沉降的测量范围可以扩大到2Hm。

3.3南北两侧土体蠕变对比分析

土體的固结和蠕变是基坑开挖过程中土体水平位移和地表沉降持续增大的主要原因。有研究表明，在基坑开挖过程中，上部土体的开挖卸荷会导致超孔隙水压力的消散，使得土体产生水平位移、地表土体轻微收缩（蠕变），相应地，将基坑变形分别定义为土体水平蠕变和地表沉降引起的蠕变。由此，可计算土体水平位移的产生水平最大蠕变速率α和地表沉降引起的竖向最大蠕变速率μ。

基坑北侧土体的水平最大蠕变速率比南侧高的多，而且随着开挖深度增大，两侧的差异越显著。对于无超载和卸载条件的普通基坑，DING等[19]研究指出基坑的水平蠕变最大速率范围为0.1～0.6 mm/d，刘波等[20]认为水平蠕变最大速率范围为0.15～0.76 mm/d。本研究的基坑北侧处于超载条件，南侧处于卸载条件，由图10可知，北侧土体蠕变最大值为0.06～1.68 mm/d，南侧土体最大蠕变率为0～0.2 mm/d。表明在超载条件下，土体水平最大蠕变速率略大于普通基坑，而卸荷条件下土体的水平最大蠕变速率略低于普通基坑。

地表沉降引起的竖向最大蠕变速率随开挖深度的变化关系如图11所示。

对于竖向最大蠕变速率而言，基坑北侧明显大于基坑南侧，且随着开挖深度的增加，两侧差异越显著。类似地，对于无超载和卸载条件的普通基坑，DING等[19]研究指出地表沉降引起的竖向最大蠕变速率为0.1～0.4 mm/d，刘波等[20]研究指出地表沉降引起的竖向最大蠕变速率为0.1～0.6 mm/d。由图11可知，基坑北侧土体竖向最大蠕变速率为0.05～1.54 mm/d，而基坑南侧土体竖向最大蠕变速率范围为0.16～0.64 mm/d。表明超载条件下基坑的竖向最大蠕变速率略大于普通基坑，而在卸荷条件下，基坑的竖向最大蠕变速率与普通基坑相当。

通过以上分析，产生南北两侧基坑土体最大蠕变速率差异，以及超载、卸载条件下基坑与普通基坑蠕变速率差异的主要原因如下：

1）基坑北侧与新建高层住宅相邻，即处于超载条件下，南侧邻近基坑开挖，即处于卸荷条件下。荷载的不同使得土体的变形特征差异明显;

2）施工时，基坑北侧经常有大型工程车辆连续行驶，在这种循环荷载作用下，基坑北侧的蠕变效应会加剧。另外，基坑的力学性质表现为“硬顶软底”，底部土体的抗剪强度较弱，压缩性较高，导致开挖时蠕变速率控制较难。

3.4超载与卸载产生主动土压力对水平位移影响

在基坑的实际开挖过程中，尽管主动土压力区和被动土压力区经常互相转换，但基坑底部的主动土压力区基本稳定。因此，笔者以基坑底部的主动土压力区为研究对象，从基坑侧壁主动土压力的角度分析超载和卸载对基坑地连墙水平位移的影响。

在计算超载对主动土压力的影响时，朗肯土压力理论通常将高层民用住宅荷载简化作用在基坑围护结构上的局部荷载，如图12所示。

在既没有超载也没有卸载的条件下，阴影区域面积SABCDEFIA表示BE墙上的主动土压力，而在附近存在超载的情况下，阴影区域SABCDEFGHIA表示BE墙上的土压力，显然SABCDEFGHIA比SABCDEFIA大，因此，超载条件下基坑侧壁的土压力较高，造成地铁车站基坑地连墙的水平位移大于普通基坑的水平位移。

基坑附近存在卸荷条件时，可以认为是施加的负荷载，南侧基坑挡土墙的主动土压力为阴影区面积SABCDEFIA减去阴影区面积SFGHI，小于普通基坑的主动土压力，导致卸载侧基坑围护结构的水平位移小于普通基坑的水平位移。主动土压力的减小导致土压力合力位置向下移动，因此，基坑围护结构的最大水平位移位置通常低于普通基坑最大水平位移所对应的深度。此外，如图5所示，南侧地连墙底部的水平位移明显偏向迎土侧（数值符号为负），造成上述现象的原因是，该基坑的基坑围护墙靠近地下室基坑开挖，从而降低了基坑侧壁上的主动土压力，使挡土墙底部产生较大的被动土压力。3.5基坑变形控制措施

根据前文分析和对超载、卸载边界条件下的基坑变形控制措施提出以下建议。

1）为了更好地处理超卸载边界条件下深基坑变形的不均匀问题，必须充分评价周边环境，并在设计和施工中进行调整，对于基坑北侧多层民用住宅的变形控制，可在地铁基坑设计和开挖中提高第4道双拼钢支撑的整体刚度。基坑地表监测的范围扩大到2倍基坑开挖深度。

2）地铁车站基坑的施工进度应与南侧地下室基坑同步，合理安排开挖进度以减少基坑的暴露时间和时空效应，建议临近地下室基坑的区域，加强地铁基坑第2道和第3道钢支撑的整体刚度，以提供足够的承载力和良好的整体刚度。

3）基坑底部位于③2粉质黏土夹粉土层中，抗剪强度内摩擦角较低，导致变形较大，同时土层具有一定的不透水性和弱透水性，在开挖过程中应进行排水工作以减少水土压力。

4）在基坑开挖时，有必要加强支撑刚度，减少地表超载，削弱交通循环动荷载的作用，开挖接近基底时，必须及时浇筑垫层和底板，以减少基坑土体的蠕变。

4结语

变形控制是基坑安全施工的重要保障，为更好地掌握地铁深基坑在不同边界条件下的变形规律，以天津地铁某车站深基坑工程为例，以现场监测数据为基础，分析在不同载荷边界条件下基坑的变形特征，得出如下结论。

1）超载和卸载共同作用下，基坑南北两侧围护结构的水平位移和地表沉降是不对称和不均匀的。由于地铁车站基坑北侧毗邻新建高层住宅（超载条件），基坑南侧邻近地下室基坑开挖（卸载条件），基坑超载侧的变形比卸载侧更为显著，超载侧变形常超过报警值，而卸载侧则相反。因此，加强支护刚度，减少和控制附加超载，合理安排施工进度是十分重要的，另外，基坑地表监测的范围扩大到2倍基坑开挖深度。

2）对于基坑侧壁土体的水平蠕变和竖向蠕變，超载侧的最大蠕变速率大于卸载侧的最大蠕变速率，而普通基坑的最大蠕变速率一般介于两者之间。

3）根据朗肯土压力理论，超载基坑侧壁上的主动土压力比卸载侧高，且卸荷侧的计算合力作用深度将向下移动。另外，由于卸荷作用，基坑南侧地连墙底部产生被动土压力，使基坑侧壁向迎土侧移动。

基坑的变形控制不仅与荷载边界条件有关，还与基坑降水以及地质条件等因素相关，本文研究以天津市某地铁车站为例，监测数据未考虑基坑降水的影响，未来有必要针对不同地区地质条件、降水条件耦合荷载边界条件的基坑变形进行研究，以便更好地指导现场施工。

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