基于实测数据的常州地铁车站坑外地表沉降变形规律研究*

朱文骏，张思源，童立元，尤 迪，刘松玉

(1.常州市轨道交通发展有限公司，江苏 常州 213022； 2.东南大学交通学院，江苏 南京 210096；3.常州市规划设计院，江苏 常州 213022)

1 研究背景

常州地铁1号线全长34.092km，设地下车站27座，高架站2座；2号线一期工程全长19.718km，设地下车站14座，高架站1座。深基坑工程是常州地铁1，2号线建设的重点工程，对基坑变形控制提出了极高要求，只有正确认识常州地区的基坑开挖变形规律才能在施工过程中减小基坑变形，确保基坑自身及周围环境的稳定。

基坑开挖土体卸荷引起周围地层产生变形，使得围护墙后一定范围发生地层损失，引发地面沉降。较大的地面沉降会对基坑周边的建(构)筑物、地下管线产生较大影响，甚至造成破坏[1-2]。由于不同地区的地层条件具有很大差异，基坑工程具有很强的区域性[3]，不能直接套用其他地区的工程设计经验进行基坑设计。目前，常州地铁建设处于起步阶段，缺乏地铁施工的经验总结和理论研究，只能参考上海、南京及苏州等邻近地区的基坑工程设计及施工经验。因此，总结常州地铁基坑工程的坑外地表变形规律对于预测沉降、评价基坑工程环境效应以及形成地区经验具有一定的指导意义。

基于当地基坑工程大量实测数据进行统计分析是目前研究坑外地表沉降变形的可靠方法。本文收集了常州地铁1，2号线38座选用地下连续墙围护结构形式的车站基坑地表沉降实测资料，对常州地铁车站坑外地表沉降变形进行了统计分析，以期得到常州地区坑外地表沉降变形规律，为常州后续地铁线路的车站深基坑工程设计施工提供参考。

2 实测资料收集

收集了常州地铁38个采用地下连续墙围护结构形式的车站地勘资料、坑外地表沉降实测资料，分别如表1，2所示。表中数据包括常州地铁车站基坑类型划分、基坑开挖深度(H)、地下连续墙深度(Hw)、坑外最大地表沉降(δvm)及最大地表沉降产生的位置距围护墙体的距离(dδvm)。其中地下连续墙厚度多采用0.8m，支撑道数平均为4.5，首道支撑平均深度为1.2m，支撑竖向平均间距为4.3m，表中部分参数定义如图1所示。

表1 常州地铁车站基坑类型划分

表2 常州地铁车站坑外地表沉降的有关数据

图1 参数示意

3 坑外地表沉降分析

3.1 坑外最大地表沉降

坑外最大地表沉降与基坑开挖深度的关系如图2所示，图中数据仅为基坑开挖到底的最终工况。可以看出，常州地区地下连续墙支护的深基坑坑外最大地表沉降大多数介于0.04%H～0.24%H，平均值为0.10%H；随着基坑开挖深度的增加，坑外最大地表沉降也逐渐增大。

图2 坑外最大地表沉降与开挖深度之间的关系

常州地铁车站坑外最大地表沉降与Long[4]统计的软土层厚度小于0.6H的内支撑支护形式的坑外最大地表沉降结果(平均值约为0.12%H)相近；远远小于王卫东[5]对上海地区坑外最大地表沉降的统计结果(介于0.1%H～0.8%H，平均值约为0.38%H)；小于廖少明[6]对苏州地铁车站坑外地表最大沉降的统计结果(介于0.04%H～0.27%H，平均值为0.13%H)；大于乔亚飞[7]对无锡地铁车站坑外最大地表沉降的统计结果(介于0.05%H～0.13%H，平均值为0.09%H)。由此可得：基坑围护结构形式、地层条件对坑外最大地表沉降有一定的影响；常州地区坑外最大地表沉降明显小于上海地区，与苏州、无锡地区相近，说明常州地区地层条件比上海地区好，上海地区地表沉降经验并不适用，在基坑设计时可适当参考苏州、无锡地区的坑外地表沉降经验,但仍需总结得出常州地区的地表沉降变形规律。

3.2 最大地表沉降与围护结构侧向变形的关系

基坑开挖卸荷引起围护墙体在两侧土压力差作用下产生侧向水平位移，从而引起坑外土体发生位移，使地表发生沉降。因此，坑外地表沉降与围护结构侧向变形相互影响，确定坑外地表沉降与围护结构侧向变形之间的变化关系，就可以通过现场实测的围护结构侧向变形来预估坑外地表沉降。

如图3所示最大地表沉降与围护结构最大侧向变形的关系图，图中数据仅为基坑开挖到底的最终工况。δvm介于0.25δhm和1.62δhm，平均值为0.58δhm(δhm为最大侧向变形)。由图可知：最大地表沉降与最大侧向变形的比值普遍小于1；坑外最大地表沉降普遍小于围护结构最大侧向变形，地下连续墙围护形式有利于控制墙后土体变形，减小基坑开挖的环境效应。

