近接高铁桥墩车站基坑地连墙变形及弯矩分布规律

彭旸 段志宏 陆志明 张凯

【摘要】

文章依托深圳市城市轨道交通12号线和平站基坑工程，提出5种邻近桥墩的地下连续墙变形模式：直线型、抛物线型、上反弯型、下反弯型和凹凸型。基于施工实测数据，对不同开挖深度下地下连续墙的变形特性进行了研究。研究表明：随着下穿段开挖深度的增大，地下连续墙最大变形的方向存在由向坑内到向坑外的转变;最大坑内变形主要发生于地下连续墙中部范围内，最大坑外变形主要发生于地下连续墙邻近地表处;最大日变形量大多都小于1mm。

【关键词】地铁车站; 变形分类; 弯矩反分析

【中国分类号】U231.3【文献标志码】A

1976年，Goldberg等[1]对大量的工程案例进行研究，基坑围护结构的变形主要由四种基本变形模式组合而成：平动、绕墙趾转动、绕墙顶转动和近似抛物线的变形，见图1。其中前3种变形主要发生在刚性围护结构中，第4种主要发生在柔性圍护结构中。

1990年，Clough与O’Rourker[2]将带内支撑或拉锚体系的围护结构的变形类型划分为悬臂型、内凸型和复合型，见图2。悬臂型一般发生于基坑开挖后尚未设置顶部支撑的情况;当顶部支撑施作后，围护结构顶部位移受到约束，最大变形发生于中部，表现为内凸型;复合型则是两种情况的组合。

龚晓南[3]在大量工程经验基础上，将基坑围护结构的变形分为4种类型：弓形、深埋型、前倾型与踢脚型，见图3。其中弓形与踢脚型发生于深厚软土、且埋深较浅的地层条件下，深埋型适用于围护结构插入地层较深的情况，前倾型则存在于未设置支撑的基坑中。

李炜明等[4]对某城市地铁车站异形深基坑地下连续墙的测斜结果进行了统计，将异形基坑地下连续墙的变形类型分为往复型、悬臂型和反弯型三种，并根据坑内、坑外位移的相对大小，将反弯型细分为a、b、c三种类型，见图4。往复型主要分布于基坑短边及拐角附近，悬臂型主要分布于标准段未进行土体加固的区域中。

1 依托工程

1.1 基本概况

深圳市城市轨道交通12号线和平站位于桥和路与松福大道交叉口，车站沿桥和路呈东西方向敷设。车站属于地下两层岛式车站，主体结构采用单柱双跨框架式结构形式，以明挖顺作的方式开展施工。由于松福大道上跨新建成的穗莞深城际铁路四线高架桥，导致该高架桥30#桥墩和31#桥墩紧邻和平站主体结构，和平地铁站围护结构到30#和31#墩承台最近距离分别为7.8 m、19.6 m。车站与两桥墩的相对位置见图5。

1.2 工程地质条件

和平站原始地貌为滨海滩涂，现已被人工堆填整平为市政道路，地面高程一般在 3.16～3.85 m之间。车站范围内地层主要包括素填土、填块石、淤泥、粉质黏土、淤泥质黏土、砂质黏性土、全风化混合花岗岩等。由于本工区车站、区间地段分布了具有软土性质的淤泥，其结构松软，承载力低，含水量高，孔隙比大，渗透性低，承载力低，容易产生触变、流变，容易引起地基变形和失稳。

1.3 支护结构及桥墩保护方案

下穿穗莞深段采用1 200 mm厚地下连续墙，基坑横断面共设置五道支撑+一道换撑，第一道为“米”字混凝土撑+中立柱的形式;第二至第五道支撑采用“一”字钢支撑+中立柱的形式，并设置了钢围檩和钢支撑轴力伺服系统。钢支撑轴力伺服系统可以通过实施监测并调整钢支撑轴力的大小来控制围护结构变形，进而达到保护坑外邻近建筑物的目的，其安装于钢支撑两端的支撑头总成见图6。

下穿穗莞深段横剖面见图7。为对穗莞深城际铁路高架桥进行保护，在基坑围护结构与高架桥基础之间采用了隔离桩+旋喷桩的保护方案。

1.4 监测点布置

在和平站基坑施工过程中，工程人员在地下连续墙中埋设了测斜孔以监测施工期间地下连续墙水平位移。地下连续墙测斜（ZQT）的监测点布置见图8，图中划线表示实际施工中该测点的数据缺失。

