西安地鐵深基坑變形模式統計規律分析

梅 源，袁一力，胡長明，王雪艷,2，趙 楠

(1.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055；2.西安工程大學環境與化學工程學院，陜西 西安 710048 )

黃土濕陷性具有極大的危害性[1].作為黃土地區第一個修建地鐵的城市，西安地鐵沿線土體多為典型的濕陷性黃土，基坑工程變形影響因素比較復雜，基坑開挖過程中風險較大，基坑變形控制問題一直是工程人員關注的焦點.

針對深基坑變形規律的研究，已經積累了一些重要的研究成果.LEUNG[2]、徐中華[3]、王衛東[4]、MASUDA[5]、李淑[6-7]分別分析了不同地區的基坑變形特性及影響因素，但較少涉及黃土深基坑.雖然有不少學者針對某單一黃土深基坑的變形規律進行了分析，但由于數據量較少，而未能得到統計規律，為向黃土地區地鐵深基坑工程的設計和施工提供參考，本文針對西安地鐵車站深基坑地表沉降及支護樁側向變形性狀開展了統計分析，對防止基坑事故及優化設計具有重要意義.

1 基坑概況及沿線基本地質條件

西安地鐵沿線多穿越渭河或浐河階地、黃土梁洼和黃土塬區[8].地質條件復雜，濕陷性黃土、飽和軟黃土、飽和的粉細砂層、人工填土等特殊巖土和不良地質以及地裂縫決定了西安地鐵工程的特殊地位，沿線主要土層物理力學參數平均值見表1.

表1 西安地鐵沿線主要土層物理力學參數平均值Tab.1 Average value of the mechanical parameters of the critical soil layer along Xi’an subway

為避免基坑變形影響因素過于復雜，本次統計基坑形狀均為矩形，均是采用灌注樁與鋼支撐聯合支撐系統，基本信息見表2.

表2 統計的車站深基坑工程基本信息Tab.2 Fundamental information of the station foundation pit engineering

由表2可知，本次統計的基坑長度集中分布在200 m左右，寬度集中分布在20 m左右，開挖深度主要分布于15～20 m之間，最大開挖深度達27.1 m，開挖尺寸分布如圖1所示.

圖1 基坑開挖尺寸分布Fig.1 Dimension distribution of the excavation

2 基坑最大變形量分布

本次統計共得到81個地表沉降測點有效測值及710個樁體變形有效測值.圖2為地表沉降測點的最終變形值，圖3為樁體側向變形最終測值.

從圖2可以看出：基坑開挖主要引起地表沉降，沉降測點占所有測點的97.53%；沉降值為0～3 mm的測點所占比率為23.46%；3～6 mm 測點所占比率39.51%為最高比率區段；6～9 mm 測點所占比率18.52%；9～12 mm 測點所占比率9.88%；12～15 mm 測點所占比率2.47%；15～18 mm 測點所占比率1.23%；沉降值大于18 mm 的測點僅占2.46%.分析發現：基坑開挖不僅會使地表產生沉降，還會導致地面隆起，隆起的測點不多且隆起值較小，介于0～3 mm.

圖2 地表沉降值分布Fig.2 Value distribution of ground settlement

圖3 支護樁側向變形值分布Fig.3 Value distribution of lateral deformation of soldier pile

由圖3可知：圍護樁最大側向變形為0～2 mm所占比率為27.46%，2～4 mm 區段所占比例為30.70%，是分布比例最高的區段；4～6 mm區段所占比例為17.46%；6～8 mm區段所占比例為9.01%；8～10 mm區段所占比例為4.65%；10～12 mm 區段所占比例為3.24%；大于12 mm區段僅占3.67%.

對比發現，基坑地表沉降主要在0～12 mm 范圍，總體略大于墻體側移（集中于0～8 mm），但絕對變形量見其它土質基坑小，這與黃土特殊的結構性和較高的強度有直接關系.本文統計結果與北京地區深基坑工程開挖總體變形趨勢基本一致[6-7].

