加卸载工况下的车站深基坑开挖变形性状研究

王京潮 ，魏 纲，周鑫鑫

（1.宁海县市政建设中心，浙江 宁海 315600；2.浙大城市学院，浙江 杭州 310015；3.浙江大学，浙江 杭州 310058）

0 引言

在市政工程的建设过程中，深基坑因其开挖过程的高风险和高难度特点，常常带来极大的安全隐患，因此，深基坑的开挖监测分析对保障其安全性具有重要的意义[1-2]。已有许多学者对临近超载或基坑周围有开挖卸载的深基坑进行了监测分析，并总结了相应的规律[3-8]。但是现有文献中学者们大多只对临近超载或仅临近卸载的基坑开挖进行监测分析研究，但并未遇到既邻近超载又临近卸载的深基坑开挖工况。因此有必要作进一步深入研究。

本文以某地铁车站深基坑开挖为背景进行研究，该地铁车站深基坑标准段北侧临近高楼，南侧临近在挖恒大基坑。通过对其进行监测分析，研究基坑在一侧超载以及一侧卸载特殊工况下，其两侧的沉降与变形特性的不同，以及和普通基坑（指周边既无超载也无卸载的基坑）之间的差异并得出相应的变化规律以及总结两侧存在区别的具体原因。

1 工程概况及监测布置

1.1 工程概况

本工程主体结构总长472.4 m，端头井宽25.4 m，标准段宽21.3 m。该基坑采用明挖顺筑法施工，侧墙为地下连续墙与内衬墙组合的复合墙。连续墙厚0.8 m，插入比介于0.79～1.07 之间。其标准段开挖深度为18 m，具体支撑设置见图1。

图1 标准段支撑结构横断面图（单位：m）

标准段开挖土层分布情况见图1，其力学参数详见表1。

表1 标准段开挖地层物理力学参数表

本工程场区无地表河流，其中潜水初见水位一般埋深0.50～1.50 m，静止水位一般埋深0.40～1.90 m，场区浅部潜水主要赋存于表1 所示的岩层中。潜水水位年变幅为1.0～2.0 m，流速缓慢，对工程影响小。承压水主要分布于深部（深度大于36 m）的圆砾层中，详勘测得少量承压水水位埋深4.30 m，水位年变幅1～3 m，且对工程影响小。

该地铁车站基坑西侧靠近河流，东侧分布有三条管线，后期将要改迁。本文重点讨论的标准段，其北侧分布新建的采用桩基础的高层住宅楼，临近基坑有4～6 号楼等，住宅楼在车站基坑开挖前完成了回填工作；南侧靠近恒大基坑，开挖深度介于13～19.35 m 之间，在车站深基坑的开挖过程中，恒大基坑第二层土方开挖结束，坑底深度为10 m，且还未架设第二道支撑。该地铁站深基坑周边环境见图2～图4。由于车站的标准段开挖与恒大基坑同时进行，而且北侧临近高楼，因此该段的监测分析至关重要。

图2 基坑标准段19-22 轴剖面示意图（单位：m）

图3 基坑标准段北侧临近高楼示意图

图4 基坑标准段南侧临近在建基坑示意图

2.2 基坑监测项目及测点布置

本文研究的主要监测项目内容包括：（1）围护墙水平位移；（2）土体水平位移；（3）周边建筑物沉降；（4）地表沉降；（5）立柱沉降。对位于在建基坑与住宅楼间的该车站深基坑，因为标准段19-22 轴相比其他轴段，其南北侧更加靠近恒大基坑以及高楼，且高楼回填土具有一定的时间效应，对于该工况而言最具有代表性，因此本文选择对19-22 轴段间的监测数据进行分析。各项目测点以及累计变形报警值统计见表2，测点布置见图5，且各工况开挖情况见表3。

表2 各项目测点以及累计变形报警值统计表

图5 标准段19-22 轴测点布置平面图

表3 各级开挖工况及时间节点

表2 中，高楼测点距离北侧围护墙依次为44.61 m、27.57 m、18.17 m 和33.62 m；北侧地表沉降测点距离坑壁依次为2 m、6 m 和11 m；南侧地表沉降测点距离坑壁为2 m；围护墙水平位移测点重点分析6 号楼所对北侧测点XY35、XY36 和XY37 以及南侧测点XY18、XY19 和XY20。