2 地下连续墙变形模式

基于和平站基坑开挖过程中各地下连续墙测斜数据的统计结果，参考前述各研究人员关于地下连续墙变形的分类思路，将软土地层中邻近桥墩的基坑地下连续墙变形分为五种模式：直线型、抛物线型、上反弯型、下反弯型和凹凸型，见图9。

直线型和抛物线型的主要特征十分明显，无需赘述。上反弯型由下部的抛物线与上部的反弯的单调曲线组成;下反弯型则由上部的抛物线和下部的反弯的单调曲线组成;凹凸型则由上下两段抛物线组成。

3 地下连续墙变形规律分析

和平站采取了多种地层变形控制措施，下穿段为整个基坑工程的控制段，非下穿段为标准段。本节将针对控制段地下连续墙在基坑开挖过程的变形规律进行分析探究。

3.1 最大变形幅值分布

下穿段地下连续墙最大坑内位移δi、最大坑外位移δo与基坑开挖深度He的关系，分别如图10、图11所示。

由图可知：直线型仅发生在初始开挖，开挖深度为0.5 m的工况中;抛物线型在开挖深度在11.5 m以内的工况中都有出现;上反弯型在除0.5 m深度以外均有所分布;下反弯型出现在开挖深度为14.5 m和17 m的工况中;凹凸型分布在11.5 m和17 m深的工况中。因此，引起下穿段各类地下连续墙变形模式的平均开挖深度大体上存在如下大小关系：直线型<抛物线型<上反弯型<凹凸型<下反弯型。

由图10可知，下穿段地下连续墙最大坑内变形不超过开挖深度的0.740 %。由图11可知，最大坑外变形不超过开挖深度的0.26 %。下穿段各类型地下连续墙的最大坑内（外）变形δi（δo）与开挖深度He之比值的均值，如表 1所示。

通过对地下连续墙最大坑内（外）变形δi（δo）与开挖深度He的分析可知，对于不同的地下连续墙变形类型，最大坑内坑外变形有明显的不同。对于在开挖深度较浅处发生概率较大的直线型和抛物线型，基坑内外变形的最大值较大，且呈现出坑内变形大于坑外变形的规律;对于在开挖深度较深处发生概率较大的上反弯型、下反弯型和凹凸型，基坑内外变形相对较小，且呈现出坑内变形小于坑外变形的规律。由此可见，随着下穿段开挖深度的增大，地下连续墙最大变形的方向存在由坑内向坑外的转变。

3.2 最大变形值的深度分布区间

下穿穗莞深段地下连续墙的最大坑内变形对应深度Himax、最大坑外变形对应深度Homax与开挖深度He的关系，分别如图12、图13所示。

由图可知，直线型仅出现在开挖深度1 m处，其最大坑内（外）位移对应深度仅分布在0.5 m、18 m和墙底处。

由图12可见，对于下穿段地下连续墙，抛物线型、上反弯型、下反弯型、凹凸型的最大坑内位移对应深度分别位于[He+1.5，He+15.5]m、[He-3.5，He+7.5]m、[He+6.5，He+9.0]m、[He+4.5，He+7.5]m的区间范围内。这4种类型的最大坑内位移基本分布在基坑开挖面以上。由上述区间的宽度可知，抛物线型、上反弯型的区间宽度较大，数据的离散性较大;下反弯型和凹凸型的区间宽度较小，这说明下反弯型和凹凸型的最大坑内位移对应深度与开挖深度间存在明显关联。

由图13可知，最大坑外位移对应的深度大部分在0～6.5 m的范围内。抛物线型和上反弯型最大坑外位移对应深度与开挖深度无明显关系，抛物线型的最大坑外位移主要出现在地下1 m以内，而上反弯型最大坑外位移只存在于地表（地下0.5 m）;下反弯型和凹凸型，最大坑外变形对应深度分别位于[He-12.0，He-8.0]m、[He-11.0，He-6.0]m区间中，不考虑与开挖深度的关系则分别位于[5.0，6.5] m、[3.0，6.0] m的区间内。不考虑开挖深度的情况区间宽度较小，这说明下反弯型和凹凸型最大坑外位移对应深度可能与开挖深度间无明显联系。