3 基坑基本變形模式

3.1 西安地鐵深基坑與其它地區基坑變形對比分析

西安地區地鐵深基坑變形與其他地區的對比情況見表3.

表3 西安地鐵車站深基坑變形與其它地區對比結果Tab.3 Comparison: results of the deep foundation pit in Xi'an metro station and other area

由表3可知，西安地區地鐵車站基坑最大側移平均值遠小于其它地區，這說明黃土深基坑在天然含水量狀態下穩定性好，側移及沉降均較小.

3.2 西安地鐵深基坑典型變形曲線監測與分析

為說明西安地鐵深基坑典型變形曲線，本文基于某深基坑實測數據對支護樁變形及地表沉降的變化規律加以分析.該車站長度約為150 m，車站標準段寬度約為23 m，開挖深度為25 m.車站主體圍護結構采用鉆孔灌注樁及鋼管（Φ600）內支撐方案，基坑內共設五層支撐.場地位于黃土梁洼區，地表一般均布有厚度不均的全新統人工填土（Q4ml）；其下為上更新統風積新黃土（Q3eol）、層飽和軟黃土（Q3eol）及古土壤（Q3el），再下為中更新統風積老黃土（Q2eol）、沖積粉質黏土（Q2al）、中砂等.選取的支護樁側移監測點監測結果如圖4所示，地表沉降監測斷面監測結果如圖5所示.

從圖4中可看出，在整個基坑的開挖過程中，圍護樁水平位移總體變化不大，圍護樁水平位移的最大值約有10 mm，與設計中樁體測斜報警值還相差較大，這充分反映出了黃土深基坑不同與軟土地區的顯著特點，黃土由于本身的結構性，側向變形較軟土地區要小的多.在基坑開挖的初始階段，支護樁的側向位移一般很小，呈前傾型曲線.

監測過程中發現，大部分樁體變形曲線變化趨勢相同（如圖4(a)所示），呈拋物線分布，且在整個基坑施工過程中，樁體變形最大位置隨著開挖深度的增加逐漸下移.從圖4(b)中還可以發現，少部分樁體變形規律較其它測點有顯著的不同，整個支護樁的位移沿深度方向是線性減小的，支護樁最大位移出現在樁頂，這可能由于局部環境及荷載情況差異所致.從圖4中還可以看出，樁體的水平位移不僅發生在開挖面以上，開挖面以下也會產生一定的位移.所以，保證支護樁有一定的嵌固深度在設計和施工過程中是非常必要的.

圖4 支護樁側向變形監測曲線Fig.4 Monitoring curve of lateral deformation of soldier pile

圖5 地表沉降變形監測曲線Fig.5 Monitoring curve of ground settlement

從圖5中可以看出，在基坑開挖過程中，最大沉降點并不是距離基坑最近處，而是始終發生在距基坑邊緣一定距離處.該基坑的實測地面最大沉降點位于距離基坑邊13～15 m 的位置處，整體沉降形狀類似于“凹槽形”，且隨著基坑開挖深度的增加，沉降峰值逐漸向基坑側靠近.在整個基坑開挖過程中，最大的地面沉降值接近30 mm，并隨著監測點與基坑邊距離的不斷增加，沉降值又逐漸減小，最后趨于穩定.每開挖一步，坑后地表的沉降量都有一定程度的增加，每步開挖形成的地表沉降分布曲線形狀相似.

3.3 變形模式分析

為統計分析西安地鐵深基坑支護樁側向變形及地表側向變形的基本規律，本文將收集到的數據采用統計方法處理，得到基坑地表沉降測點最終測值統計圖（如圖6所示）及基坑支護樁側向變形統計圖（如圖7所示）.

圖6 地表沉降變形模式Fig.6 Model of ground settlement

圖7 支護樁側向變形模式Fig.7 Model of lateral deformation of soldier pile

由圖6可知，西安地區地鐵車站基坑地表變形表現為“凹槽形”模式.除距基坑邊緣約3 m處個別測點表現為隆起外，其余均為沉降；距離坑壁10～15 m內地表沉降值最大；距坑壁30 m以外沉降較小，基本模式與北京地區深基坑地表變形模式相似[6].