3 基坑开挖变形性状分析

3.1 南侧和北侧围护墙水平位移对比分析

图6 和图7 分别为南北两侧围护墙测斜点在不同开挖工况下的监测数据图。图中围护墙向坑内位移为正，反之为负。

如图6 和图7 所示，随着基坑不断开挖，南北侧围护墙向坑内发生水平位移，开挖越深，位移越大，围护墙位移曲线呈现“中间大，两端小”的典型“膨胀”线型，其中北侧每级曲线变化趋势吻合较好，南侧则较差。北侧测点测得的最大水平位移对应深度均在17 m 左右，而南侧测点XY18-20 测得的最大水平位移对应深度依次为15 m 、16 m 和18 m，可见南侧测点累计最大水平位移无明显对应统一深度。由上可知，邻近卸载和超载的南北两侧墙体的变形并不对称，对应的最大位移深度也不统一。且南侧坑底围护墙底部有向坑外偏移的趋势，而北侧并无此现象。

图6 北侧围护墙测点水平位移—深度关系图

图7 南侧围护墙测点水平位移—深度关系图

丁智等[9]收集浙江37 个软土深基坑实例，研究表明最大水平位移与开挖深度呈线性关系。本基坑最大水平位移随开挖深度变化见图8，可发现前三级开挖基本符合线性关系，但最后一级开挖的最大水平位移增量有部分明显的突增。且如图6 所示，当开挖深度至16 m 和18 m 时，深度在10～20 m 的北侧围护墙累计水平位移普遍超过了警戒值42 mm，而邻近在挖基坑的南侧均没有超过警戒值。

造成该南北围护墙水平位移差异的原因有以下几点：基坑在一侧超载以及一侧卸载的工况下，南北围护墙所受主动土压力大小以及计算合力作用深度存在差别，且北侧高楼的回填土具有一定的时间效应，因此导致南北两侧围护墙变形以及最大水平位移对应深度不同；南侧在挖基坑支撑设置与本基坑支撑设置相交错，XY18-20 各测点所在截面一定区域位置，两基坑的支撑在纵向距离内存在差异，导致南侧最大水平位移对应深度也各异；北侧坑壁上的主动土压力大于南侧坑壁所受主动土压力，又由于周边卸载导致南侧墙底产生被动土压力，使得其向坑外偏移；在第四级开挖过程中，施工方未合理安排施工进度，基坑暴露时间太长，导致基坑的时空效应加剧，因此在图8 中折线出现明显拐点。

图8 各测斜点最大水平位移随开挖深度变化图

为较好应对此类问题，应充分了解和评估周边环境，在设计和施工上做好调整：（1）针对北侧高楼，本基坑需提高第四道双拼钢支撑的整体刚度；（2）在施工进度上应与南边在挖恒大基坑施工进度充分协调，更好地合理安排开挖进度，减少基坑暴露时间，降低基坑的时空效应；（3）建议恒大基坑靠近本车站基坑的一侧，加强第二、三道支撑的整体刚度，并将原先计划的局部区域混凝土板结构改成全区域的混凝土板结构，以便于在基坑开挖期间有足够的受力能力以及良好的整体刚度；（4）基坑底部位于⑥2淤泥质粉质黏土夹粉土层中，该土层为微不透水性土层，属于弱富水性，所以在开挖过程中要做好排水工作来减小水土压力。

3.2 南侧和北侧地表沉降对比及分析

图9 为地表沉降测点的监测数据随开挖深度变化图。图中地表发生沉降为负值，隆起为正值。由图9 可见，对比同距坑壁2 m 的CJ39-1 和CJ19-1，南侧土体后期有隆起现象。开挖至后期时，CJ39-2 和CJ39-3 处地表沉降均超过了报警值，最后一级开挖过程中，两处地表沉降折线明显加快上升。

图9 地表沉降随开挖深度变化图

首先，邻近坑壁的超载与卸载是造成南北沉降差异的主要原因；其次，在开挖过程中，附近有大型钢材堆积和大型工程车持续碾压，如图3 所示；最后，最后一级开挖时基坑暴露时间过长。因此在施工过程中，需严格控制场地，防止临时堆载以及循环荷载对沉降造成太大影响。

3.3 南北两侧蠕变对比分析

土体的固结和蠕变是造成基坑在开挖空隙期其土体水平位移以及地表沉降继续增大的主要原因。应宏伟等[10]通过对软黏土深基坑的开挖时间效应进行有限元模拟，分析可知在软黏土基坑的开挖空隙期间，上层土体的开挖卸载会导致超静负孔压的消散，进而导致基坑坑壁土体继续水平位移以及地表土体继续轻微的回缩。由于本基坑的超静负孔压消散不明显，且基坑开挖的空隙期较短，所以在此处忽略土体固结的影响。