下穿段各地下连续墙测斜孔最大坑内（外）变形对应深度所在区间的分布情况，如图14所示。由图可知，最大坑内变形的出现次数，随着深度的增加，先增加后减少，最大坑内变形主要发生于（10，20] m（地表以下2/5～4/5地下连续墙高度范围），占比超过了2/3;最大坑外变形仅出现在（0，5] m、（5，10] m、（20，25] m，最大坑外变形主要发生于（0，5] m（地表以下0～1/5地下连续墙高度范围）中。

下穿段基坑开挖工况，如表2所示。下穿段坑内、坑外最大日变形量在各工况下的分布，分别如图15、图16所示。

由图可知，下穿段地下连续墙坑内、坑外最大日变形量主要在3 mm、4 mm以内。坑内和坑外的日变形量，都在工况V时达到最大值6.9 mm，对应类型均为上反弯型。工况V开挖的地层为淤泥地层，因淤泥极其软弱且具有蠕变性，故该工况下地下连续墙变形发展很快。

下穿段地下连续墙最大日变形的分布情况，如图17所示。由图可知，绝大部分最大日变形量都位于[0，1） mm区间内，其中，该区间坑内最大日变形占比为78.5 %，坑外则为64.8 %。每日最大日变形量在3 mm以上的占比，坑内为4.4 %，坑外为6.7 %。这说明下穿段较好的控制了地下连续墙的变形，但若最大日变形在3 mm以上时，应保持足够的警惕。

3.4 地下连续墙变形模式的弯矩分析

基于地下连续墙水平位移监测数据，计算地下连续墙的内力的弯矩反分析方法，理论已经较为成熟，能很好的反映地下连续墙所受到的弯矩。弯矩反分析的关键在于拟合函数的选取，本文将采用六次及以上的多项式，利用最小二乘法拟合地连墙变形曲线，具体计算过程参照吴小将等[5]的研究。

5种下连续墙变形模式的弯矩最大值及最大值所在深度的平均值，如表 3所示。由表可知，地下连续墙所受到的最大弯矩主要分布在基坑上部;在开挖深度较浅时，引起的直线型与抛物线型，所受弯矩较小;在挖开深度较深时，引起的其他3类地下连续墙变形类型，所受弯矩较大。其中，上反弯型所受的平均最大弯矩最大，约为最小的直线型的14倍。

4 结论

（1）根据和平站基坑地下连续墙的测斜结果，将近接基坑的地下连续墙变形模式分为：直线型、抛物线型、上反弯型、下反弯型和凹凸型。引起各地下连续墙变形类型的平均开挖深度从小到大为：直线型<抛物线型<上反弯型<凹凸型<下反弯型。

（2）直线型和抛物线型的最大坑内变形整体上大于最大坑外变形，且变形较大，其余三种类型的最大坑内变形整体上小于最大坑外变形，且变形较小，其中，凹凸型的最大变形平均值最小。

（3）地下连续墙最大坑内变形主要位于地表以下约2/5～4/5的地连墙高度的范围内，最大坑外位移主要分布于地下1/5倍基坑深度范围内。下反弯型和凹凸型的最大坑内位移对应深度与开挖深度间存在明显关联，其余3种类型并不存在这种关联。

（4）最大日变形量大多小于1 mm。这说明下穿段较好地控制了地下连续墙的变形，但若最大日变形在3 mm以上时，应保持足够的警惕。

（5）地下连续墙所受到的最大弯矩主要分布在基坑上部;在开挖深度较浅时，引起的直线型与抛物线型，所受弯矩较小;在挖开深度较深时，引起的其他3类地下连续墙变形类型，所受弯矩较大。

参考文献

[1] Goldberg D， Jaworski W， Gordon D. Lateral Support Systems And Underpinning. Volume II. Design Fundamentals[R]. Washington DC： Federal Highway Administration. 1976： 6-27.

[2] Clough G W， O’Rourke T D. Construction induced movements of in situ walls [C] Proceedings， ASCE Conference on Design and Performance of Earth Retaining Structures Special Publication Geotechnical Special Publication， ASCE， New York， 1990， 25， 439-470.

[3] 龔晓南， 高有潮. 深基坑工程施工设计手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社， 1998.

[4] 李炜明，姚成毅，任虹，等.地铁车站异形狭长基坑地连墙变形分类及规律研究[J].中国铁道科学，2019，40（4）：17-26.

[5] 吴小将， 刘国彬， 卢礼顺. 基于深基坑工程测斜监测曲线的地下连续墙弯矩估算方法研究 [J]. 岩土工程学报， 2005（9）： 1086-1090.