由圖7可知，西安地區地鐵車站基坑支護樁變形表現為兩種變形模式，即“中凸形”或“懸臂形”模式[7].除個別測點支護樁頂部向基坑外變形外，其余均向基坑內變形.“中凸形”模式變形的支護樁距地表5～15 m內變形最大；“懸臂形”模式支護樁頂變形最大，并隨深度增加而逐漸減小.兩種變形模式下支護樁嵌固端可視為不動點.根據經驗，對于土質較好的基坑，樁側土壓力的作用往往表現不明顯，支護樁變形更接近于“懸臂形”模式；當土質相對較軟或部分土層發生濕陷時，樁側土壓力的作用將會表現的較為突出，樁體變形模式更接近于“中凸形”模式，類似于軟土基坑.

4 結 論

(1)西安地鐵車站深基坑地表沉降變形主要集中于0～12 mm 范圍，支護樁側向變形集中于0～8 mm范圍，但兩者均小于其它地區的統計值.

(2)基坑開挖導致的地表沉降變形表現為“凹槽形”模式，距離坑壁10～15 m內地表沉降值最大，坑壁30 m以外地表沉降較小，且隨著基坑開挖深度的增加，峰值逐漸向基坑側靠近.支護樁側向變形分別表現為“中凸形”或“懸臂形”兩種模式，距地表5～15 m范圍內側向變形最大且在施工過程中，樁體變形最大位置隨著開挖深度的增加逐漸下移.

References

[1]王梅.中國濕陷性黃土的結構性研究[D].太原: 太原理工大學,2010.WANG Mei.Study on Structure of collapsible loess in China[D].Taiyuan: Taiyuan University of Technology,2010.

[2]LEUNG E H Y,NG C W W.Wall and ground movements associated with deep excavations supported by cast in situ wall in mixed ground conditions[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,ASCE,2007,133(2): 129-143.

[3]徐中華,王建華,王衛東.上海地區深基坑工程地下連續墻的變形性狀[J].土木工程學報,2008,41(8): 81-86.XU Zhonghua,WANG Jianhua,WANG Weidong.Deformation behavior of diaphragm walls in deep excavations in Shanghai[J].China Civil Engineering Journal,2008,41(8): 81-86.

[4]王衛東,徐中華,王建華.上海地區深基坑周邊地表變形性狀實測統計分析[J].巖土工程學報,2011,33(11):1659-1666.WANG Weidong,XU Zhonghua,WANG Jianhua.Statistical analysis of characteristics of ground surface settlement caused by deep excavations in Shanghai soft soils[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2011,33(11): 1659-1666.

[5]MASUDA T.Behavior of deep excavation with diaphragm wall[D].Cambridge,Massachusetts: Massachusetts Institute of Technology,1993.

[6]李淑,張頂立,房倩,等.北京地鐵車站深基坑地表變形特性研究[J].巖石力學與工程學報,2012,31(1):189-198.LI Shu,ZHANG Dingli,FANG Qian,et al.Research on characteristics of ground surface deformation during deep excavation in Beijing subway[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(1): 189-198.

[7]李淑,張頂立,房倩,等.北京地區深基坑墻體變形特性研究[J].巖石力學與工程學報,2012,31(11):2344-2353.LI Shu,ZHANG Dingli,FAN Qian,et al.Research on characteristics of retaining wall deformation due to deep excavation in Beijing[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(11): 2344-2353.

[8]楊智國,張福忠.西安地鐵2號線地質勘察總體工作探討[J].鐵道工程學報,2009,133(10): 95-98.YANG Zhiguo,ZHANG Fuzhong.Discussion on the overall geological survey for metro lines in Xi'an[J].Journal of Railway Engineering Society,2009,133(10):95-98.