据此，将基坑开挖空隙期的坑壁土体水平位移增量和地表沉降定义为土体水平蠕变和地表沉降蠕变。土体水平位移最大蠕变率α 和地表最大沉降蠕变率μ 表示为：

式中：Δ 和▽定义为基坑开挖空隙期，土体最大水平位移增量和地表土体最大沉降增量；T 为空隙期时间间隔。由于6 m 的开挖深度较浅，蠕变效应不明显，则此处不讨论该深度的土体蠕变。

3.3.1 南北两侧土体水平蠕变对比分析

图10 为坑壁土体最大水平蠕变速率随开挖深度分布图。从图中可看出，北侧坑壁土体最大蠕变率明显大于南侧，且开挖深度越深，两侧差距越明显。对于普通的基坑开挖，Ou 等[14]和应宏伟等[15]总结的最大水平蠕变速率介于0.1～0.6 mm/d 和0.15～0.76 mm/d之间。对于一侧超载一侧卸载的本基坑，北侧的最大蠕变率介于0.1～0.65 mm/d 之间，南侧的最大蠕变率介于0～0.2 mm/d 之间，可见该基坑临近超载的北侧坑壁土体最大蠕变速率与普通基坑相当，而临近卸载的南侧则比其略小。

图10 坑壁土体最大水平蠕变速率随开挖深度分布图

3.3.2 南北两侧地表沉降蠕变对比分析

图11 为地表最大沉降蠕变速率随开挖深度分布图。对于普通的基坑开挖，Ou 等[14]和应宏伟等[15]总结的最大沉降蠕变速率介于0.1～0.4 mm/d 和0.1～0.6 mm/d 之间。而本基坑北侧地表的最大沉降蠕变率介于0.05～0.56 mm/d 之间，南侧地表的最大沉降蠕变率介于0.10～0.44 mm/d 之间，可见该基坑临近超载的北侧和临近卸载的南侧地表沉降最大蠕变速率均与普通基坑相当，但北侧地表最大蠕变率略大于南侧地表，且开挖深度越大，两侧的差距也越大。

图11 地表最大沉降蠕变速率随开挖深度分布图

根据以上本基坑南北侧的蠕变对比以及与普通基坑的对比，形成以上差别主要有以下两个原因：（1）本基坑北侧邻近新建住宅高楼，南侧邻近基坑卸载；（2）北侧地表常有大型工程车辆持续碾压，在此循环荷载作用下也会加剧该侧的蠕变效应。对此，在基坑开挖过程中，尤其对于此类“上硬下软”的土层，其抗剪强度弱，压缩性大，需加强支撑刚度，减少地表超载以及防止临近地表循环荷载的作用；在开挖邻近结束，更要及时浇筑垫层和底板。

3.4 周边建筑物沉降和立柱沉降分析

图12 为6 号建筑四个沉降测点的监测数据随开挖深度变化图，其中沉降为负。如图12 所示，随着基坑开挖的进行，建筑物沉降不断增大，且距离基坑越近的位置沉降量越大，但各测点的沉降量差距不大，且均未超过警戒值20 mm，对整个建筑物影响较小。最后一级开挖过程中，建筑物沉降量略微增加加快，原因与上文分析相同。

图12 周边建筑物沉降-开挖深度关系曲线图

图13 为立柱沉降测点测得的监测数据随时间的变化图，其中，立柱抬升为正值，下沉为负值。如图所示，随着基坑的不断开挖，立柱沉降测点测得均为正值，此表现为基底不断隆起。基坑开挖得越深，基底隆起越明显，但均未超过立柱沉降警戒值20 mm，这是由于该车站基坑南侧存在一个在挖基坑，它的存在对本基坑有一定的卸载作用。10 月18 号（开挖至18 m）后，基底隆起开始减小，是因为基坑底部铺设了垫层和底板的缘故。

图13 立柱沉降随时间变化图

4 结论

（1）该基坑南北两侧的围护墙水平位移和地表沉降变形并不对称统一。由于基坑一侧邻近超载（新建住宅高楼）、一侧邻近开挖卸载，且北侧高楼的回填土具有一定的时间效应，其加载侧变形均比卸载侧明显，且普遍存在超过警戒值。因此，加强支撑刚度、减少和控制额外超载和合理安排施工进度具有重要意义。另外，建议扩大加载侧的地表沉降监测范围。

（2）对于坑壁土体水平蠕变和地表沉降蠕变，加载侧的最大蠕变率均略大于卸载侧。除了北侧的高楼荷载，车辆循环荷载也加剧了蠕变效应。

（3）本基坑的高楼沉降以及立柱沉降均在报警值以内，且高楼沉降均匀，可见本基坑开挖对高楼的沉降影响较小。而且由于南侧在挖恒大基坑的存在，对本基坑的坑底有一定的卸载作用，使得立柱隆起不明显。