图3 围护结构最大侧向变形与地表最大沉降的关系

3.3 插入比对地表最大沉降的影响

插入比是基坑底部以下的墙体深度与基坑开挖深度之间的比值。插入比过小，对于有支撑的围护结构，可能会发生底鼓和渗流等问题；插入比足够大后，继续增加插入比，对基坑变形的控制作用不再有效增长，反而会增大围护结构的造价成本，造成不必要浪费[8]。因此，在围护结构设计时，就需要确定合适的插入比来协调围护结构安全性能与经济成本之间的关系。

最大地表沉降与插入比的关系如图4所示，图中数据仅为基坑开挖到底的最终工况。由图4可知，常州地铁38座车站基坑围护结构的插入比介于0.7～1.0，平均插入比为0.88；坑外最大地表沉降与插入比不存在明显关系，当围护结构入土达到一定深度后，通过增大插入比来控制基坑变形不再可行；常州地铁部分车站基坑插入比偏大，应确立合理的插入比设置范围，优化围护结构设计，从而降低工程经济成本。

图4 围护结构插入比对坑外最大地表沉降的影响

3.4 坑外地表沉降影响范围

坑外最大地表沉降的位置与基坑开挖深度的关系如图5所示，图中数据仅为基坑开挖到底的最终工况。常州地铁车站坑外最大地表沉降的产生位置介于0～1H，距围护墙体距离的平均值为0.4H。由图5可知，最大地表沉降的位置主要集中在0.13H～0.6H，说明最大地表沉降发生的位置更接近围护墙体。

图5 坑外最大地表沉降位置与开挖深度的关系

4 地表沉降分布情况

常州地铁车站坑外地表分布如图6所示，纵轴是无量纲化地表沉降，即某点的地表沉降值与基坑开挖深度的比值，横轴是某点距围护墙体的距离与基坑开挖深度的比值。Peck将土体分为3个区域，由图可以看出：常州地铁车站坑外地表沉降主要分布于区域Ⅰ，即砂土、硬黏土和软黏土区域，只有少数沉降分布在区域Ⅱ，即软黏土和极软弱的黏土区域；常州地区地质条件对应区域Ⅰ的地质条件，可见地下连续墙围护结构形式对基坑变形具有良好的控制效果，使得地表沉降偏小；常州地铁车站坑外地表沉降大多呈凹槽形分布，较大沉降点出现在0.5H～1.0H区间；3段实线可作为地表沉降包络线，用以预测常州地区坑外地表沉降；由包络线可见，常州地区地表沉降主要影响区为0～2.0H，次要影响区为2.0H～3.5H。

图6 坑外地表沉降分布与开挖深度的关系

坑外地表沉降与最大地表沉降比值的沉降分布如图7所示，纵轴是某点的沉降值与最大地表沉降的比值，横轴是某点距围护墙体的距离与基坑开挖深度的比值。图示表明：除少数沉降呈三角形分布外，大多数沉降呈凹槽形分布，0～1.0H为沉降最大区域，1.0H～3.5H为沉降过渡区域；实线为常州地区沉降包络线，可以看出最大沉降一般发生在0.5H附近，当距离>1.0H，沉降逐渐减小至0；虚线为Hsieh和Ou给出的沉降分布曲线，与常州地区坑外地表沉降变化趋势比较相符，可为预测常州地区坑外地表沉降提供一定的参考。

图7 坑外地表沉降与最大地表沉降比值的分布关系

5 结语

收集了常州地铁1，2号线38个车站坑外地表沉降的实测资料，通过统计分析得出常州典型地层条件下深基坑坑外地表沉降变形规律，结论如下。

1)常州地区基坑开挖坑外最大地表沉降值介于0.04%H～0.24%H，平均值为0.10%H；与常州邻近地区的统计结果进行比较，发现与苏州、无锡地区的最大地表沉降统计结果相近，可适当参考。

2)最大地表沉降与最大侧向变形的比值普遍小于1，介于0.25和1.62，平均值约为0.58；地下连续墙有利于控制墙后土体变形，减小基坑开挖的环境效应。

3)坑外最大地表沉降与围护结构的插入比没有明显的关系，常州地铁部分车站基坑插入比偏大，应确立合理的插入比设置范围，降低工程经济成本。

4)最大地表沉降的产生位置介于0～1H，主要集中在与围护墙体距离0.13H～0.6H，平均值为0.4H；最大地表沉降发生的位置靠近围护墙体。

5)坑外地表沉降绝大多数呈凹槽形分布，0～1.0H为沉降最大区域，1.0～3.5H为沉降过渡区域；常州地区地表沉降主要影响区为0～2.0H。