[9]趙浩.地鐵車站深基坑的變形規律研究與風險識別[D].西安: 西安建筑科技大學,2011.ZHAO Hao.Risk identification and study on deformation laws of deep excavation in subway station[D].Xi'an:Xi'an Univ.of Arch.&Tech.,2011.

[10]楊羅沙.基于現場監測反饋分析的黃土地區超深基坑位移控制及工程應對措施研究[D].西安: 西安建筑科技大學,2011.YANG Luosha.The research of the displacement con-trol and the engineering measures of the super deep loess foundation pit based on the monitoring and feedback analysis[D].Xi'an: Xi'an Univ.of Arch.&Tech.,2011.

[11]林源.黃土超深基坑施工對周邊環境的影響及對策研究[D].西安: 西安建筑科技大學,2011.LIN Yuan.Study on influence and countermeasure of loess extra deep foundation ditch construction to surroundings environment[D].Xi'an: Xi'an Univ.of Arch.&Tech.,2011.

[12]李沙沙.地鐵施工期周圍環境風險管理研究[D].西安:西安建筑科技大學,2011.LI Shasha.Study on risk management of subway construction to surroundings environment[D].Xi'an: Xi'an Univ.of Arch.&Tech.,2011.

[13]周國華.黃土地區地鐵T形換乘站深基坑圍護結構穩定性研究[D].湘潭: 湖南科技大學,2009.ZHOU Guohua.Study on the stability of retaining structure in “T Shape” interchange transition station foundation pit in loess area[D].Xiangtan: Hunan University of science and Technology.

[14]劉均紅.西安地鐵車站深基坑變形規律現場監測與FLAC模擬研究[D].西安: 西安科技大學,2010.LIU Junhong.In-situ monitoring and FLAC simulation study of deformation laws of deep excavation in metro station in Xi'an[D].Xi'an: Xi'an University of science and Technology,2010.

[15]李永輝.黃土深基坑施工監測分析與數值模擬[D].西安: 西安建筑科技大學,2009.LI Yonghui.The monitoring analysis and numerical simulation for loess deep foundation pit[D].Xi'an: Xi'an Univ.of Arch.&Tech.,2009.

[16]張婷.西安地鐵韋曲南站深基坑變形規律現場監測研究[D].西安: 西安科技大學,2013.ZHANG Ting.Study of in-situ monitoring of deformation law of deep excavation in Weiqu south station of Xi'an subway line[D].Xi'an: Xi'an University of Science and Technology,2010.

[17]楊睿,李冬生.西安地鐵運動公園站深基坑變形規律現場監測研究[J].西安工業大學學報,2014,34(6):450-454.YANG Rui,LI Dongsheng.Monitoring deformation of deep foundation pit of sports park station of Xi'an subway[J].Journal of Xi'an Technological University,2014,34(6): 450-454.

[18]劉杰,姚海林,任建喜.地鐵車站基坑圍護結構變形監測與數值模擬[J].巖土力學,2010,31(S2): 456-461.LIU Jie,YAO Hailin,REN Jianxi.Monitoring and numerical simulation of deformation of retaining structure in subway station foundation pit[J].Rock and Soil Mechanics,2010,31(S2): 456-461.

[19]成娟.西安地鐵車站深基坑施工風險管理研究[D].西安: 西安建筑科技大學,2011.CHENG Juan.The risk management of deep excavation at subway station in Xi'an[D].Xi'an: Xi'an Univ.of Arch.&Tech.,2011.

[20]梅源,胡長明,王雪艷,等.西安地區濕陷性黃土地鐵車站深基坑開挖引起的地表及基坑支護樁變形特性[J].中國鐵道科學,2016,37(1): 9-16.MEI Yuan,HU Changming,WANG Xueyan,et al.Research on characteristic deformation of ground surface and retaining pile induced by deep foundation pit excavation of subway station in collapsible loess of Xi'an area[J].China Railway Science,2016,37(1): 9-16.